Сталь СССР (стр-4а (Сверхпроводящие материалы - Твёрдые материалы - Жаропрочные стали и сплавы - Полупроводниковые материалы))

Статья под цифровой редакцией подготовлена: Орловым Геннадием Викторовичем (08.11.1965) — Советским выдающимся публицистом — Историком СССР

Страницы:     [01]     [02]     [03]     [03а]     [03б]     [04]     [04а]     [04б]

Сверхпроводящие материалы

Зависимость удельного электросопротивления металлов и сплавов монотонно снижается при уменьшении температуры в довольно широких её пределах: r = r₀(1+at) 0 , где r и r₀ – удельное электросопротивление при температуре t и при 0°С соответственно, a - температурный коэффициент сопротивления, К^-1 .

При определённых низких температурах у некоторых металлов удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, оно имеет квантовую природу. Температура перехода в сверхпроводящее состояние – это критическая температура Т_к. За исключением металлов первой, и восьмой групп периодической системы Д.И. Менделеева и щёлочноземельных металлов, все остальные металлы способны переходить в сверхпроводящее состояние. В сверхпроводящее состояние могут переходить также различные сплавы и химические соединения.

Значения Т_к большинства материалов лежат ниже температуры кипения жидкого водорода (20,4 К). Явление сверхпроводимости может быть разрушено сильным магнитным полем, даже если температура металла ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Напряжённость такого магнитного поля называется критической напряжённостью Н_кр. Если Н> Н_кр, то сверхпроводник переходит в нормальное состояние. С ростом температуры значение Н_кр уменьшается и при Т ≥ Тк обращается в нуль. Различают сверхпроводники первого и второго рода по значениям критической напряжённости: если критическая напряжённость имеет порядок нескольких тысяч и выше – это сверхпроводник второго рода, в противном случае – первого. Свойства некоторых сверхпроводников приведены (в таблице ниже).

Одно из важнейших направлений в металлургии прецизионных сплавов – это разработка сплавов обладающими сверхпроводящими свойствами в условиях не сверхнизких температур и сильных магнитных полей. Хотя явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг-Онессом давно – в 1911 году, практическое его использование сдерживалось из-за отсутствия жёстких сверхпроводников – сплавов, сочетающих сверхпроводимость в сильных магнитных полях с высокой пластичностью, необходимой для получения ленты и проволоки, используемой при изготовлении сверхмощных малогабаритных электромагнитов. При использовании сверхпроводящих сплавов удаётся создавать мощные и экономически эффективные магнитные установки. Из большого числа разработанных сплавов, особенно эффективными оказались сплавы системы Ti-Nb типа 65БТ, 50БТ, 35 БТ.

Они так пластичны, что могут быть изготовлены в виде тонкой холоднотянутой проволоки и ленты.

Основа сплавов иного типа – это титан, хотя получение особо чистого титана всё ещё сравнительно ложный технологический процесс. В последние годы в результате исследований были разработаны немагнитные сверхпроводящие сплавы типа 78ТМ, 73ТФ, 73ТФЮ. Их свойства приведены (в таблице ниже).

Малоуглеродистые никелевые стали типа 0Н6А (6-7% Ni), 0Н9А (8,5- 9,5%Ni) используют для изготовления сварных конструкций, работающих при температурах до 77 К. Их предел текучести s_0,2 = 400 – 450 МПа при нормальных температурах, а при 77 К s_0,2 = 680 – 820 МПа. Ударная вязкость этих сталей при 77 К KCU = 1,0 – 1,3 МДж/м2 . Из этих сталей изготовляют цилиндрические и сферические резервуары для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре не ниже 77К.

Аустенитные криогенные стали делят на три группы. К первой группе относятся хромоникелевые стали 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т, получившие наибольшее применение. Из них изготавливают крупногабаритные установки большой мощности для получения сжиженных газов (O₂, N₂, H₂ и др.), транспортные ёмкости и хранилища сжиженных газов. Они хорошо свариваются и обладают большими запасами вязкости при криогенных температурах. Так, при 20К s_0,2 = 600МПа и KCU = 1М Дж/м² . Ко второй группе сталей относятся сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ5. При 20К у этих сталей s_0,2 = 1150 – 1350 МПа и KCU = 1,0 – 1,3М Дж/м² . Их применяют для изготовления крупногабаритных сварных конструкций и ёмкостей для транспортировки сжиженных газов. К третьей группе относятся аустенитные стали на хромомарганцевой основе 10Х14Г14Н4Т и 03Х13АГ19. Они используются как заменители дорогостоящих хромоникелевых сталей. Эти стали рекомендуется использовать для изготовления сварных конструкций, работающих при температурах 290 – 77К (03Х13АГ19) и 290 – 20 К (10Х14Г14Н4Т).

Твёрдые материалы

Твёрдыми называют материалы, изготовленные методами порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединённых кобальтовой связкой. Существуют твёрдые материалы трёх групп: вольфрамовые (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10), титан вольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12), титано-тантало-вольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9). Если в марке стоит буква «М», например ВК6-М, то материал изготовлен из мелких порошков, «ОМ» – из слабо мелких, а «ВК» – особо крупный карбид вольфрама WC. В марках первые буквы обозначают группу, к которой принадлежит материал ВК – (W), Т – (Ti-W), TT – (Ti-Ta-W). Цифры в вольфрамовой группе – это количество кобальта; первые цифры в титановольфрамовой группе – это количество TiC, а вторые – это количество кобальта; первые цифры в титанотантало-вольфрамовой группе – это количество карбидов титана и тантала в сумме, а вторые – это количество кобальта.

Для чистовой обработки трудно обрабатываемых материалов и закалённой стали (HRC ≥ 55) используют режущий инструмент, оснащённый пластинами из синтетических поликристаллических сверх твёрдых материалов на основе нитрида бора – композитов. В исходный нитрид бора вводят различные легирующие добавки и наполнители и получают прочно связанные мельчайшие кристаллиты (поликристаллы). К группе сверхтвёрдых материалов относятся: композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 10 (гексанит – Р).

Разработаны твёрдые материалы, не содержащие дефицитного вольфрама. Их выпускают на основе TiC-Ni-Mo (сплав ТН-20) и на основе карбонитрида титана Ti(NC)-Ni-Mo (КНТ-16).

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют материалы, способные работать под механическим напряжением при высоких температурах в течение определённого времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Эти материалы применяются для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д. При повышении температуры понижается модуль упругости (E), s_т (s_0,2) и s_в. Следует также иметь ввиду, что даже при s<s_0,2 происходит деформация металла. Это явление получило название ползучести. Сопротивление материала ползучести и разрушению в области высоких температур называют жаропрочностью. Жаропрочность металлов тем выше, чем выше межатомные силы связи в кристаллической решётке металла. Приближённо можно считать, что чем выше температура плавления металла, тем выше жаропрочность последнего. Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700 - 850°С) создают на основе Fe, Ni и Co, а для работы при очень высоких температурах (до 1200 - 1500°С) – на основе Mo, W и других тугоплавких металлов. Жаропрочные стали благодаря их невысокой стоимости широко применяются в высокотемпературной технике (до 500 - 750°С). При рабочей температуре до 600°С используют стали на основе a-твёрдого раствора, а при более высокой температуре (до 750°С) – стали на основе g-твёрдого раствора. К жаропрочным сталям первой группы (на основе g-твёрдого раствора) относятся низколегированные стали перлитного класса 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР. Содержание углерода в них 0,08 – 0,2%С. Легирующими элементами в них являются Cr, V, Mo, Nb, Si, B. Также к первой группе жаропрочных сталей относятся стали мартенситного и мартенситноферритного класса 15Х11МФ, 18Х12ВМБФР. В зависимости от содержания хрома они относятся к мартенситному (< 10 – 11% Cr) или к мартенситно-ферритному (11 – 13% Cr) классу. Эти стали помимо жаропрочности обладают и высокой жаростойкостью. Рабочие температуры этой группы сплавов до 580 – 600°С.

К жаропрочным сталям второй группы (на основе g-твёрдого раствора) относятся легированные стали аустенитного класса. Для получения структуры g-твёрдого раствора эти стали должны содержать большое количество Ni, Mn и Cr. Для обеспечения достаточной жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V, Nb и B. Эти стали применяют для деталей, работающих при температурах 500 – 750°С. У этих сталей, однако, затруднена обработка резанием. Аустенитные стали с карбидным упрочнением: 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением: 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР.

Нашли применение сплавы на основе системы Fe-Ni. Их структура – это твёрдый раствор хрома и других элементов в Fe-Ni основе, например это сплавы ХН35ВТЮ (до 0,08% С, 12 – 15% Cr, 33 – 37% Ni), ХН38ВТ (до 0,06 – 0,12% С, 20 – 23% Cr, 33 – 39% Ni). Рабочие температуры этих сплавов не превышают 750°С. Эти сплавы обладают большей пластичностью, чем жаропрочные стали. Жаропрочные сплавы на основе никеля называются нимониками. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (около 20%), а жаростойкости – титаном (1,0 – 2,8%) и алюминием (0,55 – 5,5%). Примерами таких сплавов являются Х77ТЮР (19 – 22% Cr, 2,6% Ti, 0,8% Al, 0,02% C, 0,01% B) и ХН70ВМТЮ (13 – 16% Cr, 1,8 – 2,3% Ti, 2% Al). Нимоники применяются в литом виде. Литые изделия из нимоников изготавливают методом направленной кристаллизации, обеспечивающей монокристаллическую структуру сплавов. Но такая технология является достаточно сложной. Часто для повышения жаростойкости нимоники алитируют – насыщают их поверхностный слой алюминием.

Полупроводниковые материалы

Полупроводники – это широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности, промежуточными между электропроводностью металлов (k = 10⁶ – 10⁸ Ом^-1 ·м ^-1 ) и диэлектриков (k = 10^-10 – 10^-8 Ом^-1 ·м -1 ). Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от проводников первого рода (металлов), является резкое возрастание электропроводности их с ростом температуры. Как правило, удельная электропроводность полупроводников меняется с температурой по экспоненциальному закону. Для полупроводников, не содержащих примесей:

где DE – ширина запрещённой зоны, эв (1эв = 1,6·10^-19Дж).

Электропроводность полупроводников сильно зависит от содержания примесей и наличия дефектов кристаллической решётки, а также от различного рода внешних воздействий (например, различных излучений). Возможность управлять электропроводностью с помощью изменения температуры, легирования и т.д. – это основа применения полупроводников. Свойства некоторых полупроводников приведены (в таблице ниже). В этой таблице u_- и u₊ - это абсолютные подвижности электронов и дырок соответственно. Полупроводники подразделяют на несколько групп по их строению.

Элементы IV группы – Si и Ge – это классические полупроводники. Они наиболее полно изучены и широко применяются в электронике.

Алмазоподобные полупроводники. Это соединения элементов III группы (B, Al, Ga, In) с элементами V группы (P, As, Sb): GaAs, InSb, InP, GaP и др.

Элементы V и VI групп и их аналоги: Te, Se, As, Sb, Bi, PbSe, PbS, PbTe, GeTe, SnTe и др.

Соединения элементов IV и VI группы с переходными или редкоземельными металлами и элементами II группы, например с Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu, Gd, Mg, Hg, Zn, Cd и др., а также другие типы неорганических веществ.

Органические полупроводники. Это некоторые кристаллы и полимеры на основе тетрацианхинодиметана, комплексы на основе перилена, виолантрена и др.

Общим свойством полупроводников является наличие двух типов разноимённо заряженных носителей тока – электронов и дырок. В идеальных кристаллах эти носители всегда появляются парами. Но это не означает, что их вклад в электропроводность одинаков, так как скорость их перемещения различна.

О скорости перемещения электронов и дырок можно судить по их абсолютной подвижности u_±, выражаемой в м2 /(В·с) или см2 /(В·с):

где V_± – это скорость движения частиц, м/с; Е – напряжённость электрического поля, В/м.

Таким образом, абсолютная подвижность частицы – это скорость её перемещения, приобретаемая в электрическом поле напряжённостью 1В/м. В реальных кристаллах вследствие наличия примесей и дефектов кристаллической решётки, равенство концентраций электронов и дырок нарушается, поэтому электропроводность осуществляется в этом случае преимущественно только одним типом носителей. Примеси в полупроводниках бывают двух типов – донорные и акцепторные. Донорные примеси – это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же количества дырок. Например, примесь As в кремнии – это донорная примесь, а такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Акцепторные примеси – это примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым избыточное количество дырок. Например, примесь In в кремнии – это акцепторная примесь, а такой полупроводник называется полупроводником pтипа.

Главные технические задачи полупроводниковой технологии – это получение полупроводниковых материалов с заданными свойствами, включая реализацию сложных полупроводниковых структур (сложных совокупностей pn переходов). Образование p-n переходов сводится к введению в полупроводник необходимого количества нужных примесей. В настоящее время распространены три способа получения p-n переходов: сплавление, диффузия, ионное внедрение (имплантация).

Основные контролируемые параметры полупроводников:

• - химический состав;
• - тип проводимости;
• - удельная электропроводность;
• - время жизни носителей;
• - подвижность носителей;
• - уровень легирования.

Исходными материалами для создания полупроводниковых приборов являются материалы, которые должны иметь строго заданные состав и структуру. Нередко эти материалы должны обладать исключительно высокой чистотой и совершенством структуры. В этой связи предъявляются очень жёсткие требования к условиям производства по влажности, запылённости, спецодежде и чистоте рук и т.п. Так, одна пылинка в несколько микрон, попавшая на поверхность пластинки в ходе изготовления полупроводника, всегда приводит к неисправимому браку. Поэтому воздух в таких цехах не должен содержать более четырёх пылинок размером ≤0,5мкм в 1 литре.

[04]     <<<     [04а]     >>>     [04б]