Дата создания сайта: 08 / 12 /2012 Дата обновления главной страницы: 15.04.2019 21:39
icq:
613603564
Полезные ссылки
Какие материалы применяются в технике?
Ответ на такой вопрос, кажется, всем известен: металл, дерево, пластмассы. Да, действительно, эти материалы широко используются в технике. Однако они далеко не исчерпывают всего богатейшего их набора, применяемого для этих целей. Природа подарила человеку множество материалов для его трудовой деятельности. Железо, дерево, камень, глина, такие природные полимеры, как лен, хлопок, шерсть, кожа. Они широко используются и сейчас. Но многие из них — в совершенно ином качестве. Новейшие сплавы на основе железа, например, выдерживают невиданные ранее температуры и давления, весьма устойчивы к кислотам и щелочам (агрессивным средам), очень прочны. Недаром они остаются основой машиностроения. Но для железа это еще далеко не предел. Ученые уже нащупывают пути, чтобы сделать его еще прочнее, причем в десятки и сотни раз. Не обойтись теперь в технике и без других металлов и сплавов. Так, без сплавов на основе алюминия и титана не могли бы летать в небе самолеты и подниматься в космос ракеты. А редкоземельные элементы! Без них не сваришь высококачественной стали, не создашь полупроводникового прибора, электронной лампы и т. д. Сплавление материалов, которые дала нам природа, лишь один из путей их использования. Есть и другой путь — соединение механическое. Вспомним всем известный железобетон. В нем соединены совершенно разнородные вещества — бетон и сталь. И тем не менее этот «союз» оказался настолько прочным, что из железобетона создают самые долгоживущие сооружения — мосты, плотины, здания. Из него теперь делают даже плавучие причалы, корпуса судов, станины станков. А вот другой подобный материал — металлокерамика. Здесь сочетание свойств металла и очень твердой жароустойчивой керамики дало прямо-таки удивительные результаты. Достаточно сказать, что некоторые виды металлокерамики выдерживают температуру в несколько тысяч градусов, — когда любая сталь превращается в жидкость. Ну и, конечно, всем знакомы автомобильные шины, в которых сочетаются каучук с капроном. Они очень прочны, выдерживают сотни тысяч километров дорог. И еще один путь улучшения традиционных материалов — их обработка при помощи различных физико-химических способов. Мы уже говорили: ученые нащупывают пути, чтобы сделать железо прочнее. Дело в том, что они обнаружили особенности в строении его кристаллической решетки, влияющие на прочность металла. Если эти «нарушения» (дислокации, как их назвали) подправить — сделать кристаллическую структуру более правильной, прочность железа возрастет в сотни раз. Уже выращены в лаборатории кристаллы («усы») железа, в которых дислокаций почти нет. Это пока только начало большого, очень трудного пути по улучшению многих материалов. А вот если вещество очистить от всех посторонних примесей — сделать его сверхчистым, оно приобретает новые свойства. Сверхчистые германий и кремний, например, становятся полупроводниками. Причем в зависимости от количества примесей (а они в этих случаях измеряются буквально считанными атомами) их свойства резко меняются. Так, удалось, вводя в кристалл полупроводника нужные атомы, сделать из него сложный электронный прибор со своими диодами, триодами, сопротивлениями. И все это в одном маленьком кристалле! Сверхвысокие и сверхнизкие давления и температуры тоже резко меняют свойства материалов. Обычное стекло при подобной обработке превращается в ситалл — материал, способный состязаться со сталью по прочности, не боящийся ни ударов, ни больших нагрузок. А из песка после соответствующей его обработки получают силикальцит — строительный материал, не уступающий по своим качествам бетону. Способов переработки и использования старых, традиционных материалов открыто немало. Но все же на современном уровне развития техники этого оказалось недостаточно. Для специальных целей понадобились совсем новые материалы, с невиданными в природе (свойствами. И они созданы искусственно, их дала химия. Мы уже говорили (см. ст. «Техника идет вперед») о ее роли в создании синтетических материалов. Их в наши дни появилось множество новых, с заранее заданными свойствами: прочных, эластичных, стойких к кислотам, способных выдерживать высокие и низкие температуры, не боящихся влаги и огня, легко обрабатываемых, дешевых. Во время прошлой войны говорили: «Нейлон создал тяжелые бомбардировщики». И действительно, не будь изобретены шины с синтетической основой (кордом), нить которой подчас надежнее стальной проволоки, не смогли бы взлетать и садиться на бетонированные дорожки аэродромов огромные самолеты, мчаться по асфальту большие грузовые автомобили. И это только один пример того, что дает синтетика для развития техники. Таких примеров бесчисленное множество — синтетические технические ткани, детали машин, полупроводники, приводные ремни, канаты, сети, фильтры. всего и не перечислить. А ведь синтетика только-только начинается, ей по существу всего каких-нибудь три десятка лет. Как видим, арсенал материалов современной техники поистине неисчерпаем. Столь же разнообразны и методы их получения. И все это ведет к одному — к необычайно быстрому развитию техники.
Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше мы рассматривали пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.
Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас — 80 кГ, а в Китае — 150 кГ.
Можно привести пример с материалами космических челноков.
Разработка новых электротехнических материалов с улучшенными или новыми эксплуатационными свойствами способствует улучшению эксплуатационных характеристик электротехнических изделий.
Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, а в российском накопителе «Ангара» — всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно, лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.
Еще более близкий пример — изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом — появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения — это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.
Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.
Например, создание нагревостойких кремнийорганических диэлектриков позволило повысить рабочие температуры электрических машин и тем самым значительно увеличить мощность машины без увеличения ее габаритов и веса.
Дата добавления: 2015-10-19 ; просмотров: 2878 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Роль материалов в современной технике.
Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше мы рассматривали пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.
Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас — 80 кГ, а в Китае — 150 кГ.
Можно привести пример с материалами космических челноков.
Разработка новых электротехнических материалов с улучшенными или новыми эксплуатационными свойствами способствует улучшению эксплуатационных характеристик электротехнических изделий.
Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, а в российском накопителе «Ангара» — всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно, лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.
Еще более близкий пример — изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом — появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения — это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.
Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.
Например, создание нагревостойких кремнийорганических диэлектриков позволило повысить рабочие температуры электрических машин и тем самым значительно увеличить мощность машины без увеличения ее габаритов и веса.
Источник
Новые материалы в электронике
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Апреля 2014 в 11:46, реферат
Краткое описание
Цель реферата – показать знания об основных электротехнических материалах, их свойствах и закрепить навыки правильного выбора материала в различных эксплуатационных условиях и назначениях. Правильный выбор электротехнических материалов и рациональное их использование невозможно без подробного исследования связи их структур со свойствами и электрофизическими процессами, протекающими в этих материалах в условиях тепловых, магнитных, электромагнитных и других энергетических воздействий.
Содержание
Вложенные файлы: 1 файл
реферат по неорганич химии (2).doc
«Новые материалы, используемые в электронике».
Совершенствование производства, оснащение современных предприятий электрооборудованием и различной аппаратурой невозможно без дальнейшего развития производства и освоения новых материалов.
Изготовление новых материалов является одной из главных задач, в основу которой вошло широкое использование новых технологий, проектировании, а также отличной практической подготовки инженера.
Прогресс в энергетической отрасли тесно связан с созданием и освоением новых материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и электрофизическими свойствами. Свойства материала определяются его внутренним строением, которое, в свою очередь, зависит от состава и характера предварительной обработки.
Изучив данную тему, мы будем иметь современные представления об электрофизических свойствах и процессах, происходящих в электротехнических материалах.
Цель реферата – показать знания об основных электротехнических материалах, их свойствах и закрепить навыки правильного выбора материала в различных эксплуатационных условиях и назначениях. Правильный выбор электротехнических материалов и рациональное их использование невозможно без подробного исследования связи их структур со свойствами и электрофизическими процессами, протекающими в этих материалах в условиях тепловых, магнитных, электромагнитных и других энергетических воздействий.
Использование новых материалов для изготовления электроники качественно отличается от использования старых материалов, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, сравнительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.
Нанотехнология в настоящее время находится в стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяют относить ее к высоким технологиям. Однако до сих пор новые области в особенности молекулярной технологии – мало исследованы.
Развитие современной электроники идет по пути уменьшения размеров и энергосбережения устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоемких производств.
Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa.
При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10−11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой для чего применяются специальные методы ее приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.
Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
С момента открытии графена, этого чрезвычайно прочного материала, обладающего превосходной электропроводностью, многие эксперты пророчат ему большое будущее в области физики и изготовления различных электронных устройств. Но результаты компьютерного моделирования, проведенного международной группой ученых, показывают, что материал, называемый графин, должен обладать уж совсем экзотическими электрическими свойствами, которые делают этот материал более интересным в области электроники, чем графен.
Подобно графену, графин так же состоит из атомов углерода, соединенных в кристаллическую решетку толщиной в один атом. Различие между этими материалами заключается в том, что кристаллическая решетка графина содержит помимо двойных межатомных связей еще и тройные связи. Поэтому кристаллическая решетка графина имеет более сложную форму, чем простая гексагональная форма решетки графена, более экзотические химические, физические и электрические свойства.
Компьютерные модели графина, составленные группой ученых-химиков из университета Эрлангена-Нюрнберга в Германии, возглавляемой Андреасом Герлингом, показывают, что за счет существования тройных связей электроны могут передвигаться по кристаллической решетке графина, быстрее, чем в графене, и встречать на своем пути меньше сопротивления. Это означает, что графин будет обладать еще большей электропроводимостью. Помимо этого, специфическая кристаллическая решетка графина-6,6,12, за счет присутствия в ней элементов, называемых конусами Дирака, графин способен проводить электрический ток только в одном направлении. Именно это свойство позволит исследователям на основе графина создавать высокоэффективные полупроводниковые элементы, такие как диоды и транзисторы, при этом обладающие превосходными высокочастотными характеристиками.
Приведем пример еще одной нанотехнологии. Ученые обнаружили самый прозрачный, легкий и гибкий материал, когда-либо созданный наукой для проведения электричества.
Материал под названием GraphExeter предназначен для портативных электронных устройств, таких как телефоны и MP3-плееры, но также может быть использован и в «умных» зеркалах или стеклах с компьютеризированными интерактивными возможностями.
Так как новый материал является прозрачным в широком спектре света, это может повысить эффективность солнечных батарей более чем на 30%.
По словам его изобретателей, GraphExeter может произвести революцию в электронной промышленности. Он превосходит любые другие углеродные прозрачные проводники, используемые в электронике, а также может применяться для широкого спектра приложений — от солнечных батарей до «умной» одежды.
В настоящее время соединение оксида индия и олова является основным проводящим материалом, используемым в электронике. Но он становится все более дорогим и, как ожидается, закончится в 2017 году.
GraphExeter является гораздо более гибким материалом и первой по-настоящему жизнеспособной альтернативой.
Чтобы создать его, ученые зажали молекулы хлорида железа между двумя слоями графена. Хлорид железа повышает электропроводность графена, не влияя на прозрачность материала. Исследовательская группа в настоящее время разрабатывает жидкую версию материала, которую можно будет распылять на ткани, зеркала и окна.
Недавно была разработана технология быстрого и недорогого производства электронных печатных плат с помощью метода обычной струйной печати. Данный метод основан на быстроте и недорогом изготовлении электронных печатных плат, в котором задействуется обычный струйный принтер, способный печатать как на бумаге, так и на поверхностях твердых материалов. С помощью этого метода стало возможным изготовление прототипов и опытных образцов плат всего за 60 секунд, которые требуются для распечатки изображения рисунка платы. При этом, сумма вложений и затрат не превышает 300 долларов, что существенно меньше сумм в несколько тысяч долларов, в которые обходится приобретение промышленных установок по быстрому производству прототипов печатных плат.
Технология, получившая наименование IIC (instant inkjet circuits), позволяет распечатать рисунок электрических проводников произвольной формы на поверхность твердых и гибких материалов. Такая технология может существенно облегчить жизнь, как и профессиональным электронщикам, так и любителям-энтузиастам, которые в некоторых случаях прибегают к использованию старого и проверенного лазерно-утюжного метода, требующего определенных навыков, оборудования, материалов и химических реактивов.
Реализация технологии IIC стала возможно за счет достижений в области химических методов соединения металлических частиц. Эти методы позволили исследователям соединить в единое целое серебряные наночастицы, находящиеся в чернилах для струйного принтера. Процесс химического соединения происходит при комнатной температуре, что позволило избежать необходимости применения процесса высокотемпературного теплового спекания, который занимает достаточно продолжительное время и может оказать разрушительное воздействие на материалы некоторых видов. Новый метод IIC лучше всего работает при печати на обычную мелованную бумагу, на PET-пленку и на глянцевую фотобумагу, но допускается печать токопроводящих дорожек, с немного худшими результатами, на поверхность резины, плотного брезента и на листы некоторых магнитных материалов.
После распечатки рисунка печатной платы на любом из видов материалов на нее тут же можно начать установку электронных компонентов. Правда о традиционном паяльнике в этом случае придется забыть, для соединения выводов компонентов с токопроводящими дорожками необходимо использовать двустороннюю токопроводящую липкую ленту или специальный серебряный токопроводящий клей, которые широкодоступны на потребительском рынке. Благодаря этому, законченные электронные устройства, даже высокой сложности, могут быть созданы с нуля буквально за несколько часов времени.
Электроника, которая отработала свой срок или преждевременно вышла из строя, является одной из наиболее быстро растущих экологических проблем во всем мире. Демонтаж электронных компонентов печатных плат с целью их дальнейшего повторного использования или переработки является сложным технологическим процессом, который делает утилизацию электронных устройств весьма дорогостоящей и часто неэффективной с экономической точки зрения. Но что, если бы печатные платы могли раствориться в обычной воде, освобождая неповрежденными их электронные компоненты?
Вышеуказанная идея легла в основу технологии производства печатных плат ReUSE, разработанной исследователями британской Национальной физической лаборатории. Печатные платы ReUSE изготовлены из специального материала со специальным покрытием, которые позволяют выдерживать уровень влажности и высокой температуры, с которыми они сталкиваются при нормальной эксплуатации.
Но, когда срок службы компонентов, установленных на печатной плате, подходит к концу, ее подвергают обработке простой горячей водой. Верхние защитные слои платы разрушаются и материал платы начинает растворятся в воде, оставляя компоненты в целости и сохранности. После этого компоненты требуется лишь очистить от остатков материала платы, высушить и отправить на сортировку.
Рассмотрим еще один вид новых материалов, это — органические светодиоды, диоды, в которых излучающий слой представляет собой органическое соединение. Они состоят из следующих элементов: подложки (пластиковой, стеклянной, фольги); катода, инжектирующего электроны в излучающий слой при прохождении тока; слоев органических материалов, один из которых проводит дырки, инжектируемые анодом, а второй – электроны, инжектируемые катодом, в нем и происходит излучательная рекомбинация носителей заряда; прозрачного анода, который при прохождении тока инжектирует дырки.
В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы (алюминий и кальций) с низкой работой выхода, но достаточной для инжекции электронов в полимерный слой. В качестве светоизлучающих материалов используются низкомолекулярные органические вещества и полимеры. Последние делятся на просто полимеры, полимерорганические и фосфоресцирующие соединения.
