2.2.4. Огнеупорни метали
Огнеупорните метали включват метали с точка на топене над 1700 ° C: волфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, цирконий, рений. Най-често те се получават чрез методи на прахова металургия, като се използват технологии за електровакуумно топене и пречистване.
Приложение на огнеупорни метали:
• изделия от електровакуумно оборудване;
• изпарители в инсталации за термично отлагане за производство на тънки високопроводими и резистивни филми;
• термодвойки за измерване на високи температури.
Всички огнеупорни метали, когато се нагряват на въздух до температури над 600 ° C, се окисляват интензивно с образуването на летливи оксиди. Следователно, като нагревателни елементи, те работят във вакуум или в защитна инертна атмосфера, като аргон. Огнеупорните метали имат пренебрежимо ниско налягане на наситените пари, което е важно качество за материала на изпарителя, когато се получават тънки филми.
Волфрам (W) - най-огнеупорният от всички метали (T pl \u003d 3400 ° C), има висока твърдост, добра проводимост
Волфрамът е един от най-важните материали за електровакуумната технология. Благодарение на влакнестата структура, придобита в резултат на коване и изтегляне, тънката волфрамова тел с диаметър до 0,01 mm има висока гъвкавост. Волфрамът е основният материал за направата на нишките на лампите с нажежаема жичка. Но телта и спиралите от чист волфрам при високи температури стават крехки поради процеси на рекристализация, придружени от интензивен растеж на зърната до размера на напречното сечение на телта. За да се подобрят свойствата на чистия волфрам, в него се въвеждат различни добавки. Ториевият оксид Th 2 O 3 забавя процеса на рекристализация и предотвратява растежа на зърната, добавките от силициев оксид SiO 2 и алуминиев Al 2 O 3 подобряват стабилността на размеритеволфрамова тел. В електрически
Във вакуумното производство се използват волфрамови класове VA (с добавка) и BT (с добавка на ториев оксид).
Волфрамът се използва за производство на високоволтови катоди за мощни генераторни лампи, рентгенови тръби с работна температура 2200 ... 2800 К. Волфрамовите катоди имат стабилна емисия на електрони и способността да работят във висок вакуум. Торираните волфрамови BT катоди имат по-високи емисионни свойства.
Волфрамът има най-ниския температурен коефициент на линейно разширение сред всички чисти метали (α l =
= 4.4 Това свойство се използва за производството на термично устойчиви връзки от волфрам с огнеупорни стъкла.
Волфрамът и неговите сплави с молибден, иридий, рений също се използват за нагревателни елементи, работещи при температури над 1200 ° C, и за високотемпературни термодвойки. Поради високата си твърдост, устойчивост на дъга, устойчивост на електрическа ерозия и ниска заваряемост, волфрамът се използва широко при силно натоварени прекъсващи контакти.
Молибден (Mo) - аналог на волфрама, но малко по-малко огнеупорен (T pl = 2620 ° C) и по-малко твърд. Загрятият молибден с финозърнеста структура е много по-пластичен от волфрама; той се използва широко за различни части със сложна конфигурация. Сред всички огнеупорни метали молибденът има най-ниско съпротивление (ρ = 0,05 μOhm m).
Молибденът се използва за нагревателни елементи във високотемпературни (до 1700°C) електрически пещи, работещи в защитна атмосфера. Молибденът се използва за направата на решетки и електроди на вакуумни тръби и други спомагателни части на електровакуумни устройства (куки, резби, висулки), работещи при интензивни термични условия.
имат голямо практическо значениесплави на волфрам с молибден, които образуват структура на твърд разтвор в целия диапазон от концентрации. Сплавите, съдържащи 45% Mo, имат максимално съпротивление и твърдост, висока устойчивост на ерозия. Използват се за силно натоварени контакти в защитна среда Използват се също
за нишки на електрически лампи и нагревателни катоди, тъй като имат по-високи механични свойства от чистия волфрам, въпреки че имат по-ниски допустими работни температури.
Рений (Re) е рядък и тежък метал с точка на топене, близка до тази на волфрама (T fl = 3180 °C). Реният е твърд и здрав, като волфрама, и пластичен, като молибдена, има високо съпротивление (ρ = 0,214 μOhm m) и е устойчив на DC дъга. Реният често се използва в сплави за силно напрегнати прекъсващи контакти, като сплави W+15. 20%Re се характеризират с повишена устойчивост на износване.
Рений и неговите сплави с волфрам се използват в производството на вакуумни устройства вместо волфрам, тъй като той се изпарява по-малко във водородна атмосфера и има по-дълъг експлоатационен живот. Re- и се използват за термодвойки до 2500 ... 2800 ° C в защитна среда.
В радиоелектрониката рений се използва за защита от корозия.
и износване на части от мед, волфрам и молибден. Тънки слоеве от рений се използват за прецизни резистори в интегрални схеми.
Танталът (Ta) е малко по-нисък по огнеупорност от волфрам (T pl = 3000 ° C), но значително го надвишава в пластичност, което прави възможно производството на фасонни части, тел и фолио с дебелина до 10 микрона. Танталът образува плътен Ta 2 O 5 оксиден филм на повърхността, който е стабилен до температура от 1500 ° C. Това свойство се използва при производството на електролитни итънкослойни кондензатори с висок специфичен капацитет, получени чрез анодно окисление.
Танталът се използва широко в електровакуумната технология за критични части: аноди и решетки на генераторни лампи, катоди с нажежаема жичка. Поради способността си да абсорбира газове в температурния диапазон от 600 ... 1200 ° C, танталът се използва във вакуумно оборудване като стабилизатор на висок вакуум (гетер). Танталът се използва и в тънкослойната технология при производството на резистори. Във въздуха азотът се разтваря активно в танталовия филм с образуването на Ta 2 N нитриден филм, който има висока стабилност на свойствата.
Ниобият (Nb) е метал, подобен по свойства на тантала, но по-топим (Tmelt = 2500 ° C), има висок капацитет за абсорбиране на газ в температурния диапазон от 400 ... Сред всички огнеупорни метали ниобият има най-малката работна функция на електроните; той се използва като катоди с нажежаема жичка в генераторни лампи с висока мощност. Сред всички химически елементи ниобият има най-високата критична температура за преминаване в свръхпроводящо състояние (T sv = 9,2 K). Следователно ниобият, подобно на тантала (Tb = 4,5 K), се използва в криогенната технология.
Хромът (Cr) има относително ниска точка на топене (Tтопи = 1900 ° C) в сравнение с други огнеупорни метали, но за разлика от други метали в тази група, той е много разпространен в земната кора. Неговата отличителна черта е високата му устойчивост на окисляване, така че хромът се използва за защитни покрития на продукти (хромиране), включително тези, работещи при повишени температури.
Хромът има добра адхезия къмстъкло, керамика, стъклокерамика и е добре съвместим с други проводими материали. Следователно технологията за отлагане на тънки хромови филми върху субстрат се използва широко в микроелектрониката при производството на резистори, адхезивни подслоеве за контактни подложки.
и проводими връзки.
2.2.5. Свръхпроводящи метали и сплави
Свръхпроводимостта е състояние на материята, характеризиращо се с липсата на електрическо съпротивление. Свръхпроводимостта се наблюдава в редица метали и сплави при температури, близки до абсолютната нула. Температурата на преход в свръхпроводника
Текущото състояние се нарича критична температура на свръхпроводимостта - T St.
При температура под T sv електрическият ток, индуциран в свръхпроводящата верига, ще циркулира неограничено дълго време, без да намалява, при условие че температурата се поддържа ниска. Специфични
Съпротивлението на материала в свръхпроводящо състояние е от порядъка на Ω m, което е 1017 пъти по-малко от това на медта.
Физическа природа на свръхпроводимостта. За първи път феноменът на свръхпроводимостта е открит в живака (T sv = 4,2 K) от холандски физик през 1911 г. Съвременната теория на свръхпроводимостта, основана на квантовите концепции, е предложена през 1957 г. от американските учени Бардийн, Купър и Шрифер. Значителен принос за развитието на теорията на свръхпроводимостта има работата на съветския академик Н. Н. Боголюбов.
В метала свободните електрони, движещи се в среда от положително заредени йони, взаимодействат с топлинните вибрации на решетката, обменяйки с нея кванти топлинна енергия - фонони, докато електроните могат да поглъщат или отдават енергия, т.е. промени инерцията си. Обменът на фонони между електрони с участието на решетката се извършва непрекъснато. В резултат на обменния фононвзаимодействията на двойка електрони с различни моменти и антипаралелни спинове изпитват взаимно привличане и образуват така наречената двойка Купър.
Помислете за опростена схема (фиг. 9). Електрон 1, движещ се между йони, привлича най-близките йони, създавайки локална зона с повишена плътност на положителния заряд по протежение на траекторията. Електрон 2, движещ се след първия, се привлича от тази зона. В резултат на това по индиректен начин чрез решетката между електроните възникват сили на привличане. Силите на привличане са малки, образуванията на двойки са слабо локализирани в пространството, те непрекъснато се разпадат и се създават, образувайки електронен кондензат.
При ниски температури ( T s ) енергията на топлинните вибрации на решетката е изключително малка и сдвоените електрони не се разпръскват върху структурни дефекти. Характеристика на двойките на Купър е импулсният им ред. Електронните вълни, описващи движението на двойки, имат еднаква дължина и фаза. Всъщност движението на всички електронни двойки може да се разглежда като разпространение на една електронна вълна, която не се разпръсква от решетката, "обтича" структурни дефекти.
Ориз. 9. Схема на образуване на електронни двойки в свръхпроводник
При абсолютна нулева температура всички електрони, разположени близо до нивото на Ферми, са свързани по двойки. С повишаването на температурата някои от електронните двойки се разпадат. Несдвоените електрони преминават от основните нива към възбудените и движението им се затруднява от разсейването върху структурни дефекти. При температура Tb всички двойки на Купър са напълно разбити и състоянието на свръхпроводимост изчезва.
Свръхпроводниците имат специфични магнитни свойства. Тъй като електроните с противоположни спинове са свързани по двойки, резултантният спинов момент на двойката енула и свръхпроводникът става идеален диамагнетик. Както всички диамагнетици, свръхпроводниците се изтласкват от магнитно поле. Външното магнитно поле изобщо не прониква в дебелината на пробата, избледнява в най-тънкия повърхностен слой m). Ефектът на плаваемост е толкова силен, че постоянен магнит може да бъде задържан от магнитно поле върху пръстен от свръхпроводящ материал. Състоянието на свръхпроводимост обаче може да бъде разрушено, ако силата на магнитното поле надвиши определена критична стойност H sv .
Понастоящем е известно, че повече от 30 метала имат свръхпроводимост при криогенни температури и повече от 1000
свръхпроводящи сплави и химични съединения на различни елементи. Параметрите на някои свръхпроводящи материали са представени в табл. 5.