Вопросы. 1. Влияние нагрева на свойства материалов
 Скачать 34.22 Kb.
|
|
Содержание 1.Влияние нагрева на свойства материалов. В процессе эксплуатации РЭС подвергаются влиянию положительных и отрицательных температур, источниками которых являются окружающая среда, объект установки и сама РЭС. Диапазон изменения температур в околоземной атмосфере может составлять от минус 50°С до +150°С, а в космосе он еще шире. Объект установки РЭС может иметь источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным топливом, жидкий азот для охлаждения чувствительных элементов). Сама РЭС является источником тепла, поскольку представляет собой систему преобразующую энергию. Рассмотрим, как может повлиять нагрев на работу РЭС. В составе РЭС находит применение множество разнообразных материалов. Большинство их относятся к подмножеству электротехнических материалов. Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В отличие от электротехники материалы радиоэлектронных средств обычно находятся под воздействием не только отдельных составляющих (магнитной и электрической) электромагнитного поля, но и их совокупности, кроме того, частотный диапазон воздействий на РЭС значительно шире, чем тот, что имеет место в электротехнических установках, и простирается до инфракрасного диапазона электромагнитных волн. 1.1Магнитные материалы По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильномагнитные (магнитные) и слабомагнитные (немагнитные). Магниты изготовляют из ферромагнетиков. Ферромагнетики имеют доменную структуру. В жёстких ферромагнетиках домены способны ориентироваться в одну сторону даже в отсутствие внешнего магнитного поля - это и есть постоянные магниты. Но у ферромагнетиков есть ещё точка Кюри - температура, при которой доменная структура разрушается, и магнит перестаёт быть магнитом. При нагревании разрушается именно доменная структура, исчезает спонтанная намагниченность в пределах домена - она разрушается тепловым движением атомов кристаллической решётки (энергия теплового движения становится выше энергии, удерживающей атомы в определённой ориентации). Точка Кюри для разных магнитов разная. У железа - около 770 0C, у фенебора (неодимовые магниты) - около 300 0C, у самарий-кобальта 700-800 0C. Если магнит нагреть выше точки Кюри и затем охладить, доменная структура вновь образуется, но каждый домен уже имеет произвольную ориентацию, поэтому магнитные свойства материалов изменяются в худшую сторону или вообще теряются. По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на ПРОВОДНИКОВЫЕ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ и ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ. Рассмотрим влияние нагрева на проводники. 1.2Проводниковые материалы Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Электропроводность материала связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в нем, достаточно свободно перемещаться. Величина электропроводности и ее механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура. С повышением температуры скорость колебательного движения в узлах кристаллической решетки возрастает, при этом частота столкновений электронов с ионами увеличивается, а значит сопротивление возрастает. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле  где r это удельное сопротивление после нагрева, r0 – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t2 – температура до нагрева, t1 - температура после нагрева. В таблице приведены значения температурного коэффициента для некоторых металлов:
Например, для меди, которая широко используется при изготовлении различных проводников в РЭС, от нормальной комнатной температуры 20 0С до температуры плавления 1083 0С сопротивление увеличивается в 5,3 раза, а при переходе в жидкое состояние еще в 2 раза. При нагреве резисторов также происходит увеличение их сопротивления, но если нагрев сравнительно небольшой, то увеличение сопротивления укладывается в номинальную погрешность, которая составляет 5%, а то и 10% от заявленного номинала Рассмотрим влияние нагрева на диэлектрические материалы. 1.3Диэлектрические материалы Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. В РЭС можно выделить 2 характера использования диэлектриков: пассивный (электроизоляция) и активный (например, прослойка между пластинами конденсаторов). Важнейшими твердыми диэлектриками являются стекло, керамика, различные полимеры. В них преобладает ионный и ковалентный тип связей, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 1012 – 1020 Ом*М. Для описания температурной зависимости диэлектрической проницаемости вводят понятие температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. При нагреве многих диэлектриков диэлектрическая проницаемость уменьшается, в следствии появления свободных электронов и ионов. При разогреве материалов в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. возникает тепловой пробой. Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях). Таким образом, например, при сильном нагреве конденсатора, он не только теряет свою емкость, но и превращается в проводник с низким сопротивлением, что влечет за собой нарушения в работе всей системы радиоприбора. Нарушение в работе высоковольтных изоляторов и их пробой ведет к разрушению установки, возникновению электрической дуги, пожару. Рассмотрим влияние нагрева на полупроводниковые приборы. 1.4Полупроводниковые материалы Полупроводниковые материалы характеризуются промежуточными значениями электропроводности по отношению к проводникам и диэлектрикам. В полупроводниках с ростом температуры концентрация носителей увеличивается и, как результат, теплопроводность проводника увеличивается, а сопротивление, соответственно, уменьшается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает. В полупроводниках с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо (по степенному закону), а концентрации – очень сильно (по экспоненциальному). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности. 1.5Заключение В заключении нужно отметить, что влияние температуры на основные компоненты РЭС довольно велико, поэтому важно при выборе материала изготовления компонентов учитывать температурные условия работы. Также для обеспечения надежности работы всего изделия, необходимо учитывать тепловые нагрузки на компоненты схем, строить системы термостабилизации и терморегулирования, чтобы обеспечить бесперебойную работу оборудования. 2.Композиционные материалы Композиционными или композитными материалами называют материалы, состоящие из нескольких компонентов, что обусловливает их эксплуатационные и технологичные характеристики. В основе композитов лежит матрица на основе металла, полимера или керамики. Дополнительное армирование выполняется наполнителями в виде волокон, нитевидных кристаллов и различных частиц. Пластичность, прочность, широкая сфера применения – вот чем отличаются современные композитные материалы. С точки зрения производства композиционные материалы состоят из металлической или неметаллической основы. Для усиления материала используются нити, волокна, хлопья большей прочности. Среди композиционных материалов можно выделить пластик, который армируется борными, углеродными, стеклянными волокнами, или алюминий, армированный стальными или бериллиевыми нитями. Если комбинировать содержание компонентов, можно получать композиты разной прочности, упругости, стойкости к абразивам. Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической. 2.1Композиционные материалы с металлической матрицей Композиты на основе металлов отличаются высокой прочностью и жаропрочностью, при этом они практически неэластичны. За счет структуры волокон уменьшается скорость распространения трещин, которые иногда появляются в матрице. Композиты с металлической матрицей разделяют на армированные волокнами (волокнистые композиты) и наполненные тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные композиты). Волокнистые композиты с металлической матрицей имеют два основных преимущества по сравнению с более распространенными композитами с полимерной матрицей: они могут использоваться при значительно более высоких температурах и более эффективны в относительно малогабаритных сильно нагруженных элементах конструкций. Последний факт определяется возможностью существенно сократить массу стыковочных элементов конструкций благодаря большей прочности металлической матрицы по сравнению, например, с полимерной, и технологичностью обработки композитов с такой матрицей (возможность использования резьбовых соединений и т. д.). Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле. Типичными композитами с металлической матрицей являются бороалюминий (волокно бора — матрица на основе алюминиевых сплавов), углеалюминий (композиты с углеволокном), композиты с волокном карбида кремния в титановой или титан-алюминидной матрице, а также с оксидными волокнами в матрице на основе никеля. Последние позволяют существенно поднять (до 1200 °С) рабочую температуру жаропрочных материалов. В отличие от волокнистых композитов, в дисперсно-упрочненных материалах матрица является основной несущей нагрузку составляющей, а дисперсные частицы тормозят движения дислокаций, повышая предел текучести и прочность материала. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100—500 нм и равномерном их распределении в матрице. Дисперсно-упрочненные композиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Основные приложения КММ в настоящее время — аэрокосмические конструкции, в будущем они могут заменить металлические сплавы во многих наземных механизмах, в том числе в автомобильной технике. 2.2Композиционные материалы с неметаллической матрицей Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная матрицы. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани. Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы; холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием; электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование. Осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие. В зависимости от вида упрочнителя все композиты можно поделить: на стекловолокниты; карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты, органоволокниты. Упрочнительные материалы могут укладываться в две, три, четыре и больше нити, чем их больше, тем прочнее и надежнее в эксплуатации будут композиционные материалы. Стоит отдельно сказать о характеристиках современных композитов, которые отличаются: высоким значением временного сопротивления и предела выносливости; высоким уровнем упругости; прочностью, которая достигается армированием слоев. За счет жестких армирующих волокон композиты обладают высокой стойкостью к напряжениям на разрыв. Полимерные композиты представлены в многообразии вариантов, что открывает большие возможности по их использованию в разных сферах, начиная от стоматологии и заканчивая производством авиационной техники. Наполнение композитов на основе полимеров выполняется разными веществами. Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. Именно на долю этих производств приходится порядка 60 % объема использования полимерных композиционных материалов. Благодаря высокой устойчивости полимерных композитов к коррозии, ровной и плотной поверхности изделий, которые получаются методом формования, повышается надежность и долговечность эксплуатации конечного продукта. Рассмотрим самые популярные виды полимерных материалов: Стеклопластики. Для армирования этих композиционных материалов используются стеклянные волокна, сформованные из расплавленного неорганического стекла. Матрица основывается на термоактивных синтетических смолах и термопластичных полимерах, которые отличают высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные свойства. Изначально они использовались при производстве антенных обтекателей в виде куполообразных конструкций. В современном мире стеклопластики широко применяются в строительной сфере, судостроении, производстве бытового инвентаря и спортивных предметов, радиоэлектронике. В большинстве случаев стеклопластики производятся на основе напыления. Особенно эффективен этот метод при мелко- и среднесерийном производстве, например, корпусов катеров, лодок, кабин для автомобильного транспорта, железнодорожных вагонов. Технология напыления удобна экономичностью, так как не требуется раскраиваться стекломатериал. Углепластики. Свойства композитных материалов на основе полимеров дают возможность использовать их в самых разных сферах. В них в качестве наполнителя используются углеродные волокна, получаемые из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, пеков. Волокно обрабатывается термически в несколько этапов. По сравнению со стеклопластиками углепластики отличаются более низкой плотностью и более высоким модулем упругости при легкости и прочности материала. Благодаря уникальным эксплуатационным свойствам углепластики находят применение в машино- и ракетостроении, производстве космической и медицинской техники, велосипедов и спортивных принадлежностей. Боропластики. Это многокомпонентные материалы, в основе которых лежат борные волокна, введенные в термореактивную полимерную матрицу. Сами волокна представлены мононитями, жгутами, которые оплетаются вспомогательной стеклянной нитью. Большая твердость нитей обеспечивает прочность и стойкость материала к агрессивным факторам, но при этом боропластики отличаются хрупкостью, что осложняет обработку. Борные волокна стоят дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничена в основном авиационной и космической промышленностью. Органопластики. В этих композитах в качестве наполнителей выступают в основном синтетические волокна – жгуты, нити, ткани, бумага. Среди особенных свойств этих полимеров можно отметить низкую плотность, легкость по сравнению со стекло- и углепластиками, высокую прочность при растяжении и высокое сопротивление ударам и динамическим нагрузкам. Этот композиционный материал широко используется в таких сферах, как машино-, судо-, автостроение, при производстве космической техники, химическом машиностроении. 2.3Заключение Композитные материалы за счет уникального состава могут использоваться в самых разных сферах: в авиации при производстве деталей самолетов и двигателей; космической технике для производства силовых конструкций аппаратов, которые подвергаются нагреванию; автомобилестроении для создания облегченных кузовов, рам, панелей, бамперов; горной промышленности при производстве бурового инструмента; гражданском строительстве для создания пролетов мостов, элементов сборных конструкций на высотных сооружениях. Использование композитов позволяет увеличить мощность двигателей, энергетических установок, уменьшая при этом массу машин и оборудования. По мнению представителей сферы промышленности России, композиционный материал относится к материалам нового поколения. Планируется, что к 2020 году вырастут объемы внутреннего производства продукции композитной отрасли. Уже сейчас на территории страны реализуются пилотные проекты, направленные на разработку композитных материалов нового поколения. Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями. Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов. Благодаря возможности совмещения различных армирующих элементов и матриц можно получить композицию с определенным набором характеристик. А это, в свою очередь, дает возможность применять эти материалы в самых разных сферах. 3.Список использованной литературы.
|