Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности 140211 «Электроснабжение»

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 4. Проводниковые материалы Проводниковая медь Медные электротехнические сплавы 4.3. Неметаллические проводники. Кристаллическая решётка алмаза Рис 4.4. Структура фуллеренов С

Подобный материал:

• Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности, 1219.34kb.
• Методические указания к дисциплине и задания к контрольной работе для студентов заочной, 126.92kb.
• Методические указания к дисциплине и темы рефератов для студентов заочной формы обучения, 102.72kb.
• Учебное пособие для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1247.83kb.
• Методические указания к итоговому междисциплинарному экзамену по специальности «электроснабжение», 382.82kb.
• Н. Н. Кувшинова экология учебное пособие, 1072.88kb.
• Учебное пособие для самостоятельной работы студентов специальности 040600 «Сестринское, 1354.95kb.
• Методические указания: краткий курс лекций для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1540.61kb.
• Учебное пособие Для студентов всех специальностей Москва 1999, 1603.73kb.
• Учебное пособие для студентов специальности «Экономика и управление на предприятии», 1271.5kb.

4. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ


4.1. Металлические проводниковые материалы.


Из всех известных элементов 80% – это металлы. В Периодической таблице элементов они расположены в левой части. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. Такие материалы называют проводниками первого рода. По механизму электропроводности в металлах и сплавах различают электронную (Ag, Cu, Au), дырочную (W, Be, Zn) и смешанную (Pb, Al). На проводимость металлов влияют наличие дефектов (дислокации) кристаллической структуры, внутренние напряжения, характер кристаллической структуры (мелко- или крупнокристаллическая). Все металлы, кроме самородных, получают восстановлением соответствующих соединений.

Значения удельного сопротивления ρ в металлах изменяется от 0,0016 (Ag) до ≈ 10 мкОм^.м, т.е диапазон составляет 3 десятичных порядков.

Удельного сопротивления ρ металлов с ростом температуры увеличивается, температурный коэффициент ТКρ = α положительный. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов кристаллической решётки увеличиваются и тем самым препятствуют перемещению электронов.(а расплавы?) ТКρ чистых металлов в твёрдом состоянии приблизительно составляет 1/273 = 0,00367 К^-1. Удельное сопротивление при , любых температурах вычисляется по формуле ρ_t = ρ₀ (1 + αΔt). (4.1)

Наименьшее значение ρ имеют чистые металлы. Следует отметить, что чистые металлы обладают и большей пластичностью, чем сплавы. Примеси искажают кристаллическую решётку, делают её напряжённой и тем самым повышают прочность σ и уменьшают удлинение при разрыве ε. Так, чистая медь имеет предел прочности при растяжении 220 МПа и удлинение 60%, а бериллиевая бронза ( ≈ 2% Ве) – 1350 МПа и 1,5 % соответственно.

При изменении температуры металлы (как и все материалы) изменяют свои линейные размеры в соответствии с типичным уравнением : ℓ_t = ℓ₀ (1 + α₁ Δt). Здесь α₁ – температурный коэффициент линейного расширения ТК_ℓ . Величина ТК_ℓ связана с температурой плавления Т_пл металла – чем выше Т_пл , тем ниже ТК_ℓ. Между ТКR, ТКρ и ТК_ℓ существует простое соотношение

ТКR = ТКρ - ТК_ℓ. (4.2)

Присутствие примесей повышает ρ металла независимо от ρ примеси. Например, если в медь вводить серебро, имеющее ρ ниже, чем ρ меди, ρ сплава всё равно повышается. Для регулирования ρ в широком диапазоне чаще всего используют сплавы со структурой твёрдых растворов, механических смесей, а также химических соединений – так называемых интерметаллических соединений. Наш соотечественник академик Курнаков сформулировал четыре правила.

1. Если при сплавлении компонентов образуется сплав со структурой механической смеси, то свойства сплава с изменением состава изменяются по прямолинейному закону.
   
2. Если компоненты при сплавлении образуют непрерывный ряд твёрдых растворов, то свойства изменяются по криволинейному закону.
   
3. Если при сплавлении компонентов образуются ограниченные твёрдые растворы, то в той части, где имеет место однофазная область твёрдых растворов, свойства изменяются по криволинейному закону, а в многофазных областях – по прямолинейному.
   
4. Если компоненты смеси образуют химические соединения, то составу химического соединения соответствует максимум или минимум на кривой изменения свойств, а точки излома называют сингулярными точками.
   

а 100% Cu 100% Ni

б 100% Mg 100% Zn

в 100% Cu 100% W

Рис.4.1. Зависимость параметров металлических сплавов различной структуры от состава. а – сплав Cu – Ni; б - сплав Mg – Zn; точка 2 – MgZn ; 3- Мg₂Zn₃; 4 – MgZn₄; 5 – MgZn₆; в – сплав Cu – W.


4.1.1. Термо – ЭДС

При соприкосновении двух металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов W. Причиной появления W являются различные значения работы выхода электрона. В замкнутой цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников при условии, что контакты проводников находятся при разных температурах, возникает электро-движущая сила. В этом заключается эффект Зеебека. Величина термо-ЭДС U подчиняется уравнению:

U = k/e (T₁ – T₂) ln n_a/n_b, (4.3)

где k – константа Больцмана, е – заряд электрона, n_a и n_b – концентрация электронов в металле а и b, T₁ – температура горячего спая, T₂ – температура холодного спая. Поскольку k/e ^. ln n_a/n_b – для каждой пары металлов является величиной постоянной, уравнение принимает вид U = с (T₁ – T₂). Этот эффект используется для измерения температур с помощью термопар, с называется температурным коэффициентом термо-ЭДС термопары.


4.1.2. Материалы высокой проводимости.

По величине проводимости проводники подразделяются на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. К материалам высокой проводимости относятся серебро Аg, медь Cu и её сплавы – бронзы и латуни, алюминий Аℓ, железо Fe и его сплавы, а также золото Аu, платина Рt, хром Сr и ряд других. Они используются для изготовления проводов и кабелей.

Самой высокой проводимостью обладает серебро: ρ = 0,016 мкОм^.м, ТК_ρ = 3,6^.10^-3, Т_пл = 960 ^оС, плотность 10500 кг/м³, до 200 ^оС устойчиво к окислению. Для предохранения от коррозии серебро покрывают лаком или другим металлом – палладием Рd. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мкм, использующейся при небольших токах. Предел прочности при растяжении σ_р ≈ 200 МПа, удлинение при разрыве ≈ 50%. Серебро по сравнению с медью и алюминием находит ограниченное применение: в сплавах с медью, никелем или кадмием – для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр – 10; ПСр – 25 и др., в виде пасты для непосредственного нанесения на диэлектрики.

Проводниковая медь. Электролитическая медь красновато-оранжевого цвета, чистотой 99,9 (марка М1) и температурой плавления Т_пл = 1083 ^оС имеет ρ = 0,018 кие диаметром до 0,03 – 0,01мм, а также тонкие ленты. Медь достаточно устойчива к атмосферным воздействиям, но при температурах выше 800 ^оС происходит интенсивное окисление. В присутствии СО₂ продуктом окисления является основной карбонат меди по составу близкий малахиту. Иногда для борьбы с коррозией медь покрывают серебром.

В зависимости от метода получения проволоки её свойства могут существенно отличаться. При холодной протяжке получают твёрдую (твёрдотянутую) медь (МТ), которая, благодаря влиянию наклёпа имеет высокий предел прочности при растяжении (360 – 390 МПа) и малые относительное удлинение перед разрывом (0,5 – 2,5 %), твёрдость и упругость при изгибе. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твёрдость и небольшую прочность (260 – 280 МПа), но большое удлинение при разрыве (18 – 35 %) и более высокую удельную проводимость.

Медные электротехнические сплавы – это бронзы и латуни. Бронзы содержат небольшие количества олова Sn, кремния Si, фосфора P, бериллия Be, хрома Cr, магния Mg, кадмия Cd, алюминия А1 и др. Они обладают более высокой прочностью (800 -1350 МПа), но меньшей проводимостью. Марки бронз обозначают буквами Бр., за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие добавки и в каком количестве содержатся в данной бронзе. Например, Бр.ОФ6,5-0,15 содержит 6 – 7 % олова и 0,15 % фосфора.

Введение в медь кадмия значительно повышает механическую прочность и твёрдость при незначительном снижении проводимости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Самую большую прочность имеет бериллиевая бронза (2 % Ве) - 1350 МПа, но проводимость по сравнению с медью уменьшается в 5 – 10 раз.

Из проводниковых бронз изготавливают провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.

Латуни – это медные сплавы, содержащие до 45 % цинка и малые количества Al, Fe, Mn, Si, Sn, Pb. Прочность латуней увеличивается приблизительно в 2 раза, а удельное сопротивление – на 40 %.

Алюминий обладает достаточно высокой проводимостью (ρ = 0,028 мкОм^.м) и стойкостью к коррозии, которая обеспечивается самопроизвольном образованием защитной оксидной плёнки Аℓ₂О₃ с большим электрическим сопротивлением. Плотность алюминия (2700 кг/м³) в 3,5 раза меньше, чем плотность меди, а ρ больше всего в 1,63 раза, поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины использовать алюминий выгоднее, чем медь, - его требуется меньше. Удельное сопротивление алюминия резко возрастает в присутствии примесей Мg, Mn, Fe, прочность при растяжении – 90 – 170 МПа и удлинение при разрыве 0,5 – 25%.

Достоинство алюминия, заключающееся в наличии на поверхности защитного оксидного слоя, является и его недостатком, т.к. создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта, затрудняет пайку обычными методами. С другой стороны этот слой оксида позволяет использовать алюминиевую проволоку без изолирующего лакового покрытия в слаботочных трансформаторах.

К недостаткам алюминия относится также и значительная термо-ЭДС в контакте с медью.

Железо (стали) имеют ρ ≈ 0,1 мкОм^.м, но зато высокую прочность (σ_р = 1200 – 1500 МПа) и используется для изготовления проводов воздушных линий электропередачи, биметаллической проволоки типа «ядро – оболочка» с медной оболочкой.

Для повышения электростабильности, коррозионной стойкости, снижения термо-ЭДС в радиоэлектронике и микроэлектронике в качестве материалов высокой проводимости используют также золото, платину, хром.

4.1.3. Материалы высокого удельного сопротивления.

Эта группа проводниковых материалов представляют собой сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением и малым значением температурного коэффициента удельного сопротивления. Все они имеют структуру твёрдых растворов. Материалы этой группы используются как приборные высокоомные проводники, нагревательные сплавы, материалы для термопар.

К приборным высокоомным проводникам относятся манганин, константан и никелин. Манганин содержит: Cu - 84 - 86 % , Mn – 12-13 %, Ni – 2 – 3 %. Цвет манганина светло-оранжевый, плотность 8400 кг/м³, Т_пл = 960 ^оС, ρ = 0,42 – 0,43 мкОм^.м, ТКρ = (2 – 6) ^. 10^-6 К^-1. Максимальная рабочая температура ≈ 300^оС. Недостатком манганина является высокое значение термо-ЭДС с медью ≈ 1,0 мкВ/К. Разработан новый манганин, имеющий термо-ЭДС с медью ≈ 0,1 мкВ/К. Из манганина изготавливают мягкие и твёрдые проволоки диаметром 0,02 – 6 мм, используемые в производстве резисторов и потенциометров высокого класса.

Константан – сплав, содержащий Cu 58 - 60 % , Ni 32 - 40 % и 1 – 2% Мn. Цвет константана – серебристо-жёлтый плотность 8900 кг/м³, температура плавления Т_пл = 1260 ^оС, ТКЛР = 14^.10^-6 К^-1. Удельное сопротивление ρ ≈ 0,5 мкОм^.м, ТКρ при нормальных температурах = -(5 - 25) ^. 10^-6 К^-1, т.е., имеет отрицательное значение. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: он может длительно работать при 450 ^оС. Недостатком константана является высокая термо-ЭДС в паре с медью и с железом – это может вызывать ошибки измерений в мостовых и потенциометрических схемах. Зато термопары медь – константан (термо – ЭДС = 45 – 55 мкВ/К) широко используются для измерения температур, а сам константан является тензометрическим материалом и применяется для изготовления проволочных тензодатчиков. Действие тензодатчиков основано на изменении сопротивления при деформации тензометрического элемента.

Нагревательные сплавы стойки к окислению при высоких температурах. Это объясняется образованием на их поверхности плотной оксидной плёнки, чаще всего это оксид хрома Cr₂O₃ или закись никеля NiO. Эти оксиды не испаряются при высоких температурах и имеют ТКЛР близкие к ТКЛР сплава, поэтому не растрескиваются при нагревании.

Нагревостойкие материалы обычно представляют собой сплавы хрома и никеля, называемые нихромами (Х15Н60, Х20Н80), хрома и алюминия, называемые хромалями (Х23Ю5Т), железа и хрома, называемые фехралями (Х13Ю4)

Нихром имеет ρ ≈ 1 мкОм^.м, ТК_ρ ≈ 10^-4 К^-1 и максимальную рабочую температуру ≈ 1000 ^оС, хромали имеют более высокое ρ ≈ 1,3 мкОм^.м и более высокую рабочую температуру – до 1400 ^оС. Фехрали дешевле нихромов, но имеют более низкую рабочую температуру = 750 – 1000^оС.

4.1.4. Сплавы для термопар.

Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

копель (56 % Cu + 44% Ni), ρ = 0,46 мкОм^.м; алюмель (95 % Ni, остальное Al, Si и Mg); хромель (90 % Ni и 10 % Cr), ρ = 0,66 мкОм^.м; платинородий (90 % Рt и 10 % Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

медь – константан и медь-копель – до 350 ^оС;

хромель-копель, железо-копель, железо-константан – до 600 ^оС;

хромель-алюмель – до 900 – 1000 ^оС;

платинородий-платина – до 1600 ^оС.

Самая высокая термо-ЭДС у термопары хромель-копель (ХК), самая низкая – у термопары платинородий-платина.

4.1.5. Контактные материалы

Надёжность электрических контактов - основная забота специалистов, работающих в области электротехники, и главным образом, - из-за их ненадёжности. Причина частых отказов электрических контактов лежит в поверхностных свойствах контактов. При соприкосновении двух металлов возникает электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта. Это связано с тем, что никакую металлическую поверхность нельзя выполнить совершенно гладкой. Поэтому кажущаяся площадь контакта не соответствует фактической площади, которая существенно меньше – ведь соприкасаться друг с другом могут только самые большие выступы. Следовательно, ток может протекать только через малые участки фактического контакта. Размеры этих площадок нельзя определить, так как они случайны и, кроме того, зависят от существенно изменить усилия, с которым сжимаются контакты – чем больше усилие, тем больше размеры площадок фактического контакта. Химическое изменение поверхности контактов могут значительно увеличить переходное электрическое сопротивление.

В зависимости от назначения контакты подразделяются на слабо-, средне- и сильнонагруженные, постоянные, скользящие и разрывные. Для работы в контактах выбирают материалы, соответствующие режиму работы. Как правило, материалы контактной пары различаются. К контактным материалам предъявляются следующие требования: коррозионная стойкость, малое значение эрозии, износостойкость, отсутствие свариваемости, дугостойкость, высокая твёрдость, большой коэффициент теплопроводности, высокая удельная электрическая проводимость. Обычно используют металлы и сплавы с высокой температурой плавления – Pt, Pd, Ag, Au, Cu и её сплавы, например, бронзы, сплавы типа Cu – Cr, Cu – Ag – Cd, Ag – Cu, Ag – Pd, Au – Ni, Au – Ag – Pt, Pt – Ni, Pt – W, Pt – Ir, Pt – Rh и другие, металлокерамические композиции. Неправильный выбор контактных материалов приводит с течением времени к изменению величины контактного сопротивления и контактной ёмкости.

Для разрывных контактов, работающих для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, кроме тугоплавких металлов и сплавов используют материал системы Ag – CdO при содержании оксида кадмия 12 – 20 %.

Для скользящих контактов применяют холоднотянутую (твёрдую) медь, бериллиевую бронзу, а также материалы системы Ag – CdO, медь – графит (3-5-%), графит, пропитанный легкоплавкими металлами (Pb, Sn) или воскообразными веществами.

4.1.6. Припои.

Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайку проводят с целью создания механически прочного шва или с целью получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. Припой расплавляется, смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми металлами. Припой диффундирует в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Припои подразделяются на мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 ^оС, к твёрдым – с Т_пл выше 500 ^оС.

Мягкие припои – в основном оловянно-свинцовые (ПОС) с содержанием олова от 18 до 90%. Они используются для пайки меди и её сплавов, серебра, оцинкованного железа.

Твёрдые припои – медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр). Они используются для пайки меди и её сплавов, а также (ПСр) серебра, платины, вольфрама, стали.


Вопросы для самопроверки.

1. Чем отличаются проводники первого рода от проводников второго рода?

2. Как изменяется удельное сопротивление металлических сплавов различной структуры в зависимости от состава?

3. Чем обусловлена контактная разность потенциалов? Следует ли учитывать термо-ЭДС в электрических цепях?

4. Перечислите основные материалы высокой проводимости.

5. Какова структура материалов высокого удельного сопротивления? Основные области их применения.

6. Каковы основные требования, предъявляемые к контактным материалам? Приведите примеры.

7. Механизм взаимодействия припоев с металлом. Виды припоев.


4.2. Сверхпроводники и гиперпроводники.

Явление сверхпроводимости состоит в том, что сопротивление многих металлов и сплавов при охлаждении до некоторой критической температуры Т_кр, свойственной каждому из них, становится равным нулю. Это явление обнаружил в 1911 г. голландский учёный Коммерлинг-Оннес. Он впервые получил жидкий гелий (Т_кип =4,12 К) и обнаружил, что у ртути при 4,2 К электрическое сопротивление падает практически до нуля.

Сверхпроводники представляют собой идеальные диамагнетики – они выталкивают из себя магнитное поле. Сверхпроводимость – обратимый переход и она исчезает не только при превышении Т_кр, но и при достижении напряжённостью магнитного поля некоторого критического значения Н_кр.

Таким образом, сверхпроводимость в одном контуре можно разрушить магнитным полем тока, протекающего в другой цепи. На этом основана работа криотронов – устройств памяти. Однако необходимость поддерживать температуру с точностью до 0,01 К и значение времени переключения – порядка сотен микросекунд, ограничило развитие криотронов в микроэлектронике.

Явление сверхпроводимости объясняется тем, что в результате взаимодействия электронов образуются пары, в которых расстояние между электронами составляет порядка 10⁴ Å (10^-6 м). Эти пары электронов, так называемые Куперовские пары, способны к когерентному движению и описываются единой волновой функцией. Поэтому влияние рассеяния на примесях, дефектах и тепловых колебаниях решётки на такое когерентное движение всех сверхпроводящих электронов пренебрежимо мало.

В настоящее время уже изготавливают сверхпроводниковые электромагниты, электрические машины, трансформаторы, линии электропередачи больших мощностей, волноводы, накопители энергии, работающие без трения магнитные подшипники и т.п.

Работа всех этих устройств осложняется необходимостью поддерживать чрезвычайно низкие температуры, поэтому понятно стремление к получению материалов, проявляющих сверхпроводимость при более высокой температуре. Из металлических Nb₃Sn (18 К), германид ниобия Nb₃Ge (23 К), Nb_0,79(Al_0,75Ge_0,25)_0,21. В последние 20 лет интенсивно проводятся работы по изучению сверхпроводимости в керамических материалах, в которых Т_кр находится в области температур жидкого азота (77,4 К). Среди этих материалов стабильные результаты достигнуты на иттрий-бариевой керамике YBa₂Cu₃O_х при х ≥ 6,5 (95 -100 К), на керамиках состава Tl₂Ca₂Ba₂Cu₃O₁₀ (127 K) , HgBa₂Ca₂Cu₃O₁₀ (133 K) и др. Интересно, что все эти керамики содержат атомы меди.

Помимо сверхпроводимости внимание современной техники привлекает и криопроводимость, т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах – в тысячи раз меньше, чем при комнатной. Это такие металлы, как медь, алюминий, бериллий. Из них только бериллий проявляет криопроводимость при температуре жидкого азота, но для этого требуется высокая чистота материала и отсутствие наклёпа. Бериллий значительно дороже алюминия, да к тому же и ядовит.

Вопросы для самопроверки.

1. В чём заключается явление сверхпроводимости? Чем сверхпроводимость отличается от гиперпроводимости?

2. Приведите примеры металлических и неметаллических сверхпроводников.

4.3. Неметаллические проводники.

К неметаллическим проводникам относятся электроугольные изделия, жидкие и твёрдые электролиты.

4.3.1. Углеродные материалы и композиции.

Материалы этого типа с одной стороны относятся к неорганическим, а с другой стороны, искусственно получают их из органического сырья. Таким образом, они являются как бы переходными от органических к неорганическим материалам.

В природе углерод встречается в виде алмаза, графита и саж. Искусственно получены ещё несколько форм углерода: карбин, фуллерены, нанотрубки. Углерод в алмазе, графите и карбине имеет различный типа гибридизации. В алмазе наблюдается sp³- гибридизация, в графите sp²-гибридизация и в карбине sp –гибридизация. Наряду с чистыми аллотропными формами углерод образует большое число промежуточных соединений, содержащих комбинации атомов с различными типами гибридизации.

Кристаллическая решётка алмаза относится к атомному типу. Элементарная ячейка представляет собой тетраэдр, в центре и четырёх вершинах которого расположены атомы углерода. Координационное число решётки алмаза равно 4, все атомы углерода в кристаллической решётке расположены друг от друга на одинаковом расстоянии 1,54 Å.Каждый из них связан друг с другом неполярной ковалентной связью. Любой кристалл алмаза, следовательно, можно рассматривать как гигантскую молекулу. Решётка алмаза, не имеющая искажённых валентных углов, сильно сопротивляется любым видам деформации. По этой причине алмазу свойственны высокая твёрдость (наибольшая из всех известных веществ), высокая прочность, заметная хрупкость, тугоплавкость (он возгоняется при 3700 ^оС). Плотность алмаза 3510 кг/м³.

Рис. 4.2. Кристаллические решётки алмаза и графита.

В природе алмазы образовались от 1750 ^. 10⁶ до 90^. 10⁶ лет тому назад на большой глубине (около 150 – 200 км) в мантии земли, где стабильные давление (Р  45 ГПа) и температура (900 – 1400 ^оС), а затем магмой были вынесены в земную кору. Искусственное получение алмазов было осуществлено в 1897 году Муассеном путём насыщения расплава железа углеродом (графитом) и резким охлаждением слитка. Такая технология имитировала природные условия образования алмазов. С 1955 года алмазы получают в промышленных масштабах из графита при ~ 3000 ^оС и давлениях 10 ГПа. В настоящее время разработаны технологии синтеза не только изолированных кристаллов, но и поликристаллических блоков алмазов (алмазитов) при более мягких условиях (Р  7,5 ГПа, Т = 1500 - 2000 ^оС, катализатор). Искусственные алмазы имеют небольшие размеры – 0,2 – 20 мкм и применяются как абразивный материал при изготовлении полировочных паст, отрезных дисков, режущего инструмента и т.д. Есть пути синтеза алмазов, не требующие экстремальных условий: это осаждение на поверхности затравочного кристалла из углеродсодержащего газа (например, метана), а также плазмохимический метод. В зависимости от природы поверхности затравочного кристалла можно получать поликристаллические слои или тонкие монокристаллические плёнки. В последнем случае электрической проводимостью можно управлять, просто добавляя в плазму атомы бора, которые служат в кристалле дырками.

Графит – более устойчивая форма, чем алмаз. При нагревании до высокой температуры в отсутствии воздуха алмаз превращается в графит. Природный графит имеет вид землистой или слоистой тёмно-серой массы с металлическим блеском, холодной и жирной на ощупь. Графит имеет гексагональную кристаллическую решётку, атомы углерода расположены в параллельных слоях (базисных плоскостях). В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, связь в 6 раз слабее, чем в слоях. Из-за этого отдельные слои легко скользят относительно друг друга и это свойство используется при создании антифрикционных материалов. Другой особенностью графита является высокая электропроводность (однако, ниже, чем у металлов и сплавов), значительная теплопроводность и стойкость к воздействию неблагоприятных климатических факторов. Эти свойства обусловили применение графита в электро- и радиотехнике.

Известен ряд способов получения искусственного графита путём термической перекристаллизации углей при температуре 2200 – 2500 ^оС. Благодаря испарению зольных примесей искусственные графиты более чистые, чем природные.

Путём термического разложения паров углеводородов в вакууме или в среде инертного газа при температуре  900 ^оС получают пиролитический углерод. По своим свойствам и структуре пиролитический углерод приближается к графиту. Расстояние между слоями с/2 несколько больше, чем у графита и достигает 3,7 Å. Наоборот, расстояния между атомами в слоях меньше, чем у графита и составляет 1,39 Å. Плёнки пиролитического углерода имеют сравнительно высокое электрическое сопротивление и применяются для получения резисторов поверхностного типа.

Сажи – это продукт неполного сгорания или термического разложения углеродсодержащих веществ. В зависимости от исходного сырья и метода получения сажи подразделяются на газовые (канальную, печную, термическую, специальную), ацетиленовую, антраценовую, форсуночную, ламповую и др. Существенной особенностью саж является их малый объёмный вес. Так, например, 1 л канальной сажи ДГ-100 весит от 50 до 150 г. Это объясняется высокой дисперсностью частиц сажи, которую обычно оценивают по величине удельной поверхности саж. Удельной поверхностью называется общая поверхность частиц в единице веса (1г) или объёма. Для сажи ДГ-100 удельная поверхность (геометрическая) составляет 92 – 100 м²/г. Первичная частица сажи состоит из нескольких тысяч более мелких частиц, называемых кристаллитами. Структура кристаллита представляет собой деформированную, искажённую решётку графита.

Сажи применяют в качестве пигментов в лакокрасочной промышленности, для окрашивания в массе полимеров, перерабатываемых через расплав, в качестве основного усилителя резиновых смесей, в качестве проводящего компонента в композиционных резистивных материалах и для изготовления электроугольных изделий.





Рис.4.3. Структура частиц сажи: а – плоская углеродная решётка сажевого кристаллита; б – расположение углеродных решёток в кристаллите; в – первичная частица сажи; г – цепочечная структура сажи.

В 70-х годах ХХ столетия в СССР была синтезирована ещё одна аллотропная форма углерода – карбин, имеющий линейную структуру

- С  С – С  С - или = С = С = С = С = , в которых проявлялась высокая электропроводность за счёт перекрывания -электронов в системе сопряжения кратных связей. В 1985 году была открыта ещё одна форма углерода – фуллерены, а в 1991 году была открыта следующая форма - нанотрубки. Фуллерены и нанотрубки – это обширные классы интереснейших наноструктур, т.е. структур, имеющих размеры порядка 10^-9 м. Фуллерены – это сферические, похожие на футбольный мяч, молекулы, образованные атомами углерода. Фуллеренов синтезировано уже очень много, от малых (С₂₀, С₂₈) до гигантских (С₂₄₀, С₁₈₄₀), даже многослойных, типа шарик в шарике (луковица). Из четырёхслойных фуллеренов С₆₀ – С₂₄₀ – С₅₄₀ – С₉₆₀ даже получают алмазы. Уже можно составить своего рода периодическую систему фуллереновых элементов, из которых формируются многие «фуллереновые вещества». Синтезированы фуллереновые полимеры, плёнки, кристаллы (фуллериты), допированые кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кристаллов. Например, фуллерен С₂₈ имеет ту же валентность, что и атом углерода и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза – гипералмаз.




Рис 4.4. Структура фуллеренов С₆₀ и С₇₀. Стенки пятичленных циклов, образующих фуллереновые шарики, состоят из одинарных связей, а у шестичленных циклов встречаются и двойные связи.

Другой большой класс наноструктур – углеродные (и не только углеродные) однослойные и многослойные нанотрубки. Синтезировано множество разнообразных нанотрубок, существуют их ассоциаты – «жгуты», кристаллы и т.п. Из нанотрубок получают очень интересные материалы, например, уникальной прочности нанобумагу, представляющую собой плотные плёнки из переплетённых, подобно растительным волокнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нити. Если же фуллерен запихнуть в нанотрубку, то получится ещё один класс углеродных структур – пипоид.




(а)


(б)


Рис.4.5. Нанотрубки, свёрнутые под углом 0^о (а) и под углом 30^о (б)

В пипоидах обнаружен эффект температурного р-п перехода. При комнатной температуре пипоид – полупроводник, с понижением температуры он становится проводником. На сегодня пипоиды – интересные и перспективные материалы для микро- и наноэлектроники, аккумуляторов водорода, высокотемпературных сверхпроводников.




а б

Рис 4.6. (а) Сценарий формирования пипоидов: диффузия фуллеренов через открытый конец (1) или через дефект стенки нанотрубки (2); (б) Модель смешанного пипоида Тi₈С₁₂&ВN-HT.

К сожалению, пока синтез нанотрубок и фуллеренов – довольно сложное и дорогое дело, вес производимых фуллеренов и нанотрубок исчисляется лишь десятками килограмм. Расходы на исследование по нанотехнологии растут опережающими темпами. Так, за 4 года, с 1998 по 2001, общие (без России) расходы на нанотехнологии возрасли с 434 млн. дол. США до 1267 млн. дол. США. Будем надеяться, что грандиозные ожидания, связанные с развитием этого нового направления науки, оправдаются.

Электроугольные изделия - щётки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов, угольные порошки для микрофонов, резисторы и др. изготавливают из графита, сажи и антрацита.

Щётки служат для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, т.е. для подвода ил отвода тока к коллектору или контактным кольцам. Различают щётки угольно-графитовые (УГ), графитовые (Г), электрографитированные, т.е. подвергнутые термической электрообработке – графитированию (ЭГ) и медно-графитовые – с содержание металлической меди (М и МГ), иногда дополнительно – олова и серебра. Щётки типа М и МГ обладают особенно малым электрическим сопротивлением.

Таблица 4.1

Типы щёток	Удельное сопротивление ρ, мкОм.м	Допустимая плотность тока, МА/м2	Допустимая линейная скорость, м/с
Т и УГ	18 – 60	6 – 8	10 - 15
Г	10 – 46	7 – 11	12 - 25
ЭГ	10 – 45	9 – 11	25 - 45
М и МГ	0,05 – 1,20	12 – 20	12 - 25