Полупроводниковые соединения типа АIIIВV

17.2. Полупроводниковые соединения типа А^IIIВ^V

Многообразие свойств полупроводников типа A^ШB^V привело к их широкому применению в различных технических устройствах. На их основе изготавливают инжекционные лазеры и светодиоды. У арсенида галлия ширина запрещенной зоны близка к ширине запрещенной зоны кремния, а подвижность носителей заряда близка к подвижности носителей заряда германия. Поэтому данный материал является весьма перспективным для изготовления интегральных микросхем с высоким быстродействием.

К соединениям типа А^IIВ^VI относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Химическая связь носит смешанный ковалентно-ионный характер. Компонента ионной связи в таких соединениях выражена сильнее по сравнению с соединениями типа А^IIIВ^V. С ростом средней атомной массы соединений уменьшается ширина запрещенной зоны и снижается температура плавления, одновременно повышается подвижность носителей заряда. Соединения типа А^IIВ^VI применяются для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой чувствительностью в видимой области спектра, а также для изготовления люминофоров.

Сущность порошковой металлургии заключается в производстве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии. Порошки получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического производства. Технологический процесс производства и обработки изделий и материалов методами порошковой металлургии включает получение порошков, их формование в заготовки, спекание (температурную обработку) и при необходимости окончательную обработку (доводку, калибровку, уплотняющее обжатие, термообработку).

Способы производства порошков подразделяют на механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические и комбинированные.

Механический метод включает механическое измельчение компактных материалов, осуществляющееся путём дробления, размола или истирания в специальных агрегатах-мельницах (вихревых, планетарных, центробежных, шаровых, вибрационных, вращающихся и т. д.).

Физико-химические методы получения металлических порошков. Соединения галогенидов металлов, которые восстанавливаются либо водородом, либо активными металлами (Na и Mg).

Восстановителями служат газы (водород, оксид углерода, диссоциированный аммиак, природный конвертируемый, водяной, коксовый или доменный газы), твердый углерод (кокс, древесный уголь, сажа) и металлы. Выбор восстановителя зависит не только от термодинамических оценок, но и от летучести, которая должна быть минимальной, иначе процесс нужно вести при повышенном давлении за счет аргона или других инертных газов.

Железный порошок – основа многотоннажной порошковой металлургии (ПМ). Существуют методы получения порошков из FeCl₂. Восстановленный водородом железный порошок имеет высокую чистоту и стоимость.

Восстановление оксидом углерода проводится при температурах выше 1000 °С на основе адсорбционно-каталитического механизма. Восстановление твердым углеродом происходит при 900–1000 °С.

Для металлических порошков основными подготовительными операциями являются отжиг, просеивание по фракциям и смешивание. Отжиг проводят для повышения пластичности и прессуемости порошков в защитной среде при температуре (0,4…0,6) Т_пл металла. Разделение производят также с помощью воздушных сепараторов и седиментации (разделения жидких смесей). Приготовление однородной по объёму механической смеси осуществляют путём смешивания порошков в специальных смесителях. Для получения легированных частиц порошка проводят размол смеси порошков основы и легирующих добавок в размольных агрегатах.

Для повышения и более равномерного распределения плотности прессовки по высоте используют смазку стенок матрицы пресс-формы, что уменьшает коэффициент внешнего и межчастичного трения. Равномерность распределения плотности увеличивается при двухстороннем прессовании верхним и нижним пуансонами (рис. 18.1) и всестороннем сжатии (прессованием в эластичной или деформируемой оболочке).

Использование вибрации при прессовании повышает плотность прессовки. Импульсные методы формования применяют для труднопрессуемых порошков или для получения особых свойств материала.

Рис. 18.1. Схема двухстороннего прессования порошковых материалов:

а – без нагрева, б – с нагревом

Формование порошка также осуществляют в гидро- и газостатах (изостатическое), прокаткой, на гидродинамических машинах и с использованием взрывчатых веществ (импульсное), на вибрационных установках (вибрационное), продавливанием через отверстие в инструменте (экструзия или мундштучное прессование), заливкой в формы – шликерное литьё, при котором в форму заливают суспензию, содержащую порошок и жидкую связку и другие добавки.

Рис. 18.2. Система изостатического формования:

1 – рабочий цилиндр; 2 – пуансон; 3 – пресс-шайба; 4 – рабочая жидкость;

5 – матрица; 6 – уплотнитель; 7 – матрицедержатель; 8 – контейнер с материалом

Рис. 18.3. Схема прокатки с вертикальной (а)

и горизонтальной (б) шнековой подачей порошка

Для получения изделий сложной формы используют шликерное литьё. После заполнения формы жидкая составляющая шликера удаляется нагревом.

Вид термической обработки, позволяющий получить конечные свойства материала и изделия, называется спеканием. Оно заключается в нагреве и выдержке сформованного изделия (заготовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента. Для многокомпонентных систем различают твёрдофазное и жидкофазное спекание.

Рис. 18. 4. Поверхности излома спечённых порошковых материалов (а)

и образование межпластинчатого контакта в условиях жидкофазного спекания (б)

Совмещение процессов прессования и спекания наблюдается при горячем прессовании, которое производится при температуре (0,5…0,9)Т_пл основного компонента. Высокая температура прессования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время выдержки составляет от 15…30 мин. до нескольких часов. Горячее прессование применяют для труднопрессуемых порошков с целью получения высоких физико-механи-ческих свойств. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру. Пресс-форму, в которой осуществляют горячее прессование, изготавливают из жаропрочных материалов, а при прессовании тугоплавких соединений – из графита, прочность которого с увеличением температуры повышается.

К фрикционным относят материалы с высоким коэффициентом трения. Они обладают высокой фрикционной теплостойкостью и коррозионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа с металлическими и неметаллическими компонентами для деталей, работающих в масле (75 %) и при сухом трении. Фрикционные изделия состоят из стальной основы и фрикционных накладок, которые припекаются к основе под давлением.

Твёрдые сплавы используют в режущих и контрольно-измерительных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, матрицах и пуансонах при штамповке и прессовании.

Путём пропитки вольфрамового или углеродного каркасов жидкой медью или серебром. Детали из такого материала работают в двигателях при температуре свыше 2500 ºС. Во время работы медь (серебро) испаряется, что понижает тепловой поток и улучшает условия работы вольфрамового или углеродного каркасов.

1. 
   Шеховцев, В. П. Справочное пособие по электрооборудованию / В. П. Шеховцев. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2008.
   
2. 
   Журавлёва, Л. В. Электроматериаловедение: учебник для нач. проф. образования / Л. В. Журавлёва. – М.: Академия; ИРПО, 2000. – 313 с.
   
3. 
   Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ВШ, 2007.
   
4. 
   Готтштайн, Г. Физико-химические основы материаловедения / Г. Готтштайн. Пер. с англ. К. Н. Золотовой, Д. О. Чаркина; под ред. В. П. Зломанова. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 400 с.
   
5. 
   Килин, В. А. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для вузов / В. А. Килин, С. Б. Малышко. – Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. – 58 с.
   
6. 
   Кузьмичева, Г. М. Порошковая дифрактометрия в материаловедении: учеб. пособие. Ч. 2 / Г. М. Кузьмичева. – М.: МИТХТ, 2006. – 84 с.
   
7. 
   Белов, Н. П. Основы кристаллографии и кристаллофизики. Ч. 1. Введение в теорию симметрии кристаллов: учеб. пособие / Н. П. Белов, О. К. Покопцева, А. Д. Яськов. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. – 43 с.
   
8. 
   Тарасов, В. В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для вузов / В. В. Тарасов, В. А. Килин. – Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2009. – 140 с.
   
9. 
   Технология конструкционных материалов: методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для спец. 16020165 «Самолёто- и вертолётостроение» / Сост. М. В. Постнова. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – 54 с.
   
10. 
    Барышев, Г. А. Материаловедение: конспект лекций / Г. А. Барышев. – Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2007.
    
11. 
    Мутылина, И. Н. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / И. Н. Мутылина. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. – 167 с.
    
12. 
    Казяева, И. Д. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: рабочая программа дисциплины / И. Д. Казяева, Е. А. Ишина. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. – 42 с.
    
13. 
    Технология конструкционных материалов. Станочная учебная практика: учеб. пособие для студентов-механиков / В. Е. Гордиенко [и др.]. – СПб.: СПбГАСУ, 2010. – 56 с.
    
14. 
    Материаловедение и технология металлов. – М.: ВШ, 2001. – 637 с.
    
15. 
    Курдюмов, Г. В. Явление закалки и отпуска стали / Г. В. Курдюмов. – М.: Металлургиздат, 2005. – 64 с.
    
16. 
    Лахтин, Ю. М. Материаловедение / Ю. М. Лахтин. – М.: Машиностроение, 2003. – 448 с.
    
17. 
    Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. – М.: Металлургия, 2004. – 544 с.
    
18. 
    Зарембо, Е. Г. Превращения в структуре и свойства стали / Е. Г. Зарембо. – М.: ВИИИТ, 2004.
    
19. 
    Стеклов, О. И. Основы сварочного производства / О. И. Стеклов. – М.: ВШ, 2008. – 224 с.
    
20. 
    Хренов, К. К. Сварка, резка и пайка металлов / К. К. Хренов. – М.: Машиностроение, 2000. – 408 с.
    
21. 
    Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С. Н. Колесов. – М.: ВШ, 2004. – 512 с.
    
22. 
    Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. – 648 с.
    
23. 
    Мозберг, Р. К. Материаловедение: учеб. пособие / Р. К. Мозберг. – 2-е изд, перераб. – М.: ВШ, 1991. – 448 с.
    
24. 
    Материаловедение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов [и др.]. Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. – 3-е изд., стереотипн. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. – 648 с.
    
25. 
    Электротехнические конструкционные материалы: учеб. пособие для отделений средн. проф. образования / В. Н. Бородулин [и др.]. Под ред. В. А. Филикова. – М.: Мастерство; ВШ, 2001. – 280 с.
    

26. 
    Правила устройства электроустановок. – 6-е и 7-е изд. – Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2007.
    
27. 
    Материаловедение. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Построение диаграммы состояния сплавов из свинца и сурьмы методом термического анализа. Изучение микроструктур сплавов: методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 для студентов всех специальностей и форм обучения. – Изд. 2-е, стереотипн. / Сост. В. П. Мельников. – Брянск: БГТУ, 2008. – 13 с.
    
28. 
    Виноградова, Л. А. Структура сталей: учеб. пособие / Л. А. Виноградова. – Ульяновск: УлГУ, 2009. – 54 с.
    

СОДЕРЖАНИЕ

Николай Георгиевич Юдин

Наталья Юрьевна Шевченко

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Компьютерная верстка Сарафановой Н. М.

Темплан 2011 г., поз. № 12К.

Подписано в печать 11. 04. 2011 г. Формат 60×84 ¹/₁₆.

Бумага листовая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 6,74. Уч.-изд. л. 6,47.

Тираж 100 экз. Заказ №
Волгоградский государственный технический университет

400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.

Отпечатано в КТИ

403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5, каб. 4.5