Шпоры по Материалке. Билет 1 Межатомное взаимодействие, влияние энергии межатомного взаимодействия на свойства материалов
 Скачать 1 Mb.
|
|
Билет №36 1.Типы химических связей между атомами, влияние типа связи на свойства материалов. Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. H2 ,C, Si, Ge, Sn. Соседние атомы обмениваются электронами. Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь имеет направление. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные. Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости. Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ). Металлическая связь не имеет направления и ненасыщенна. Кристаллические решетки металлов упакованы плотно. Связь Ван-дер-Ваальса образуется при сближении молекул или атомов инертных газов и заключается в их связи между собой за счет постоянных или взаимно созданных дипольных моментов. 2. Поляризация диэлектриков, виды поляризации, механизмы поляризации. Влияние внешних условий на поляризацию диэлектриков. Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов: электрического поля, температуры, механических напряжений и др. В большинстве диэлектриков поляризация возникает под действием электрического поля. Виды поляризации. Упругая поляризация не связана с тепловым движением молекул. Заряженные частицы под действием поля смещаются на очень малые расстояния в пределах поля упругих сил, связывающих эти частицы с другими. Поэтому поляризацией упругого ядерного смещения в промышленных материалах можно пренебречь. а) упругого электронного смещения. Cвязана со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех без исключения диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума. б) ионного упругого смещения. Вызвана упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Хар-на для ионных кристаллов (мрамор, соль, слюда, кварц и др.). В таких материалах присутствует ещё и пол-я упругого электронного смещения. в) дипольно-упругая. Заключается в повороте на малый угол диполей и имеет место в полярных твердых диэлектриках, где диполи прочно связаны связями с другими молекулами. г) упругого ядерного смещения. Этот вид поляризации наблюдается в газах со сложными молекулами. Вклад этой поляризации в диэлектрическую проницаемость пренебрежимо мал. Релаксационная поляризация: а) Дипольно-релаксационная. Наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При такой поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул. Cопровождается необратимыми потерями энергии при нахождении диэлектриков в переменном электрическом поле. б) Ионно-релаксационная. Связана с перебросом из одного равновесного положения в другое слабосвязанных ионов или полярных групп. в) Электронно-релаксационная. При приложении электрического поля дефекты кристаллической решетки могут перебрасываться из одного положения в другое. г) Резонансная. При совпадении собственной частоты колебания структурной единицы вещества с частотой внешнего поля наблюдается резонансная поляризация. В этом случае в узком интервале частот резко возрастает диэлектрическая проницаемость. Существуют 4 основных мех-ма поляризации: Электронный, ионный, дипольный, спантанный.
электронов в атомах и ионах Такая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов добавляются к электонной. Она происходит быстро (t=10-14 – 10-15) и поэтому не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10-14 – 10-15Гц) При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема в следствии чего поляризация ослабевает.
узлах кристаллической решетки электрическим полем за время t=10-12 – 10-13 (ионы тяжелее электронов). Она не зависит от частоты до f=1012-1013Гц. С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового расширения, хмимические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой. К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду.
поворот диполей, находящихся в хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10-6-10-8 сек. Дипольную поляризацию, ноаборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в воде, канифоле и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика При частоте106-108 Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и остается только электронная поляризация. При низких темпераурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и электрическая прницаемость обусловлена электронной поляризацией. С увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают поворачиваться, приводя к росту E. При темперауре выше температуры плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается.
веществах, называемых сигнетоэлектриками, например в титанате бария и титанате стронция.Как правило, в кристаллах сигнетиков, как и в кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно ориентруются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс. Билет №37 1. Принципы выбора материалов для разрывных контактов. Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. При этом между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а, следовательно, к снижению механической прочности, окислению материала контактов, появляется вероятность их сваривания, а также возможна эрозия материала. Для того чтобы материал разрывных контактов надежно работал, он должен удовлетворять следующим требованиям: • иметь высокую электропроводность; • быть устойчивым к коррозии; • иметь высокую температуру плавления; • быть твердым; • иметь высокую теплоту испарения; • обладать высокой теплопроводностью. Кроме того, материал должен быть дешевым и недефицитным. 2. Природа ферромагнетизма. Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронная структура атома. Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты. Более строгое рассмотрение элементарных магнитных моментов свидетельствует о том, что у атома имеются магнитные моменты ядер, орбитальные магнитные моменты электронов и спиновые магнитные моменты электронов. Магнитные моменты ядер атомов ничтожно малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их влиянием на магнитные свойства материалов можно пренебречь. Орбитальные магнитные моменты электронов также заметно меньше спиновых магнитных моментов. Поэтому магнитные свойства материалов в основном определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Согласно правилу Хунда заполнение электронных орбиталей производится таким образом, чтобы магнитный и механический моменты электронов были максимальны. У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементом имеется значительный магнитный момент. В том случае, когда внутренние орбитали атомов заполнены, не полностью происходит обмен электронами незаполненных орбиталей соседних атомов. При этом энергия атомов понижается на величину обменной энергии (Uобм). Величина обменной энергии зависит от квантовомеханической функции - обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов: Uобм = -А (s1s2) (3.2) Обменное взаимодействие может привести к взаимной ориентации магнитных моментов соседних атомов. В зависимости от ориентации магнитных моментов соседних атомов все вещества делят на ферромагнетики, антиферромагнетики и парамагнетики. Рассмотрим влияние обменного взаимодействия на ориентацию магнитных моментов соседних атомов подробнее. Обменный интеграл зависит от расстояния между соседними атомами (а) и от радиуса незаполненных орбиталей (r) или в обобщенном виде от отношения (а/r). Зависимость обменного интеграла от отношения а/r показана на рисунке 46.  Рис. 46. Зависимость обменного интеграла (А) от расстояния между атомами, отнесенного к радиусу незаполненной электронной оболочки (a/r). При отношении расстояния между атомами к радиусу незаполненных оболочек большем 3 обменный интеграл положителен и для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы необходимо параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Такие вещества являются ферромагнетиками. При отношении а/r меньшем 3 обменный интеграл отрицателен и для того чтобы энергия системы была минимальной скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов антипараллельны и такие вещества принято называть антиферромагнетиками. При равенстве отношения а/r 3 обменная энергия нулевая и взаимная ориентация магнитных моментов произвольна. Такие вещества являются парамагнетиками. Таким образом, для того чтобы вещество было ферромагнитным необходимо выполнение двух условий: 1). В состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами; 2). Отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3. Билет №38 1. Принципы выбора материалов для скользящих контактов. В основном, к материалам скользящих контактом предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов: * иметь высокую электропроводность; • быть устойчивым к коррозии; • иметь высокую температуру плавления; • быть твердым; • иметь высокую теплоту испарения; • обладать высокой теплопроводностью. Однако особенно остро ставится вопрос об уменьшении износа при трении. Для снижения износа трения можно повысит твердость материала контактирующих пар и использовать смазку. Естественно, что смазка должна быть электропроводной. Для коллекторов электрических моторов используют холоднодеформированную медь, а для щеток используют графит. Для тяжелонагруженных машин для изготовления щеток используют металлографитовые щетки – медно-графитовые и бронзо-графитовые. 2. Природа высокой магнитной проницаемости аморфных ферромагнетиков. Ферромагнетики с аморфной структурой получают сверхбыстрым охлаждением расплава, при этом скорости охлаждения достигают 106 – 108 градуса за секунду. При столь быстром охлаждении кристаллическая решетка не успевает формировать-ся, и материал представляет собой переохлаж-денную жидкость. Отсутствие кристаллической решетки приводит к полной изотропии магнитных свойств, а при отсутствии магнитной анизотропии подвижность границ доменов становится высокой. Таким образом, материалы с аморфной структурой являются магнитомягкими. Кроме того, отсутствие кристаллической решетки приводит к росту удель-ного электрического сопротивления, поэтому поте-ри на вихревые токи в материалах с аморфной структурой очень малы. Аморфные магнитомягкие материалы (АММ) являются магнетиками с неупорядоченным расположением атомов, получаемом наиболее часто в результате быстрой закалки расплава со скоростью охлаждения 104106 град/с. Аморфные тонкие пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) можно получать катодным распылением или вакуумным напылением редкоземельных и переходных металлов. Металлические аморфные сплавы содержат 75-85% одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni) и 15-25% стеклообразователя, в качестве которого используют бор, углерод, кремний, фосфор. По магнитным свойствам АММ близка к электротехническим сталям и пермаллоям. Наиболее перспективные сплавы- железоникелевые, высококобальтовые и высокожелезистые. Для получения оптимальных свойств применяют термомагнитную обработку, что позволяет повысить Bs и прямоугольность петли гистерезиса. АММ имеют повышенную твердость и коррозионную стойкость. Удельное сопротивление АММ в 3-5 раз больше, чем у кристаллических. Применение: магнитные экраны, сердечники малогабаритных трансформаторов, магнитных усилителей, головки магнитозаписывающих устройств. Билет №39 1. Принципы выбора материалов для зажимных контактов. В зажимных контактах («клеммы», болтовые соединения и т.д.) действительная поверхность контакта заметно меньше поверхности налагаемых друг на друга проводников. Это связано с наличием на поверхности сопрягаемых деталей неровностей и слоя окислов. Поэтому чем мягче материал контактов и чем выше его коррозионная стойкость, тем меньше сопротивление контакта. В этой связи контакты обычно облуживают – покрывают слоем олова. Для особо надежных контактов применяют серебрение или золочение. Важно также иметь в виду, что при контакте разнородных материалов (например, меди и стали) происходит активная коррозия химически более активного элемента. Так при контакте стали с медью, будет происходить интенсивная коррозия стали, и появление окислов железа приведет к росту сопротивления контакта. Поэтому в тех случаях, когда необходим контакт стальной детали с медной, обе детали облуживают. 2.Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость диэлектриков с ионной связью. Поляризация упругого ионного смещения. Этот вид поляризации вызван упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). Важно отметить, что в таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов. Повышение температуры увеличивает меж-атомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ион-ных кристаллов возрастает (рис. 30).  Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов. Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10-12-10-13 с. Поэтому до частот 1012- 1013 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля. Билет №40 1. Точечные дефекты кристаллической решетки. Влияние точечных дефектов не свойства материалов. К ним относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемента, по каким-либо причинам покинувшие узлы кристаллической решетки и застрявшие в междоузлиях), вакансии или не занятые атомами узлы кристаллической решетки. Представление о вакансиях было впервые введено Я. И. Френкелем для объяснения процессов диффузии в металлах - материалах с плотноупакованной кристаллической решеткой. При наличии в кристаллической решетки вакансии атом может перескочить из узла решетки в вакантное место. Тем самым вакансия смещается, и процесс диффузии можно описывать как последовательное перемещение атомов или как движение вакансий. Согласно модели Френкеля, при образовании вакансий атом из узла кристаллической решетки перепрыгивает в междоузлие, и появляется пара дефектов - вакансия и межузельный атом, или пара Френкеля. В материалах с ионной связью между атомами основным носителем заряда являются ионы. При появлении вакансий перемещение ионов облегчается, а следовательно, падает удельное электросопротивление. При появлении в материале примесей кристаллическая решетка искажается, энергия материала локально повышается, что способствует облегчению выхода иона из потенциальной ямы. Таким образом, появление любых точечных дефектов ведет к снижению электросопротивления материалов с ионной связью. В материалах с ковалентной связью присутствие вакансий приводит к обрыву ковалентной связи и появлению на валентной оболочке атома неспаренного электрона. Наличие неспаренных электронов энергетически невыгодно, и атом теряет его. Таким образом, в материале появляются два носителя заряда: отрицательно заряженный свободный (делокализованный) электрон и положительно заряженная дырка. Следовательно, увеличение концентрации вакансий ведет к падению удельного электрического сопротивления материалов с ковалентной связью. Присутствие неизовалентных примесей ведет к появлению в материале дырок или свободных электронов, то есть к повышению концентрации носителей заряда. 2. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь полярных и неполярных диэлектриков 1. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков.  С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36). 2. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков Как отмечалось выше, при нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Однако на определенных частотах резко возрастает резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь К на этих частотах резко возрастает. На рис.39 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля для диэлектрика сложного состава. Как видно из приведенного рисунка, на определенных частотах начинается резонансная поляризация полярных молекул различных компонентов диэлектрика, а следовательно, возрастают потери.  Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях. Так, в качестве изоляции в высокочастотных радиокабелях типа РК-75 используется полиэтилен с неполярными молекулами. В силовых проводах типа АППВ в качестве материала изоляции используется полихлорвинил с полярными молекулами. Если в радиокабеле вместо полиэтилена использовать полихлорвинил, то при рабочих частотах – десятки и сотни мегагерц – потери будут настолько велики, что сигнал по кабелю проходить не будет. Напротив, в силовом кабеле недопустимо использовать в качестве изоляции полиэтилен, поскольку у материалов с неполярными молекулами прочность существенно ниже, чем у материалов с полярными молекулами. |