Реферат: Химия радиоматериалов, лекции Кораблевой А.А. (ГУАП)
Li|Li+
|
Rb|Rb+
|
K|K+
|
Cs|Cs+
|
Al|Al3+
|
Mg|Mg2+
|
Zn|Zn2+
|
Fe|Fe2+
|
Ni|Ni2+
|
Sn|Sn2+
|
Pt,H2|2H+
|
Cu|Cu2+
|
Ag|Ag+
|
Au|Au3+
|
-3.045 |
-2.925 |
-2.925 |
-2.923 |
-1.662 |
-1.18 |
-0.763 |
-0.44 |
-0.25 |
-0.126 |
0 |
+0.34 |
+0.8 |
+1.5 |
Измеряется в Вольтах
Чем больше положительный электродный потенциал, тем устойчивее металл в контакте с другими
металлами, следовательно, он труднее окисляется, а его положительные ионы легче
восстанавливаются из растворов электролитов, следовательно, легче получить этот
металл из вольтных растворов на катоде в случае электролиза.
Используя электродные потенциалы можно
говорить о коррозионной стойкости металлов и методах защиты от коррозии. Используя
электродные потенциалы можно осуществлять очистку металлов от различного рода
примесей, более или менее активных, чем сам металл и т.д.
(3) Электрохимическая коррозия металлов и методы
защиты от нее.
Коррозия металлов это самопроизвольное
разрушение металлов под действием окружающей среды. По механизму коррозионного
разрушения различают:
1) Химическая коррозия, т.е.
окислительно-восстановительное взаимодействие или гетерогенная химическая
реакция без возникновения электрического тока. Она осуществляется в газах при
высоких температурах или в жидкостях не электролитах.
2) Электрохимическая
коррозия. Происходит в атмосферных условиях и в жидкостях электролитах с
возникновением электрического тока в результате работы микро и макро
гальванических пар. Микрогальванические пары создаются в результате наличия
примесей в металле, а макрогальванические – в результате контакта металлов друг
с другом. Поскольку на поверхности металла всегда есть плёнка электролита, то
возникает гальвано электричество.
Чтобы избежать коррозии:
1) Использовать чистые металлы, они практически не
подвергаются коррозии
2) Катодная защита: подсоединить к источнику постоянного
тока к отрицательно заряженному электроду.
3) Протекторная защита: более активный металл
присоединить к корпусу и он (металл) будет подвергаться разрушению, а основной
металл (корпус) при этом разрушению не подвергается пока не разрушится
протектор.
4) Металлические покрытия, которые классифицируются на
анодные и катодные. Анодные – более активный металл, катодные – менее. И те, и
другие в равной степени защищают от коррозии, если не нарушена целостность
покрытия. В случае нарушения покрытия (трещины, неплотное покрытие) наиболее
эффективны анодные покрытия.
1.7 Классификация металлов
(1)физические свойства металлов
группа и название металлов |
d кг/м3
плотность при 20°С
|
Температура °С |
теплопроводность, Вт/мК при 20°С |
ρ удельное сопротивление *106
|
плавления |
кипения |
лёгкие цветные металлы |
Al |
2699 |
660 |
2060 |
211.0 |
0.0265 |
Mg |
1740 |
650 |
1107 |
157.4 |
0.047 |
Ti |
4540 |
1800 |
3400 |
14.9 |
0.47 |
тяжелые цветные металлы |
Ni |
8900 |
1455 |
2730 |
58.6 |
0.068 |
Zn |
7140 |
419 |
907 |
111.1 |
0.059 |
Sn |
7300 |
232 |
2270 |
63.1 |
0.115 |
Cu |
8960 |
1083 |
260 |
385.2 |
0.0167 |
Pb |
11340 |
327 |
1740 |
34.6 |
0.2065 |
малые цветные металлы |
Mo |
10200 |
2625 |
4800 |
140 |
0.0517 |
W |
19350 |
3377 |
6000 |
160 |
5.03 |
благородные цветные металлы |
Au |
19320 |
1063 |
2600 |
311 |
0.0225 |
Ag |
10490 |
960 |
2210 |
421 |
0.0159 |
Pt |
21450 |
1773 |
4410 |
69.9 |
0.109 |
редкие металлы |
Ge |
5360 |
958 |
1760 |
— |
0.89 (при 0) |
Nb |
8570 |
2420 |
3700 |
— |
0.131 |
Ta |
11600 |
2850 |
5050 |
54.4 |
0.124 |
(2) Металлы высокой проводимости Cu, Ag, Al.
Медь (Cu), достоинства
1) малое удельное сопротивление (уступает только серебру)
2) достаточно высокая механическая прочность
3) удовлетворительная стойкость к коррозии
4) хорошая обрабатываемость (прокатывается в листы, в
ленту, протягивается в проволоку)
5) относительная легкость пайки и сварки
Содержание примесей влияет на различные свойства меди.
Медь марки М1 содержит 99.90% меди, примеси 0.10%, медь марки М0 содержит
99.95% меди, примеси 0.05%. Если в примесях Zn, Cd, Ag,
то они снижают электропроводность на 5%, а Ni, Sn или Al – на 25 – 40%. Еще более сильное влияние оказывают
примеси Be, As, Fe, Si и P,
которые снижают электропроводность на 55% и более. Поэтому медь очищают
различными способами: до 99.97% электролитическим способом.
В вакуумных печах получают медь, содержащую
99.99% меди. Эта медь имеет электропроводность
примерно равную электропроводности Ag. Из специальной меди
изготавливают детали магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы
энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и генераторов; ее используют
для изготовления фольгированного гетинакса, в микроэлектронике в виде
осажденных на подложке пленок, играющих роль проводящих соединений между
функциональными элементами схемы.
Алюминий почти в 3.5 раза легче меди. Марка
А97 (0.03% примесей) используется для изготовления алюминиевой фольги и
электродов. А999 (0.001% примесей). Оксидная пленка предохраняет алюминий от
коррозии, но создает большое сопротивление в местах спайки, что затрудняет
пайку обычными методами. Из оксидированного алюминия изготавливают различные
катушки без дополнительной изоляции, но при большой толщине Al2O3 уменьшается гибкость, и увеличивается
гигроскопичность.
(3) Тугоплавкие металлы
Температура плавления более 1700°С. Основными
тугоплавкими металлами являются металлы, стоящие в середине периода, у которых
наряду с металлическими связями есть еще и ковалентные
W
Cr
Mo
Один электрон участвует в металлической связи, т.е.
делокализован, обобществлен всем кристаллом, а остальные d
электроны принимают участие в ковалентной связи. Ковалентная связь прочна.
Кристаллическая решетка имеет высокую энергию связи, и требуются высокие
температуры, чтобы эту связь разрушить. Для этих металлов характерна высокая твердость,
но в то же время они обладают низкой пластичностью. К металлам с высокой
температурой плавления относятся W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Re, Zr; температура плавления [1700;3500]°C. W
самый тугоплавкий. Имеет высокую механическую прочность. Используется в
качестве нитей в лампах, электронных лампах, в рентгеновских трубках,
используется при глубоком вакууме. Недостатки: трудная обрабатываемость и
образование оксидных пленок.
(4) Благородные металлы
Не взаимодействуют (почти) с окружающей средой
в связи со своей химической стойкостью
Au 99.998%
Ag 99.9999%
Pt 99.9998%
Pd 99.94%
Au – является контактным материалом
для коррозионно стойких покрытий
Ag с
высокой проводимостью используется в качестве высоких контактов в качестве
электродов, производстве конденсаторов
Pt –
для изготовления термопар, чувствительных приборов
Pd –
заменитель платины (дешевле в 4-5 раз)
(5) Металлы со средним значением температуры
плавления.
Fe, Ni, Co
(6) Металлы с невысокими температурами плавления.
Стоят они в нижней части периодической
системы: имеют большой радиус, и, как правило, у них нет свободных (не
спаренных) d-электронов, и для них характерна металлическая связь.
Pb, Sn, Ga, In, Hg. Hg применяется в качестве жидких катодов.
1.8 Сплавы
Одним из важнейших свойств металлов является
образование сплавов. Расплавленные металлы растворяются друг в друге, образуя
при отвердевании твердые смеси – сплавы. Металлическим сплавом называется фаза
или комплекс фаз, образующихся при сплавлении металлов при условии сохранения
металлических свойств: электро- и теплопроводность. В металлических сплавах
сохраняются связи, т.е. и наличие свободных электронов. Если образуются
ковалентные связи, то образуются интерметаллические неорганические соединения.
Все металлы по величине
диаметра атомов делятся на:
1) при диаметре 2.2-3Å металлы образуют между собой
непрерывные твердые растворы. (Mn,
Fe, Ni)
2) при диаметре >3Å – не смешиваются с металлами
середины длинных периодов. (K,
Ca, Si)
3) при диаметре <2Å (не металлы) – образуют
ограниченные твердые растворы или фазы внедрения. (Ti, V, Cr)
3-х компонентные системы представляют собой
треугольник Гиббса, вершины которого – чистые вещества А, В, С. Соответствующие
свойства – в области, перпендикулярной к треугольнику.
Существуют 3-7 компонентные
сплавы
Сплавы высокой проводимости.
1) Бронзы – сплавы на основе Cu. Помимо
чистой Cu применяют сплавы, содержащие небольшое количество
олова (Sn), кремния (Si), фосфора (P),
бериллия (Be), хрома (Cr), магния (Mg),
кадмия (Cd). При этом ρ увеличивается, зато сплавы обладают
более высокими механическими свойствами. Предел при растяжении = 8350 Па.
Особенно удачен Cd. При малом уменьшении σ, приводит к
значительному увеличению прочности. Еще больше прочности у бериллиевой бронзы.
Латуни – повышенное значение относительного удлинения
при увеличении предела прочности. Это обеспечивает технологические преимущества
(изготовление токопровдящих деталей).
2) Сплавы алюминия.
Альдрей – содержит 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si,
0.2-0.3% Fe; сохраняет лёгкость алюминия, близок ему по сопротивлению,
приближен по механической прочности к твердотянутой меди.
Сплавы для электровакуумных приборов.
На основе металлов со средней температурой плавления (Fe,Ni)
созданы сплавы, которые широко применяются в электровакуумных технологиях, т.к.
они обладают αL – коэффициент линейного температурного расширения,
позволяют получать сокращенные металлические конструкции и спаи со стеклом.
Инвар (Н36) – сплав Fe и
36% Ni
αL = 1*10-6 К-1
при Т = (-100)-100°С.
Ковар – Fe +
29% Ni + 17% Сo
αL = 4.8*10-6 К-1
ρ = 0.5 ρ инвара.
Инвар и ковар применяют для герметизации изделий путём
сварки со стеклом, для изготовления конденсаторов с переменной ёмкостью.
Платинид (Н47) – Fe и
47% Ni
αL≈ αL Pt и
стекол.
Используется как вводы в стеклянные баллоны
Припои – сплавы для пайки.
Температура плавления припоя < температуры
плавления соединения.
На границе металл – припой: припой смачивает металл,
растекается и заполняет зазоры, при этом компоненты припоя диффундируют в
основной металл, следовательно образуется промежуточная прослойка. Припои делят
на мягкие и твердые: мягкие - температура плавления < 300°С, твердые -
температура плавления > 300°С. Механическая прочность мягких припоев 16-100
МПа, у твердых 100-500 МПа. Мягкие припои – оловянно-свинцовые, твердые – Cu, Zn, Ag с добавлением вспомогательных
материалов.
Вспомогательные материалы (флюсы):
1) растворять и удалять оксиды из спаиваемых металлов.
2) защищать в процессе пайки поверхность от окисления.
3) уменьшать поверхностные натяжения
4) уменьшать растекаемость и смачиваемость припоя
По оказываемому действию:
1) активные (кислотные: HCl, ZnCl2, хлористые и фтористые
металлы) – интенсивно растворяют оксидную пленку, но после пайки вызывают
коррозию, следовательно, нужна тщательная промывка. При монтажной пайке
применение активных флюсов запрещено.
2) Бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на ее основе с
добавлением спирта и глицерина.
3) Активированные – канифоль + активаторы (солянокислый
диметиламин) – пайка без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.
4) Антикоррозийные флюсы на основе H2PO3 с добавлением контактол
Контактолы:
1) Ag, Ni, Pd, в порошкообразном виде используют в качестве
проводящей фазы в пасте.
2) Высокомолекулярные вещества. Применяются для получения
контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов,
экранирования от помех…
Керметы
Металлоэлектрические композиции с неорганическими
связующими для резисторов, волноводных нагрузок с повышенным значением ρ.
Сплавы высокого сопротивления
Для электроизмерительных приборов, образцовых
резисторов, реостатов, электронагревательных приборов.
Среди большого количества сплавов наиболее
распространены сплавы на медной основе: манганин и константан. Хромоникелевые и
железо-хромо-алюминивые сплавы.
Манганин: Mg – 12%, Ni –
2%, Cu – 86%
Константан: Cu – 60%
max ρ и min αρ ≈ 0 или < 0. При нагреве образуется пленка оксида – оксидная
изоляция. Константан в паре с Fe или Cu
дает термо-ЭДС.
Хромоникелевые сплавы – изготовление нагревательных
элементов, резисторов.
Fe-Cr-Ni (фехроль, хромель) – дешевые
сплавы для мощных нагревательных устройств. Недостаток – хрупкость и твердость.
Страницы: 1, 2, 3
|