СССРФлаг СССРДружба народов СССРРеспублики СССРГерб СССРСССРГерб СССРГимн СССРМедали СССРОрдена СССРРубли СССР
СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК
Граждане СССР

Категории раздела

Материалы промышленные СССР [14]
Материалы промышленные СССР
Текстиль СССР [3]
Текстиль СССР
Технологические процессы СССР [9]
Технологические процессы СССР - Технологии СССР
Материалы СССР [2]
Материалы в Союзе Советских Социалистических Республик

Мини-чат

Статистика


Онлайн всего: 3
Гостей: 3
Пользователей: 0

Каталог статей СССР

Главная » Статьи » ПРОИЗВОДСТВО СССР » Материалы промышленные СССР

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

 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 Тк. 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 Тк 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 Нкр. Если Н> Нкр, то сверхпроводник переходит в нормальное состояние. С ростом температуры значение Нкр 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).

 

Свойства некоторых сверхпроводящих материалов
№ пп* Вещество Тк, К Hк, кА/м
1 Pb 7,2 63,66
2 Ta 4,5 66,05
3 Sn 3,7 24,67
4 Al 1,2 7,96
5 Zn 0,88 4,22
6 W 0,01 0,08
7 Nb 9,25 318,31
8 65БТ 9,7 7957,75
9 Сплав Ti-Ni 9,8 7957,75
10 V3Ga 14,5 27852,12
11 Nb3Sn 18 19894,37
12 (Nb3Al)4Nb3Ge 20
13 Nb3Ge 23
14 GeTe 0,17 10,35
15 SrTiO3 0,2-0,4 23,87

Примечание: * Вещества

  • 1-6 это сверхпроводники первого рода,
  • 7-12 – сверхпроводники второго рода,
  • 13-15 – полупроводниковые сверхпроводники.

 

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).

 

Свойства сверхпроводников на основе титана
Сплав l, Вт/(м·К) r, мкОм·м a·103 , К-1 sв, МПа d,%
78ТМ 9,2 1,3 0,1 1080 10
73ТФ 9,2 1,25 0,2 1100 10
73ТФЮ 7,6 1,4 0,2 1100 9

 

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 s0,2 = 400 – 450 МПа при нормальных температурах, а при 77 К s0,2 = 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 s0,2 = 600МПа и KCU = 1М Дж/м2 . Ко второй группе сталей относятся сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ5. При 20К у этих сталей s0,2 = 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), sт (s0,2) и sв. Следует также иметь ввиду, что даже при s<s0,2 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.

Свойства некоторых полупроводников
Полупроводник пл., °С DЕ, эв u- , см2 /(В·с) u+, см2 /(В·с)
В 2300 1,1 10 10
C (алмаз) 4027 6 1800 1600
Si 1410 1,12 1500 600
Ge 937 0,75 3900 1900
Sn (серое) 0,08 3000
Te 449 0,36 1700 1200
I 113,5 1,3 25
SiC 3100 400 50
AlSb 1050 200 420
BP 1300 200 420
GaN 1700
GaSb 706 4000 1400
GaAs 1239 8500 400
GaP 1467 110 75
InSb 527 78000 750
InAs 943 33000 460
InP 1060 4600 150
CdS 1750 300 50
CdSe 1258 800
CdTe 1045 1,45 450 100
ZnO 1975 3,2 200
ZnS 1650 165
ZnTe 1240 0,6 100
PbS 1114 1,2 650 800
PbSe 1065 0,5 1400 1400
Ag2Te 955 0,17 4000 100
AgBr 430 1,35 35
B2Te3 585 0,25 600

 

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]

 



Источник: http://ussr-cccp.moy.su/index/promyshlennost_sssr/0-43
Категория: Материалы промышленные СССР | Добавил: soviet-union-ussr (25.04.2020) | Автор: Орлов Г.В. E W
Просмотров: 337 | Теги: Орлов Г.В., Полупроводниковые материалы, Сталь СССР, Сверхпроводящие материалы, Жаропрочные стали и сплавы, Твёрдые материалы, Порошковые материалы | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar

Вход на сайт

Поиск

1

© 2017-2024 ussr-cccp.moy.su 

Использование материалов разрешено только при условии указания источника: прямой гипертекстовой ссылки (при публикации в Интернете), не запрещенной к индексированию в поисковых системах ЯндексGoogle
 
Администрация и владельцы форума не несут ответственности за содержание материалов пользователей