Существуют ли абсолютно чистые металлы. Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике

Металлы Железо общее Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.В природной воде железо

ВАКУУМНАЯ ДИСТИЛЛЯЦИЯ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ 4-ГО ПЕРИОДА (Mn, Cr, Fe,Ni,Co)

Наиболее тугоплавкими и труднолетучими металлами, кото-рые в настоящее время подвергают дистилляции, являются мар-ганец, хром, железо, никель и кобальт. Все указанные металлы входят в состав важнейших технических сплавов.

Механические и физические свойства сплавов на основе же-леза, никеля и других указанных элементов, особенно свойства различных жаропрочных сплавов, в значительной "степени опре-деляются чистотой исходных материалов. Хорошо известно, что неметаллические включения и ряд примесей, образующих легко-плавкие эвтектики, резко ухудшают многие свойства сплавов: пластичность, жаропрочность, коррозионную стойкость и др. Особенно вредными примесями во всех указанных металлах яв-ляются свинец, висмут, кадмий, сера, фосфор, азот и кислород. В связи с этим получение чистых металлов 4-го периода пред-ставляет исключительный интерес как с точки зрения исследова-ния их свойств, так и для изучения влияния легирующих добавок на изменение свойств сплавов. Чистые металлы необходимы в вакуумной технике для изготовления электродов, для анодов рентгеновских трубок и для производства некоторых деталей ионных приборов. Чистое железо почти не взаимодействует с па-рами ртути. Оно может быть использовано в трубках с оксидны-ми катодами, крайне чувствительными к малейшим загрязнени-ям. Чистое железо имеет высокую магнитную проницаемость, что позволяет использовать его для экранирования магнитных полей. Никель высокой чистоты необходим для нанесения покрытий на различные тугоплавкие металлы. Значительное количество чис-тых металлов 4-го периода потребляется химической промышлен-ностью для изготовления различных соединений. Подробные све-дения о влиянии примесей на свойства рассматриваемых метал-лов можно найти в монографиях .

Наиболее распространенный метод очистки тугоплавких ме-таллов 4-го периода заключается в химическом связывании при-месей в результате окислительно-восстановительных процессов (часто путем обработки водородом) с последующей дегазацией и отгонкой примесей при плавке в вакууме. Обработка расплав-ленных металлов в вакууме получила за последние 5—10 лет ши-рокое распространение. Она применяется не только для чистых металлов, но и для сталей и других сплавов. Не имея возможно-сти подробно осветить соответствующие работы, в которых круг рассматриваемых вопросов далеко выходит за рамки настоящей темы, мы ограничимся лишь описанием работ по дистилляции указанных металлов и по отгонке металлических примесей. Под-робные сведения относительно вакуумной плавки металлов и удаления газовых примесей можно найти в ряде сборников ста-тей и монографий .

Из рассматриваемых в настоящем параграфе металлов желе-зо, никель и кобальт входят в подгруппу железа VIII группы пе-риодической системы. В качестве основных примесей в этих ме-таллах, кроме родственных элементов, присутствуют медь, крем-ний, марганец, хром, алюминий, углерод, фосфор, сера й газы (N 2 , 0 2 , Н 2). Вследствие близости свойств родственных элемен-тов степень очистки от них при дистилляции невысока, но неболь-шие добавки этих металлов мало влияют на свойства основного элемента. Все чистые металлы подгруппы железа пластичны при комнатной и даже более низкой температуре, а никель пласти-чен вплоть до температуры жидкого гелия (4,2°К). Однако увеличение содержания газовых и некоторых металлических при-месей может привести к увеличению температуры перехода ме-таллов от пластичного к хрупкому состоянию. Так, железо, со-держащее >0,005% 0 2 , становится хрупким при 20° С. Кобальт обладает более низкой пластичностью, чем железо или никель, что, возможно, является следствием его недостаточной чистоты. Все три рассматриваемых металла имеют близкие значения упру-гости пара. Их дистилляция обычно проводится при температу-рах на 20—50° С выше точки плавления, хотя все они возгоняют-ся в вакууме при температуре > 1100° С.

В отличие от металлов подгруппы железа хром и марганец высокой чистоты являются хрупкими при комнаткой температу-ре. Даже незначительные концентрации таких примесей, как уг-лерод, сера, азот и кислород, резко ухудшают их механические свойства. У чистейшего хрома температура перехода ив хрупко-го в пластичное состояние близка к 50° С. Имеется, однако, воз-можность снижения этой температуры путем дальнейшей очист-ки металла.

В настоящее время считается, что основной причиной хрупко-сти хрома при комнатной температуре является присутствие в нем азота и кислорода в количествах ^0,001%. Температура перехода хрома в пластичное состояние резко возрастает при добавлении алюминия, меди, никеля, марганца и кобальта. Воз-можно, что большой эффект очистки хрома от азота может быть получен при дистилляции его в изолированном объеме.

Марганец хрупок во всем интервале существования α-фазы (до 700° С), тогда как высокотемпературные фазы (β- и γ-Μπ) довольно пластичны. Причины хрупкости α-Μn исследованы не-достаточно.

Хром и марганец имеют значительные упругости пара ниже температур их плавления. Хром сублимирует в вакууме с замет-ной скоростью выше 1200° С. Так как температура плавления хрома находится около 1900° С, то расплавить его в вакууме не-возможно из-за сублимации. Обычно переплавка исходного ме-талла или конденсата проводится в инертном газе при давлении более 700 мм рт. ст. Марганец перегоняется как путем сублима-ции, так и из жидкой фазы.

Обычно при дистилляции всех рассматриваемых металлов можно получить конденсаты чистотой ~ 99,99%. Однако высоко-эффективная очистка возможна лишь при использовании кон-денсаторов с градиентом температуры. Дистилляция хрома и марганца подробно исследована в основном Кроллем и в лабо-ратории авторов .

Дистилляция марганца в вакууме впервые описана Тиде и Бирнбрауэром . Гейлер подробно изучила этот про-цесс и исследовала ряд свойств полученного высокочистого мар-ганца. Дистилляцию осуществляли в кварцевой трубе длиной 600 мм и диаметром 100 мм. Марганец испарялся ив магнезито-вого тигля и конденсировался на другом таком же тигле. Металл нагревали токами высокой частоты. Испарение велось при темпе-ратуре ~ 1250° С в вакууме 1—2 мм рт. ст. В качестве исходного материала использовали алюминотермический металл чистотой ~99% и технический марганец (~96—98%). Результаты одно-кратной дистилляции показаны в табл. 48. Выход чистого метал-ла составлял —50% от веса загрузки. При указанных парамет-рах процесса и загрузке 2,7 кг за 5 ч получалось 0,76 кг чистого металла. В установке Гейлер не была устранена возможность взаимодействия металла с материалом трубы, в связи с чем в ряде опытов дистиллят загрязнялся кремнием.

Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике

Лекция 8. Проводниковые материалы и провода

Назначение проводниковых материалов;

Назначение и виды проводов.

Цели лекции:

Изучение проводниковых материалов;

Изучение проводов.

8.1 Нзначение проводниковых материалов

Большинство металлических проводниковых материалов обладает вы-сокой электропроводностью (ρ = 0,015 ÷ 0,028 мкОм·м). Это преимущес-твенно чистые металлы, которые используют для изготовления обмоточных и радиомонтажных проводов и кабелœей.

Наряду с этим в радиоэлектронике применяют проводники с большим электрическим сопротивлением – сплавы различных металлов. У металличес- ких (резистивных) ρ = 0,4 ÷ 2,0 мкОм·м. Эти сплавы составляют группу металлических материалов с малым температурным коэффициентом удельного сопротивления (ТК ρ ) и применяются для изготовления проволоч- ных резисторов и других радиокомпонентов.

Медь – главный материал, обладающий высокой пластичностью, доста- точной механической прочностью и высокой электропроводностью. Температура плавления меди 1083°С, коэффициент температурного расширения КТР = 17· 10 -6 1/°С. Для изготовления изделий (обмоточные, ра-диомонтажные провода и кабели) применяют чистую медь марок М00к; МОКу; Мок; М1к и М00б; Моб; М1б. Содержание меди 99,99 – 99,90%. У изделий из мягкой меди (при 20°С) плотность 8900 кг/м 3 ; σ р = 200÷280 МПа; е = 6÷35%; ρ = 0,072÷0,01724 мкОм·м. Температурный коэффициент удельного сопротивления для всœех марок меди ТК ρ = 0,0041/°С.

Бронза представляет собой сплавы меди с оловом (оловянная бронза), алюминием (алюминиевая), бериллием (бериллиевая) и другими легирующи-ми элементами. В отношении электропроводности бронза уступает меди, но превосходит ее по механической прочности, упругости, сопротивлению исти- ранию и коррозионной стойкости. Из бронзы изготовляют пружинящие контакты, контактные части разъемов и другие детали.

Латунь – сплав меди с цинком, в котором наибольшее содержание цинка может составлять 45% (по массе). Из листовой латуни изготовляют ра-зличные детали: зажимы, контакты, крепежные детали. Основные харак-теристики бронзы, латуни и меди приведены в таблице 8.1.

Ковар – сплав никеля (около 29% по массе), кобальта (около 18%), же-леза (остальное). Характерной особенностью ковара является близость значе-ний его КТР=(4,3÷5,4) · 10 -6 1/°С к значениям КТР стекла и керамики в интер- вале температур 20 – 200°С. Это позволяет производить согласованные, гер- метичные спаи ковара со стеклом и керамикой. Его применяют для изготовления корпусов ИС и полупроводниковых приборов.

Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом благодаря его сравнительно большой электропроводности и стойкости к ат-мосферной коррозии.

Плотность алюминия 2700 кг/м 3 , ᴛ.ᴇ. он в 3,3 раза легче меди, темпе-ратура плавления 658°С. Алюминий отличается малой твердостью и неболь- шой прочностью при растяжении (σ р = 80÷180 МПа) и больший по сравне-нию с медью КТР= 24·10 -6 1/°С. Это является недостатком алюминия.

Из марок алюминия особой чистоты изготовляют обкладки электроли- тических конденсаторов, а также фольгу. Алюминиевую проволоку выпуска- ют Ø0,08 – 8мм трех разновидностей: мягкую (АМ), полутвердую (АПТ), твердую (АТ).

Таблица 8.1

Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся в воздухе при комнатной температуре. Окисление начинается при 200°С. Серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку Ø до 0,01мм, и наивысшей электропроводностью.

Основные характеристики серебра: плотность 1050 кг/м 3 ; температура плавления 960,5 °С; σ р = 150÷180 Мпа (мягкое серебро); σ р = 200÷300 Мпа (твердое серебро); ρ = 0,0158 мкОм·м; ТКρ = 0,003691/°С; КТР= 24·10 -6 1/°С.

Из серебра выполняют защитные слои на медных жилах радиомонтаж- ных проводов, используемых при температуре до 250°С. Серебро наносят на внутреннюю поверхность волноводов для получения слоя с высокой электро-провдностью, а также вводят в припои (ПСр10, ПСр50), применяемые для пайки токопроводящих частой в РЭА.

Золото – в отличие от серебра не окисляется в воздухе даже при высо-ких температурах. Оно обладает весьма высокой пластичностью, из него получают фольгу толщиной до 0,005 мм и проволоку Ø до 0,01мм.

Основные характеристики золота: плотность 1930 кг/м 3 ; температура плавления 1063°С; σ р = 150÷180 Мпа, ρ = 0,0224 мкОм·м; ТКρ = 0,003691/°С;

КТР= 14,2·10 -6 1/°С.

Золото применяют для тонкопленочных контактных покрытий при коммутации малых токов в микросхемах, а также для покрытия стенок

волноводов и резонаторов СВЧ.

Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике" 2017, 2018.

Чистые металлы

металлы с низким содержанием примесей. В зависимости от степени чистоты различают металлы повышенной чистоты (99,90-99,99%), металлы высокой чистоты, или химически чистые (99,99-99,999%), металлы особой чистоты, или спектрально-чистые, Ультрачистые металлы (свыше 99,999%).