1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое классификация материалов, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое классификация материалов , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.

Материалы, используемые в энергетике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения (рис. 1.1). Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

По поведению в магнитном поле материалы относятся к магнитным.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Проводниковыми называют материалы с сильно выраженной электропроводностью и низким удельным сопротивлением при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниками и диэлектриками, отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также от внешних энергетических воздействий (температуры, излучения и т.д.).

По назначению и функциональным свойствам типы материалов более чем разнообразны, но основные можно представить в виде шести групп (схема 2):

Схема 2. классификация материалов по функциональному назначению

Использование каждой группы материалов основано на их функциональных свойствах.

Диэлектрическими называют материалы с большей шириной запрещенной зоны, электропроводность в которых (в идеальных диэлектриках) отсутствует. Реальный диэлектрик тем ближе к идеальному, чем меньше его удельная проводимость.

При применении диэлектриков, учитывая их активные и пассивные свойства, различают два типа диэлектриков.

Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов. Диэлектрическая проницаемость таких материалов должна быть как можно меньшей, чтобы не вносить в схемы и электрические сети паразитных емкостей.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Условно к проводникам относят материалы с удельным сопротивлением ρ <10⁻⁵Ом⋅м , а к диэлектрикам – материалы, у которых ρ >10⁸Ом⋅м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего

10⁻⁸Ом⋅м , а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁸Ом ⋅м . Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условия их эксплуатации может изменяться в пределах 10⁻⁵ −10⁸Ом⋅м . Хорошими проводниками являются металлы. Кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников и диэлектриков. Четкую границу между различными классами материалов провести нельзя. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

Твердофазные материалы, их классификация и применение

По составу твердофазные материалы многообразны. С точки зрения основных классов неорганических соединений их можно объединить в несколько групп (схема 1):

Схема 1. Классификация материалов по их составу

Рис. 1. Структуры элементарных ячеек

различной конфигурации: а – перовскит CaTiO₃;
б – шпинель MeFe₂O₄; в – координационные
октаэдры ячейки ортоферрита GdFeO₃

К конструкционным материалам электронной техники с самого начала их внедрения предъявлялись требования по их временной, температурной стабильности, механической прочности, стойкости к термоударам, так как их использовали как установочные для радиоэлементов, например ламп, которые имели нагреваемые катоды. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . К таким материалам относятся различные силикаты, алюмосиликаты и пр. Магнитные материалы характеризуются в первую очередь параметрами кривой намагничивания (рис. 2).

Рис. 2. Кривая намагниченности и расположение магнитных доменов в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля Н

На первом участке этой кривой вдоль направления внешнего магнитного поля ориентируются те домены твердого тела, которые обладают достаточно небольшой по отношению к нему разориентацией. Далее переориентируются остальные домены, и после завершения этого процесса кривая выходит на насыщение.

Важнейшим классом являются сложные оксиды (ферриты, кобальтаты, купраты, ниобаты, молибдаты, манганаты и другие соединения щелочных, щелочноземельных, редкоземельных элементов и их различные более сложные сочетания). Общим объединяющим моментом для всех сложных оксидов выступает их строение. Переходные металлы в структуре сложных оксидов координируют кислородные полиэдры различной конфигурации (обычно тетраэдрической, октаэдрической) (рис. 1). Сама структура формируется путем различного сочетания между собой полиэдров, которые в разных комбинациях могут соединяться между собой вершинами, ребрами, гранями. В пустотах, образованных фрагментами цепей полиэдров, размещаются более крупные катионы щелочных металлов, ЩЗЭ, РЗЭ.

Многие свойства сложных оксидов зависят не только от их состава и структуры, но и от дефектной структуры, что позволяет целенаправленно влиять на их функциональные свойства. По состоянию твердофазные материалы можно разделить на керамику, тонкие пленки, монокристаллы и толстопленочные покрытия.

Рис. 3. Схематическое взаимодействие
между собой спиновых моментов
электронов ферромагнитных ионов и
атомов в структуре материалов

Монокристаллы или ориентированные пленки ферритов обладают способностью поворачивать плоскость поляризации плоскополяризованного света за счет взаимодействия магнитных моментов материала и электромагнитных световых колебаний, т.е. эффектом Фарадея. Этот эффект проявляется при наложении внешнего магнитного поля, направление которого совпадает с вектором магнитного момента кристаллической решетки материала, что используется для создания устройств визуализации изображения модуляторов и магнитооптических затворов, например для лазерных приборов. Для этого свет проходит через поляризатор, затем через ферритовый материал, помещенный в управляющую катушку, а потом через анализатор (его положение может быть скрещенным или открытым по отношению к поляризатору). Под действием изменения магнитного поля, создаваемого катушкой, изменяется и количество пропускаемого системой света (рис. 4).

Рис. 4. Эффект Фарадея

Эффект Фарадея можно использовать и для магнитооптических запоминающих устройств, в которых желательно иметь материал с цилиндрическими или пузырьковыми магнитными доменами, т.к. его намагниченность и соответственно оптическая плотность может изменять знак на противоположный за счет локального воздействия, например лазерного. Значение эффекта Фарадея зависит от длины волны света и уменьшается с ее увеличением, с другой стороны, ферриты имеют окно прозрачности в ИК-области спектра. Для достижения приемлемого сочетания светопропускания и глубины модуляции (отношения интенсивности модулированного сигнала к первоначальной) необходимо использовать магнитооптические устройства, находить компромисс между этими параметрами, что несколько ограничивает область применения.

Магнитомягкими материалами являются те из них, которые имеют достаточно узкую петлю гистерезиса, они могут быть использованы в устройствах, где требуется быстрое управление сигналом при минимальных затратах энергии. Наиболее удобными (например, в запоминающих устройствах) оказываются объекты с достаточно крутой кривой намагничивания и формой петли гистерезиса, близкой к прямоугольной. Угол наклона кривых определяется начальной магнитной проницаемостью. Магнитожесткие материалы, для перемагничивания которых требуется очень значительная энергия, применяются в качестве постоянных магнитов в различных устройствах. К ним относятся интерметаллиды типа SmCo₅ или на основе соединений неодим–бор–железо, ферриты со структурой типа магнетоплюмбита, Ba_1-xSr_xFe₁₂O₁₉ и пр. Природа магнетизма твердых тел заключается во взаимодействии между собой спиновых моментов электронов ферромагнитных ионов и атомов в структуре материалов (рис. 3). В случае совпадающих по направлению спиновых моментов компонентов кристаллической решетки материал обладает ферромагнитными свойствами, при полной взаимной компенсации таких моментов образуется антиферромагнетик (AFM), а частичная компенсация приводит к получению ферримагнитных материалов (феррит), к которым часто относятся используемые на практике ферриты: например, шпинели АВ₂О₄ или феррогранаты с общей формулой М₃Fe₅O₁₂.

В железо-иттриевом гранате (ЖИГ) имеются две кристаллографические позиции, занимаемые ионами железа: октаэдрическая и тетраэдрическая. Ионы иттрия находятся в додекаэдрических полостях. За счет неравноценности позиций железа и разного количества его в этих узлах создается результирующая раскомпенсация магнитного момента вещества. Если вводить в феррогранат элементы, замещающие железо и иттрий, например ванадий и кальций, то ситуация изменяется.

Пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы отличаются друг от друга тем, что у первых отсутствует спонтанная поляризация. Поляризацию указанных материалов можно рассматривать, как электрический аналог намагниченности. У сегнетоэлектрических материалов также наблюдается доменное строение, им присуща кривая поляризации в зависимости от напряженности внешнего электрического поля с петлей гистерезиса (наклон зависит от диэлектрической проницаемости), температура Кюри, на их основе могут быть созданы электрооптические затворы, модуляторы, звукозаписывающие и воспроизводящие и другие подобные устройства. Сегнетоэлектрики, обладающие высокими значениями диэлектрической проницаемости, используются как конденсаторные материалы.

Рис. 5. Структура титаната бария (перовскит) с ромбоэдрическими искажениями

Существуют и другие группы материалов. Это, в частности, электронагревательные, каталитические и электродные (для эмиссии электронов и регенерации газовой среды отпаянных СО₂-лазеров), газочувствительные и т.д. Во всех перечисленных группах оксиды находят широкое применение как в виде простых, так и сложных (табл. 1, рис. 6).

Таблица 1. Примеры материалов на основе природных и искусственных оксидов

а - генератор

б - искусственная головка тазобедренных суставов

в - имплантат

Рис. 6. Материалы на основе: а - оксида цинка; б, в - оксида циркония (IV)

Широкое использование оксидных систем в материаловедении обусловлено спектром их физических и химических свойств. Например, большинство твердотельных оксидов имеют большую прочность, их теплота образования высока, многие обладают полупроводниковыми свойствами и, наконец, имеют широкое распространение в природе, что делает экономически выгодным их использование.

Типичным представителем данного класса является титанат бария со структурой типа перовскита (рис. 5). Причина появления сегнетоэлектрических свойств в том, что центры тяжести ионов титана смещены относительно геометрических центров кислородных октаэдров, что создает электрическую раскомпенсацию подрешеток положительно и отрицательно заряженных ионов. Спектр используемых материалов, обладающих специфическими электрическими свойствами, достаточно широк. У диэлектрических веществ большая ширина запрещенной зоны, и электроны не могут проникнуть из валентной зоны в зону проводимости. В полупроводниковых материалах переход носителей тока в зону проводимости облегчается наличием промежуточных донорных или акцепторных уровней энергии. В твердых ионных проводниках электроперенос осуществляется за счет подвижности ионов в кристаллической решетке по тому или иному механизму, при этом возможен униполярный перенос, т.е. только ионами одного знака, как в материалах, используемых для создания электрохимических топливных элементов. Такое устройство способно вырабатывать электроэнергию.

Данная статья про классификация материалов подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое классификация материалов и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов