Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВАРИАНТ 9
|
Порядок выполнения ДКР |
ПРОВОДНИКИ |
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
ДИЭЛЕКТРИКИ |
|
1. Название материала, химический символ |
Титан, Тi |
Теллурид цинка, ZnTe |
Стеклотекстолит |
|
2. Проводник, полупроводник, диэлектрик |
проводник |
полупроводник |
диэлектрик |
|
3. Строение атома (молекулы), тип структуры |
Тита́н / Titanium (Ti), 22 Электронная конфигурация [Ar] 3d2 4s2 Радиус атома 147 пм Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883°C |
Для теллурида цинка характерно явление политипии и в зависимости от условий они кристаллизуются в кубической структуре типа сфалерита или гексагональной типа вюрцита. Химическая связь носит смешанный ковалентно - ионный характер. Ионная составляющая связи в этом соединении достигает 70%. По мере увеличения содержания Те – теллура характер химимической связи изменяется от ионной и металлической к ковалентной, образуются слоистые псевдомолекулярные структуры. |
Для стеклообразного полупроводникового материала, который можно рассматривать как особый вид аморфного вещества, характерным является наличие пространственной решетки, в которой кроме ковалентно связанных атомов имеются полярные группировки ионов. В таких материалах связь между группами атомов и ионов осуществляется за счет короткодействующих ковалентных ван-дер-ваальсовых сил. Стеклообразные полупроводниковые материалы характеризуются разориентированностью структуры и ненасыщенными химическими связями. |
|
4. Относительная атомная (молекулярная) масса |
47,88 а. е. м. (г/моль) |
192,99 а. е. м. |
- |
|
5. Способы получения |
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом. Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4: TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl4 + 2CO Образующиеся пары TiCl4 при 850°C восстанавливают магнием: TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку. |
Синтезируют ZnTe либо сплавлением компонентов в инертной атмосфере, либо при нагревании смеси ZnO с Те и щавелевой кислотой. Монокристаллы выращивают направленной кристаллизацией расплава или вытягиванием по Чохральскому. Используют также осаждение из газовой фазы - путем возгонки, взаимодействующих паров компонентов или транспортными реакциями. Пленки получают из газовой фазы. |
Стеклотекстолит получают методом горячего прессования уложенных правильными слоями в пакеты полотнищ стеклоткани, которую предварительно пропитывают растворами фенолоформальдегидных смол и подсушивают. Выпускают в виде листов длиной 2400 мм, шириной 600÷1200 мм и толщиной 9÷35 мм. Для получения стеклопластиков стеклянные волокна пропитывают смолой. Стеклянные волокна применяют в виде жгута (штапельные волокна, идущие в одном направлении, иногда предварительно напряженные), ткани (волокна в двух перпендикулярных направлениях, причем в каждом направлении их число различно) и, наконец, в виде холста (с произвольной ориентацией волокон). Для пропитки используют полиэфирные, мочевиномеламиноформальдегидные и эпоксидные смолы, последние, правда, значительно дороже, но воспринимают намного большее количество наполнителя, обладают иными электрическими свойствами и т.д. |
|
6. Физические свойства: |
Титан — легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å[; z=2; пространственная группа C6mmc), β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883°C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок. При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионно стойкий в большинстве сред (кроме щелочной). Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400°C |
Теллурид цинка - тугоплавкое соединение; с повышением содержания Те -теллура в теллуриде, его устойчивость понижается. Теллурид цинка ZnTe обладает электролюминесцентными и фоторезистивными свойствами. |
Стеклотекстолит представляет собой слоистый стеклопластик, отличающийся особой упругостью и износостойкостью. Главное преимущество данного материала – высокая механическая прочность. Стеклотекстолит долговечен, стойкий к истиранию и воздействию химических реагентов, он отличается низким водопоглощением и хорошими диэлектрическими характеристиками. По прочности, теплостойкости и стойкости к контакту с агрессивными средами данный материал значительно превосходит текстолит. Прочность обычного стеклопластика при растяжении приближается к прочности стали — нагрузку воспринимают стеклянные волокна. Напряжения сжатия воспринимает смола, обладающая относительно высокой прочностью — около 30 % прочности стали. Показатели продольного сжатия, динамической нагрузки и стойкости такой конструкции ниже, поэтому, применяя стеклопластик как конструкционный материал, следует учитывать его свойства. Для повышения прочности при растяжении стремятся применить максимум стеклянных волокон и минимум смолы; однако каждое волокно должно быть покрыто смолой, непропитанных мест быть не должно. Воздушные пузырьки снижают прочность материала. В связи с этим прочность стеклопластика, полученного под высоким давлением, гораздо выше, чем прочность материала, изготовленного без давления. В обычных условиях можно добиться объемного содержания стеклянных волокон до 50 %. Плотность стекловолокна равна 2,54 т/м3, смолы — 1,27 т/м3, т. е. при отношении 50:50 плотность стеклопластика равна 1,91 т/м3. Поскольку плотность стали равна 7,85 т/м3, стеклопластик той же массы выдержит нагрузку в 4 раза выше, чем сталь. |
|
-температура плавления |
1660±20°C, |
13050С |
- |
|
-температура кипения |
3260°C |
- |
- |
|
-удельная теплопроводность |
22,065 Вт/(м·К) в интервале 20-25°С [0,0527 кал/(см·сек·°С) |
18,0 Вт/(м·К) |
0,3 Вт/(м К) |
|
-плотность |
α-Ti 4,505 г/см3 (20°C) β-Ti 4,32 г/см3 (900°C) атомная плотность 5,71×1022ат/см³ |
5,72 г/см3 |
1,60-1,90 г/см3 |
|
-удельное электросопротивление |
0,42 мкОм·м при 20°C В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины – 15, а титана – всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство, как и немагнитность титана, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники. |
106 Ом м |
1010÷1013 Ом м |
|
-магнитные свойства |
Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10-6 при 20 °С. Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы . |
Теллурид цинка относится к полупроводникам. Бинарный сложный полупроводник типа AIIBVI (Zn - цинк –II группа периодической системы Д.И. Менделеева, Те – теллур –VIгруппа). Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. |
Стеклотекстолит-диэлектрик. С точки зрения квантовой теории диэлектриках (стеклотекстолите) верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, которую электроны под действием обычных (не слишком сильных) электрических полей преодолеть не могут. Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, что приводит к поляризации диэлектрика. Резкой границы между диэлектриками и полупроводниками провести нельзя. |
|
7. Химические свойства: |
Чистый титан - химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки. |
Устойчив на воздухе. Порошкообразный разрушается водой. В органических растворителях не растворяется, минеральными кислотами разлагается с выделением Н2Те. |
Стеклотекстолит стоек к химическому воздействию, в том числе к концентрированным кислотам и щелочам. |
|
-взаимодействие с кислородом |
С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием ТiO2. Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной пленки путем удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках. Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Ti+O2=TiO2 |
В атмосфере кислорода О2 теллурид цинка окисляется с образованием окси-теллурида, а при нагревании дает оксиды металлов ТеО2 и ZnO: ZnTe+O2=Zn2O4Te Zn2O4TeZnO+TeO2 |
- |
|
-взаимодействие с водородом |
При нагревании Ti поглощает водород H2 с образованием соединения переменного состава TiHх (x=1,0). Титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, TiH2). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2 Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практическое использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400°С и выше. Растворимость водорода в Титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме Ti+2H2FTiH4 |
Водород является инертной средой для теллурида цинка. В специальной технологической установке, можно осуществить газотранспортную реакцию: ZnTe(т) + H2(г) = Zn(г) + H2Te(г) |
- |
|
-взаимодействие с галогенами (хлор, бром, йод, фтор) |
Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора. При нагревании Ti взаимодействует с галогенами.
Ti+2Cl2=TiCl4 Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется сильным гидролизом TiCl4 содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана. В соединении с галогенами титан проявляет степени окисления +4, + 3, +2 и очень редко +1, связь Ti—X преим. ковалентная, ее полярность возрастает с увеличением радиуса галогена. |
- |
- |
|
-взаимодействие с простыми веществами (сера, азот, углерод, бор, фосфор) |
Соединения Ti с другими неметаллами чаще всего относятся к соединениям внедрения атомов неметаллов малых размеров ( В, С, N, О, Si) в междоузлия решетки Ti. С азотом N2 выше 400°C титан образует нитрид TiNx(x=0,58-1,00). Ti+N2=TiN2(х) С азотом Титан реагирует при температуре выше 700 °С, причем получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки. Титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки. При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiCx (x=0,49-1,00). Ti+C=TiC(х) Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид TiC (tпл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; TiO2+C=TiC+CO2 Спеканием порошков Ti и В (бора)в атмосфере Аг (аргона) при 2000 °С или в вакууме при 1800—2000°С выделены бориды: Ti2B, TiB2 и TiB (изоморфен TiC, TiN и TiO, образует с ними непрерывные твердые растворы). 2Ti+B=Ti2B Ti+2B=TiB2 Ti+B=TiB Для титана известны сульфиды, селениды и теллуриды. Ti+2S=TiS2 |
- |
- |
|
-взаимодействие с водой |
- |
Порошкообразный теллурид цинка разлагается водой ZnTe+4H2OZn(OH)2+Te(OH)2+2H2 |
- |
|
-взаимодействие со щелочами |
В концентрированных растворах щелочей порошок титана растворяется с выделением Н2 и образованием солей ортотитановой кислоты ТiO2·2Н2О Ti+4NaOH(конц.)=Na4TiO4+2H2 |
- |
- |
|
-взаимодействие с кислотами (концентрированная и разбавленная серная кислота, концентрированная и разбавленная азотная кислота, соляная кислота, «царская водка») |
Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание титана, причем реакция иногда идет со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная НСl, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органические кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с титаном. Ti+4HCl(конц)=TiCl4+2H2 Ti+4H2SO4(конц.)=Ti(SO4)2+2SO2+4H2O Фтористоводородная кислота с титаном независимо от концентрации реагирует при 25 °С, присутствие фторид - ионов способствует растворению титана и в других кислотах из-за образования комплексного аниона [TiF6]2- |
1. Взаимодействие с кислотами:
ZnTe+2HNO3=Zn(NO3)2+H2Te
ZnTe+H2SO4=ZnSO4+H2Te
ZnTe+2HCl=ZnCl2+H2Te |
- |
|
8. Склонность к сплавообразованию |
Титан образует сплавы со многими металлами. Титан образует сплавы со всеми металлами, кроме щелочно - земельных и щелочных. Большинство металлов при растворении в титане понижает температуру перехода α ↔β и стабилизирует β -фазу. |
Теллурид цинка-кадмия (CdZnTe) используются для изготовления электрооптических модуляторов, приемников радиационного и ИК- излучения и других оптических элементов ИК- оптических систем. Тройные полупроводниковые соединения образуются при возникновении sp3-гибридных связей и характеризуются тетраэдрическим расположением атомов в пространстве. Кристаллизуются в структуру сфалерита, вюрцита, халькопирита, но в одной из подрешеток содержатся атомы двух сортов, размещенные либо упорядоченно, либо неупорядоченно. В случае неупорядоченного размещения атомов двух сортов в соответствующей решетке возникает структура сфалерита или вюрцита, в случае упорядоченного размещения кубическая решетка испытывает тетрагональное искажение и возникает структура халькопирита (антихалькопирита), которую можно рассматривать как удвоенную вдоль оси с в направлении ячейки сфалерита. |
Стеклотекстолит не склонен к образованию сплавов. |
|
9. Стойкость к коррозии |
На воздухе титан покрывается защитной оксидонитридной пленкой, обусловливающей его высокую коррозионную стойкость к воздуху (до 500 °С), морской воде, разбавленным растворам H2SO4, HCl и щелочей. Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. |
Теллурид цинка устойчив к коррозии. |
Стеклотекстолит, как диэлектрик, совершенно не подвергается электрохимической коррозии. Стеклопластики обладают стойкостью к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей. Для стеклопластика характерно сочетание высоких атмосферо-, водо- и химстойкости. |
|
10. Применение материала, его соединений и сплавов на его основе в электронной технике |
Основные преимущества титана перед другими конструкционными металлами: сочетание легкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (т. е. прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство сплавов на основе других металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов. Однако как самостоятельный конструкционный материал Титан стал применяться только в 50-е годы 20 века в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Титан условно относили к редким металлам). Основная часть Титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Сплавы Титана с железом, известные под названием "ферротитан" (20-50% Титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование Титана дает во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). В условиях глубокого холода прочность Титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Из соединений Титана практическое значение имеют оксиды, галогениды, а также силициды, используемые в технике высоких температур; бориды и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Титана, обладающий высокой твердостью, входит в состав инструментальных твердых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала. Титан является легирующей добавкой в некоторых марках стали. Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий. Диборид титана — важный компонент сверхтвёрдых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов. Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов —- сегнетоэлектрики. Титанат бария, будучи наэлектризован, проявляет высокие пьезоэлектрические свойства, т.е. может превращать механическую энергию сжатия или расширения кристалла в электрическую. Пьезокристаллы титаната бария по многим характеристикам превосходят такие распространенные пьезоэлектрики, как кварц и сегнетова соль. Разработаны материалы, которые будучи, сильно деформированными на холоде, при нагревании вновь принимают первоначальную форму. Один из таких «памятливых» материалов представляет собой интерметаллическое соединение титана и никеля, отличающееся высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Проволоке из этого материала можно придать форму радиоантенны и сжать ее в небольшой шар. После нагревания этот шар снова превратится в антенну. В вакуумной промышленности и в радиотехнике титан используется в качестве геттера. |
Теллурид цинка ZnTe, в зависимости от способа получения, – серый порошок, краснеющий при растирании, или красные кристаллы, используется как материал для фоторезисторов, приемников инфракрасного излучения, дозиметров и счетчиков радиоактивного излучения. Кроме того, он служит люминофором и полупроводниковым материалом, в том числе в лазера. В акустооптике теллуриды используют как лазерные материалы, материалы для фотоприемников (теллуриды цинка, Cd, Hg, Pb и т.д.), а в акустоэлектронике - для создания усилителей, тензодатчиков и т.д. Высокая чувствительность теллуридов к различным излучениям (рентгеновскому, радиоактивному, ИК и т.д.) обусловливает их применение как детекторов для измерения напряженности магнитных полей и т.д. Теллуриды можно использовать для регистрации и хранения оптической информации в голографии. ZnTe - материал для фоторезисторов, приемников ИК излучения, дозиметров и счетчиков радиоизлучения, люминофор, полупроводниковый материал, в т. ч. в лазерах. |
Стеклотекстолит применяется как поделочный материал для изготовления изделий (деталей автомобилей, корпусов приборов и др. конструкций). Электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике. Атмосферо-, водо-, химостойкий. Из фольгированного стеклотекстолита путем химического травления изготовливают электронные платы, таблички, термостойкие подставки и т. д. Покрытый медной фольгой стеклотекстолит широко используют для производства электронных плат. Кроме этого самые различные детали из стеклотекстолита используются при производстве трансформаторов и электродвигателей различного назначения. |
|
11. Концерогенность и опасность для здоровья. |
Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация - около 10-4% , в морских - от 1,2·10-3 до 8·10-2%, в тканях наземных животных - менее 2·10-4%, морских - от 2·10-4 до 2·10-2%. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезенке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно). |
Исследования в области воздействия теллурида цинка на человеческий организм не проводились. |
Стеклотекстолит не токсичный материал, не взрывоопасен, но относится к горючим материалам. Температура воспламенения +340°C – +500°С, а температура самовоспламенения +505°C – +600°С. При механической обработке выделяется пыль из стекловолокна, поэтому рабочее помещение должно быть оборудовано по всем нормам пожарной безопасности. Выполняться работы со стеклотекстолитом должны в спецодежде, в соответствии с отраслевыми нормами. Согласно ГОСТ 25500-82 стеклотекстолит листовой должен храниться в горизонтальном положении на расстоянии не менее 50 мм от пола. Помещение для хранения должно быть закрытое, сухое, температура воздуха в помещении от -10°C до +35°C, а относительная влажность воздуха не должна превышать 80%. |