Характеристика радиотехнических материалов

  Железо (III) может образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ – железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO₄)₂ – железоаммониевые квасцы и т.д.

  При действии газообразного  хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) – ферраты, например, феррат (VI) калия K₂FeO₄. 

  В сухом воздухе при температуре до 200°С железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла, это лежит в основе технического метода защиты железа – воронения. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe₂O₃∙nH₂O. 

  Электролитическое железо изготовляют электролизом раствора сернокислого или хлористого железа, причём анодом служит чистое железо, катодом  – пластина мягкой стали. Осаждённое на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг и переплавку в вакууме.

  Карбонильное  железо получают термическим разложение пентакарбонила железа согласно уравнению

     Fe (CO)₅ = Fe + 5CO.

  Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую воздействием оксида углерода на железо при температуре около 200°С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прессованных высокочастотных магнитных сердечников.

  Кремнистая  электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти к полному раскислению стали, что приводит к увеличению μ_{r н}, уменьшению H_c и к снижению потерь на гистерезис.

  Следует отметить и пермаллои – железоникелевые  сплавы, обладающие весьма большой  начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отстутствием у них анизотропии и магнитострикции. Различают высоконикелевые (70-83% Ni) и ни низконикелевые (40-50%) пермаллои. Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых и намного превосходит проницаемость электротехнических сталей. Однако при повышенных частотах предпочтительно использовать низконикелевые пермаллои, так как их удельное сопротивление почти в три раза выше, чем у высоконикелевых.

  В марках пермаллоев буква Н означает никель, К –  кобальт, М – марганец, Х –  хром, С - кремний, Д – медь. Дополнительная буква У означает сплав с улучшенными свойствами, П – с прямоугольной петлёй гистерезиса. Цифра в марке указывает процентное содержание никеля. Сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Из сплава 50НХС выполняют сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов. При толщине 0,02 мм – сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле. Тонкие ленты из пермаллоев различных марок используют в качестве материала для ячеек памяти.

  Альсиферы –  это сплавы железа с кремнием и  алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5% Si, 5,6% Al, остальное Fe. По своим характеристика альсиферы не уступают высоконикелевым пермаллоям, но отличаются твёрдостью и хрупкостью. Поэтому магнитные экраны, корпуса приборов и другие изделия из альсифера изготовляются методами литья с толщиной стенок не менее 2-3 мм из-за хрупкости сплава. Однако, благодаря той же хрупкости, альсифер можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления выскочастотных прессованных сердечников.

  В особую подгруппу  можно выделить материалы на основе железа, применение которых основано на наличии у них тех или иных особенностей магнитных свойств, которые определяются структурой и составом. К таким материалам можно отнести:

• сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряжённости поля;
• сплавы с сильной зависимостью манитной проницаемости от температуры;
• сплавы с высокой магнитострикцией;
• сплавы с особо высокой индукцией насыщения.

  К первым относится  сплав, получивший название перминвара, обычно он содержит 29,5% Fe, 45% Ni, 25% Co и 0,6% Mn.

  Ко вторым относятся  термомагнитные сплавы на основе Fe – Ni или Fe – Ni – Cr. Такие сплавы применяются для компенсации в установках температурной погрешности, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при которых производилась градуировка.

  К третьим относятся  сплавы с высокой магнитострикцией, это системы Fe – Pt, Fe – Co и Fe – Al. Явление магнитострикции используется в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний. Магнитострикционные вибраторы применяются в технологических установках по обработке ультразвуком хрупких и твердых материалов, в дефектоскопах, а также в устройствах преобразования механических колебаний в электрические.

  К четвёртым  относятся железокобальтовые сплавы, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, то есть большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Сплавы, содержащие 50-70% Со, называются пермендюрами. Вследствие высокой стоимости пермендюры применяются только в специализированной аппаратуре (в осциллографах, телефонных мембранах и т. п.).

  Широко применяются  в электро- и радиотехнике ферриты, которые представляют из себя магнитную керамику с незначительной электронной электропроводностью. Большое удельное сопротивление, превыщающее удельное сопротивление железа в 10⁶-10¹¹ раз обеспечивает относительно небольшие потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами. Ферриты состоят из оксидов железа и оксидов двухвалентных (реже одновалентных) металлов, соответствующих общей формуле MeO•Fe₂O₃, где Me – символ двухвалентного металла.

  Ферриты, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами и нашедшие техническое применение, представляют собой, как правило, твёрдые растворы нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных. Так, например, общая формула широко распространённых никель-цинковых ферритов имеет следующий вид:

     mNiO•Fe₂O₃ + nZnO•Fe₂O₃ + pFeO•Fe₂O₃,

где коэффициенты m,n,p определяют количественные соотношения между компонентами. Из ферритов методом прессовки могут быть изготовлены изделия сложной конфигурации с большим числом отверстий, в виде пластин, колец, стержней и т.д.

  Сплавы на основе железа применяются также для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объёмного коэффициента оксидации и при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную плёнку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Сплавы системы Fe – Ni – Cr назвываются нихромами или (при повышенном содержании железа) ферронихромами. Сплавы системы Fe – Cr – Al называются фехралями и хромалями.

  Для изготовления термопар железо используется в сочетаниях железо – константан и железо – копель. 

  Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень  малых количествах (в среднем  около 0,02%). Основная биологическая функция железа – участие в транспорте кислорода и в окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков – гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс – гем.

  Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

  Суточная потребность  человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла).   В организме среднего человека (массой около 70 кг) содержится 3,5-4,2 г железа, в 1 л крови – около 450 мг. Из общего количества железа 75% является главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов, катализируя процессы дыхания в клетках. Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине – важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. Именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

  Содержание  железа в воде более 1-2 мг/л значительно  ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, так как вызывает у человека аллергические реакции и может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). Предельно допустимая концентрация железа в воде 0,3 мг/л.

  При недостатке железа в организме развивается  железистая анемия, которую лечат  препаратами, содержащими железо. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие.

  В перечне веществ, канцерогенных для человека (Гигиенические  нормативы ГН 1.1.725-98) железо и его соединения отстутствуют. Однако производство чугуна и стали (агломерационные фабрики, доменное и сталеплавильное производство, горячий прокат) и литье из них отнесено к производственным процессам с доказанной для человека канцерогенностью. На таких производствах должен быть обеспечен контроль за предельно допустимыми концентрациями (ПДК) вредных веществ и предельно допустимыми уровнями (ПДУ) воздействия вредных факторов в производственной зоне.

  Антимонид галлия (GaSb)

  Антимонид галлия (стибнид галлия) GaSb, представляет собой светлосерые кристаллы с металлическим блеском, решётка кубическая типа сфалерита (а = 0,609593 нм). Полупроводник, относится к классу соединений A^IIIB^V. Ширина запрещённой зоны, найденная из оптических измерений 0,67-0,725 эВ (при 300 К), а найденная из электрических измерений 0,77-0,82 эВ (экстраполированная к 0 К). Подвижность электронов 4000 см²/(В·с), дырок 1420 см²/(В·с). Эффективная масса электронов проводимости m/m₀ = 0,047 из оптических измерений и m/m₀ = 0,05 из электрических измерений (m₀ – масса свободного электрона). Нелегированный антимонид галлия имеет дырочный тип проводимости, связанный с наличием в нём положительно заряженных комплексов точечных дефектов. Эти комплексы (GaSb.VGa) состоят из антиструктурного дефекта GaSb (атомы галлия на местах атомов сурьмы) и вакансии галлия GaSb.

  Температура плавления 712°С; плотность в твёрдом состояниии 5,6137 г/см3 при 20°С, в жидком состоянии (при температуре плавления) – 6,06 г/см³; тройная точка 385°С при давлении 5,58 ГПа; температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10^-6 К^-1; теплопроводность 35 Вт/(м·К) при 27°С.

  Для получения  антимонида галлия необходимы химические элементы галлий и сурьма. Галлий относится  к редким элементам, сопутствует  алюминию в бокситах и является побочным продуктом в производстве алюминия. При щелочной обработке боксита  галлий в форме галлатов переходит в раствор, который подвергают электролизу. Сверхчистый металл получают дальнейшей химической обработкой, кристаллизацией и зонной плавкой. Сурьму получают обжигом сульфидных руд с последующим восстановлением оксида углём:

2Sb₂S₃ + 9O₂ =^t° 6SO₂↑ + 2Sb₂O₃

Sb₂O₃ + 3C =^t° 2Sb + 3CO↑

  Антимонид галлия получают сплавлением галлия с 5%-ным  избытком сурьмы в атмосфере водорода или аргона, в кварцевых или графитовых контейнерах. Монокристаллы выращивают из расплава вытягиванием на затравку из-под инертного флюса по методу Чохральского в атмосфере водорода. Полученные таким образом монокристаллы обладают недостаточно высокой химической чистотой. Для очистки от летучих примесей (цинка, кадмия и т.п.) антимонид после синтеза подвергают вакуумной термообработке при 800°С и остаточном давлении 1,0·10^-4 мм.рт.ст. в течении 2 часов. При этом происходит потеря некоторого количества сурьмы за счёт испарения, именно поэтому для компенсации при синтезе берут избыток 5% сурьмы.

  После этого  GaSb гомогенизируют зонной плавкой. Для этого достаточно 2-4 проходов зоны во встречных направлениях со скоростью менее 2 см/ч.

  Антимонид галлия устойчив на воздухе, не растворяется в воде, слабо растворяется в концентрированной соляной кислоте, добавление азотной кислоты к соляной сильно увеличивает скорость растворения. Медленно взаимодействует с концентрированными растворами щелочей. При растворении в кислотах выделяется токсичный стибин SbH₃.

  Окисление антимонида галлия на воздухе начинается при  температуре выше 400°С. При окислении поверхность антимонида галлия адсорбирует значительно большее число атомов кислорода, чем другие соединения класса A^IIIB^V (за исключением антимонида алюминия).

  Диссоциация соединения с выделением паров сурьмы начинается после расплавления соединения в вакууме.