ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. П. ОГАРЁВА» Институт электроники и светотехники Кафедра источников света Доклад по материалам электронной техники «Алюминий. Свойства и применение алюминия» Автор доклада (подпись) (дата) И. А. Олейник Направление подготовки: Электроника и наноэлектроника Проверил канд. тех. наук (подпись) Саранск 2020 (дата) И. А. Баринова СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. Открытие и получение алюминия 2. Общие сведения и характеристика алюминия 3. Применение алюминия в электронной технике ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 2 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в электронике применяют сотни различных материалов с разнообразным сочетанием физических, физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств. Электрические и эксплуатационные параметры элементов электронной техники и аппаратуры в целом во многом определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены. Главная особенность материалов, используемых в электронике, заключается в том, что их электрические свойства очень чувствительны к природе химической связи, к атомной и электронной структурам, наличию примесей и структурных дефектов, однородности их распределения вплоть до очень локальных объемов. Роль материалов в электронике велика, как ни в какой другой области техники. Не случайно, что именно материалы часто используются в качестве классификационного признака при определении многих важных направлений электроники. В этой связи можно назвать полупроводниковую электронику, диэлектрическую электронику, магнитоэлектронику, сверхпроводящую электронику, пьезотехнику и другие. Изучение физической природы свойств материалов, поиск принципиальных путей управления этими свойствами, а также оптимизация состава и структуры материалов в целях достижения наилучшего сочетания свойств составляют научную сущность любого материаловедения, в том числе и электронного. 3 1 Открытие и получения алюминия Название элемента образовалось от лат. alumen — квасцы (двойные соли). Впервые алюминий был получен датским физиком Гансом Эрстедом в 1825 г. Он восстановил хлорид этого элемента амальгамой калия при нагревании и выделил металл. Позже способ Эрстеда был улучшен Фридрихом Вёлером, он использовал для восстановления хлорида алюминия до металла чистый металлический калий, и он же описал химические свойства алюминия. Впервые полупромышленным способом алюминий получил в 1854 г. Сент-Клер Девиль по методу Вёлера, заменив калий на более безопасный натрий. Год спустя на Парижской выставке 1855 г. он продемонстрировал слиток металла, а в 1856 г. получил алюминий электролизом расплава двойной соли хлорида алюминия-натрия. До развития широкомасштабного промышленного электролитического способа получения алюминия из глинозема этот металл был дороже золота. В России алюминий назвали в то время «серебром из глины», так как главной составной частью глины является глинозём Al2O3. Промышленный способ получения металла электролизом расплава Al2O3 в криолите разработали Ч. Холл и П. Эру в 1886 г. Соединения алюминия, например, двойная соль алюминия и калия — квасцы KAl(SO4)2 • 12H2O — известны и использовались с глубокой древности. Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами, восстановление алюминия до металла из природных оксидов и алюмосиликатов более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления всех его руд, например таких, как бокситы, корунды. Обычное восстановление до металла обжигом оксида с углеродом (как например, в металлургических процессах восстановления железа) — невозможно, так как сродство к кислороду у алюминия выше, чем у углерода. 4 Возможно получение алюминия посредством неполного восстановления алюминия с образованием промежуточного продукта — карбида алюминия Al4C3, который далее подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием металлического алюминия. Этот способ производства алюминия изучается, предполагается, что он более выгоден, чем классический электролитический способ производства алюминия процесс Холла — Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2. Современный метод получения, процесс Холла — Эру, был разработан американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии и поэтому получил промышленное применение только в XX веке. 5 2 Общие сведения и характеристика алюминия Общая характеристика атома алюминия. Если характеризовать рассматриваемый элемент по положению в периодической системе, то можно выделить несколько пунктов. Порядковый номер 13. Располагается в третьем периоде, третьей группе, главной подгруппе. Атомная масса - 26,98. Количество валентных электронов - 3. Металлические свойства выражены сильно. Изотопов в природе не имеет, существует только в одном виде, с массовым числом 27. Степень окисления одна, равна +3. Химические свойства алюминия полностью подтверждаются электронным строением его атома, ведь имея большой атомный радиус и малое сродство к электрону, он способен выступать в роли сильного восстановителя, как и все активные металлы. Алюминий как простое вещество. Если говорить об алюминии, как о простом веществе, то он представляет собой серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро окисляется и покрывается плотной оксидной пленкой. Тоже самое происходит и при действии концентрированных кислот. Наличие подобной особенности делает изделия из этого металла устойчивыми к коррозии. Поэтому данный металл находит такое широкое применение в промышленности, электронной технике и строительстве. Свойства вещества также интересны тем, что данный металл очень легкий, при этом прочный и мягкий. Сочетание таких характеристик доступно далеко не каждому веществу. Можно выделить несколько основных физических свойств, которые характерны для алюминия: Высокая степень ковкости и пластичности. Температура плавления - 660 ˚С. Температура кипения - 2450 ˚С. Плотность - 2,7 г/см3. Кристаллическая решетка объемная гранецентрированная, металлическая. Тип связи - металлическая. 6 По распространенности среди других элементов-металлов алюминий занимает первое место. Его в земной коре содержится от 7,5 до 8,8 %. Если же сравнивать с неметаллами, то место его будет третьим, после кислорода и кремния. Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Физические и химические свойства алюминия определяют области его применения и использования. 7 3 Применение алюминия в электронной технике Алюминий и ряд сплавов на его основе находят применение в электротехнике, благодаря хорошей электропроводности, коррозионной стойкости, небольшому удельному весу, и, что немаловажно, малой стоимости. Шинопроводы. Алюминий используется для сборных шин уже более 60 лет. Трубчатый алюминий используется исключительно для шин подстанций под напряжением 275 кВ и 400 кВ (газоизоляционная линия передачи - GIL) и все чаще используется на 132 кВ для реконструкции подстанций и реконструкции. Алюминий используется на крупных промышленных предприятиях, таких как плавильные и электрохимические заводы, из-за наличия больших секций литых полос (до 600 мм × 150 мм). Алюминий также используется в распределительных устройствах и растущих основных системах из-за его более легкого веса по сравнению с медью. Кабели и электропроводы. Именно алюминий является стандартным материалом для электрических проводников при передаче электрической энергии от всех электростанций и буквально до входа в дом или квартиру. Высоковольтные провода на опорах – это всегда алюминиевые провода. Это связано с тем, что алюминиевые провода в два раза легче медных. Алюминий дает возможность применять в два раза меньше опор, чем медь. Кроме того, от подстанций до распределительных трансформаторов алюминиевые кабели и провода также являются стандартными проводниками, как для воздушных, так и для подземных сетей. Однако для внутренней проводки зданий и помещений главным материалом проводов является медь. Российский нормативный документ «Правила устройства электроустановок» в 7-ой редакции от 2002 года (ПУЭ-7) категорично предписывает в пункте 7.1.34 в зданиях «применять кабели и провода с медными жилами». Для пита- 8 ющих и распределительных сетей, то есть проводов и кабелей от подстанций непосредственным потребителям, напротив, предписано применять, как правило, кабели и провода с алюминиевыми жилами, если их расчетное сечение равно 16 мм2 и более. Кроме того, питание такого инженерного оборудования зданий, как насосы, вентиляторы, калориферы, установки кондиционирования воздуха и т.п., также разрешается выполнять проводами или кабелем с алюминиевыми жилами сечением не менее 2,5 мм2. Обмотка из алюминиевой фольги. Алюминий является нормой для обмоток конденсаторов от наименьших типов, используемых в осветительной арматуре, до конденсаторов большой мощности. Обмотки фольги подходят для некоторых трансформаторов, реакторов и соленоидов. Толщина фольги колеблется от 0, 040 мм до 1, 20 мм за 34 шага. Получается лучший коэффициент пространства, чем для медной катушки с проволочной намоткой, алюминиевый проводник занимает около 90% пространства против 60% для медной проволоки. Нагрев и охлаждение обеспечивается лучшим пространственным фактором и меньшим количеством изоляции, необходимой для обмотки фольги. Быстрый радиальный теплообмен обеспечивает ровный температурный градиент. Недостатком алюминия является его более низкая механическая прочность, особенно с точки зрения изготовления концевых соединений обмоток. Поэтому тенденция заключалась в том, чтобы обратиться к использованию медной фольги для обмоток низкого напряжения с воздушной изоляцией. Алюминиевая фольга, однако, исключительно используется для обмоток HV трансформаторов с литой смолой, так как она имеет коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения, чем медь, которая, таким образом, уменьшает термические напряжения, возникающие при нагрузке. 9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Современный научно-технический прогресс в области электроники прежде всего связан с разработкой и использованием новых материалов. Надежность электронной аппаратуры, быстродействие, экономичность, рабочие температуры, стойкость к ударам, излучениям определяются не столько схемой и конструкцией, сколько использованными материалами. Практика постоянно предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств материалов. Именно поэтому материалы постоянно совершенствуются и используются наиболее компромиссные и технологичные решения. 10 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1.Легостаев Н. С. Л 387 Материалы электронной техники: учеб. пособие / Н.С. Легостаев. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2014. – 239 с. 2.Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2 т. Т. 1. Проводники, полупроводники, диэлектрики: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.С. Сорокин, Б.Л. Антипов, Н.П. Лазарева. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 448 с. 3. https://fb.ru/article/190101/alyuminiy-svoystva-himicheskie-i-fizicheskie 11