Физико-химическая природа материалов
Классификация ЭТМ
Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехнические материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления деталей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее, все материалы в интересующей нас области техники должны обладать вполне определенным набором свойств, благодаря которым они находят конкретное применение.
Свойства материала зависят от воздействующего на них фактора, спектр воздействия достаточно разнообразен, это механические воздействия, климатические воздействия, воздействие электромагнитного поля
В данном курсе мы рассматриваем набор свойств материалов при воздействии электромагнитного поля. При взаимодействии с электромагнитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «электротехнические материалы» и классифицировать их.
Электро(радио)техническими материалами называются материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.
По основному электрическому свойству веществ - электропроводности - все они делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Рисунок 1.1 - Классификация ЭТМ на группы и подгруппы
По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Каждая из названных групп в свою очередь подразделяется на подгруппы по количественным параметрам, характеризующим их основные свойства. Это позволяет представить классификацию радиоматериалов в виде обобщенной схемы (рисунок 1.1).
Физико-химическая природа материалов
Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элементов. Любое вещество (материал) состоит из огромного количества электрически заряженных частиц - электронов и атомных ядер химических элементов, которые и определяют его свойства.
Принципиально возможно описать эти свойства с точки зрения квантово-механического взаимодействия заряженных частиц, составляющих вещество.
В РЕЗУЛЬТАТЕ МНОГОЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ установлено, что различия типов веществ обусловлены различием в характере распределения электронов в атомах и молекулах и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов.
Сопоставляя между собой расположение атомов в структуре вещества, электронную конфигурацию этих атомов, тип химической связи между ними, можно определить макроскопические свойства материала, такие, как электропроводность, способность к намагничиванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.
Одним способов описания связей атомов в веществе является анализ химических связей элементов вещества.
Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются силами электростатического взаимодействия между электронами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхождения весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между атомами вещества предполагает, что полная энергия ЕnVколичества N частиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Еки потенциальной Uп
| |
| |
Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материалаопределяются характером связи и количественным значением энергии связи Есв.
По характеру взаимодействия между частицами, составляющими вещество, различают шесть типов химической связи:
- ковалентную неполярную;
- ковалентную полярную, или гомеополярную;
- ионную, или гетерополярную;
- донорно-акцепторную;
- металлическую;
- межмолекулярную.
Ковалентная неполярнаясвязь возникает при объединении одноименных атомов в молекулы, например, Н2, О2, Cl2, N2, алмаз, сера, Si, Geи т.д.
При этом происходит обобществление валентных электронов, что приводит к дополнению внешней электронной оболочки до устойчивого состояния.
Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. В результате электрический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула - неполярная или нейтральная.
Если электрический момент отличен от нуля, такая молекула является дипольной. Дипольные молекулы представляют собой систему из двух одинаковых по величине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии lдруг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент равен μ = ql.
Ковалентная неполярная связь характерна для диэлектриков и полупроводников.
Ковалентная полярная(гомеополярная или парноэлектронная) связь возникает при объединении разноименных атомов, например, Н2О, СН4, CH3Cl, CCl4и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчивого состояния. Однако каждая связь имеет дипольный момент.
Тем не менее, молекула в целом может быть нейтральной или полярной (рисунок 1.2).
Соединения с гомеополярной связью могут быть диэлектриками (полимерные органические материалы) и полупроводниками.
Рисунок 1.2 - Структуры молекул с гомеополярной связью
Ионная (гетерополярная) связь возникает при образовании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, например NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраивая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов). В результате образуются два иона, между которыми действуют силы электростатического притяжения.
Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэтому вещества с ионной связью имеют сравнительно высокую механическую прочность, температуру плавления и испарения. Ионная связь характерна для диэлектриков.
Донорно-акцепторнаясвязь по сути своей является разновидностью ионной связи и возникает при образовании материала элементами различных групп таблицы Д.И.Менделеева, например, соединения AIIIBV- GaAsи т.д.; соединения АIIBV- ZnS, CdTeи т.д. В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являющаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.
Металлическаясвязь возникает между атомами в металлах и является следствием обобществления всех валентных электронов, образующих электронный газ и компенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Благодаря взаимодействию электронного газа и ионов возникает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и с энергетической точки зрения являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.
Межмолекулярная или остаточная связьхарактерна для веществ органического происхождения, например, парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низкую температуру плавления и механические характеристики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.
Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов связи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергетический спектр электронов атомов, составляющих вещество.