Конструкционные и электротехнические материалы средств медицинской электроники (КиЭТМСМЭ)

Конструкционные и электротехнические материалы средств медицинской электроники: Метод. указания и контр. задания для студ. спец. «Медицинская электроника» заоч. формы обуч. / Сост. Г.М. Шахлевич, В.В. Баранов, В.Ф. Холенков. - Мн.: БГУИР, 2005. - 22 с.

1. УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Рабочим планом дисциплины предусмотрено выполнение контрольной работы. Варианты заданий указываются преподавателем индивидуально каждому студенту во время установочной сессии. Задание включает вопросы и задачи по основным разделам курса.

При выполнении работ студенты изучают основы физико-химического материаловедения, методику выбора и назначения сталей, сплавов цветных металлов и неметаллических конструкционных материалов для изготовления конкретных деталей СМЭ, а также знакомятся со свойствами, технологией получения и областями применения основных групп материалов электронной техники и микроэлектроники.

Одновременно студент должен приобрести навыки пользования справочной литературой с тем, чтобы научиться в дальнейшем обосновывать выбор материала и технологии его обработки в курсовом и дипломном проектировании.

Ответы должны быть полными, отражать сущность вопроса и поясняться рисунками, графиками и диаграммами.

2. ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Вариант 1

1. Предмет материаловедения, специфические требования к материалам электронной техники и СМЭ. Технический прогресс в области получения и обработки материалов электронной техники и СМЭ. Какие задачи решает теоретическое и прикладное материаловедение?
2. По диаграмме состояния железо-цементит опишите (с применением правила фаз) превращения в сплаве, содержащем 1,6 % С, в интервале температур 0 - 1600 ⁰С, а также определите содержание углерода и количественное соотношение фаз при 1 350 ⁰С.
3.  Пластическая деформация моно- и поликристаллов (условия и механизмы, зависимость от дефектности структуры и др.). Ее влияние на структуру и свойства металлов и сплавов.

Вариант 2

1. Классификация материалов электронной техники и СМЭ. Основные группы и особенности применения конструкционных и электрорадиотехнических материалов СМЭ. Пользуясь методикой выбора материала по приоритетам свойств, обоснуйте применение феррита марки 2 000 НН в качестве магнитопровода трансформатора малой мощности на частоты до 20 кГц.
2. Приведите основные характеристики кристаллических решеток Fe_a и Fe_Y, вычислите изменение объема железа при его полиморфном превращении, если радиусы атомов Fe в ОЦК плотной упаковке г_Ощ = 0,1241 нм, а в ГЦК - Ггцк = 0,127 нм.
3. Сущность и назначение основных видов термической обработки. Изменение структуры и свойств при ТО сплавов без фазовых и полиморфных превращений (на примере сплавов алюминий-медь).

Вариант 3

1. Физическая сущность процесса первичной кристаллизации чистых расплавов (изменение свободной энергии, зародышеобразование, механизмы роста, влияние степени переохлаждения и внешних факторов).
2. Свойства железа. Основные фазы и структуры в системе Fe - С. Рассчитайте соотношение толщин пластинок феррита и цементита в субзерне пластинчатого перлита, если плотность Fe_a - 7,68 г/см³, а Fe₃C - 6,36 г/см³.
3. Требуется провести поверхностное упрочнение изделия из стали 20. Какие виды обработки можно для этого применить? Опишите одну из технологий и превращения, которые происходят при этом в материале.

Вариант 4

1. Природа металлической связи и основные особенности свойств металлов (типы кристаллических решеток, механические, электрические, тепловые, магнитные и другие свойства).
2. Условия образования твердых растворов с неограниченной растворимостью компонентов. По диаграмме состояния Au - Ag опишите взаимодействие компонентов в твердом состоянии, укажите структурные составляющие и с помощью правила Курнакова объясните характер изменения свойств сплава.
3. С помощью диаграммы состояния Fe - Fe₃C определите температуры нормализации, отжига и закалки для стали У10. Опишите микроструктуру и свойства стали после каждого вида обработки.

Вариант 5

1. Природа ковалентной и ионной связей. Особенности кристаллического строения, основные физико-химические свойства и применение ковалентных кристаллов (на примере графита, алмаза), ионных кристаллов (на примере оксидов алюминия и кремния).
2. На примере систем Fe - Ni и Fe - Si описать превращения в сплавах, компоненты которых обладают полиморфизмом. Диаграммы состояния тройных систем (концентрационный треугольник, изо- и политермические сечения и др.).
3. Причины возникновения внутренних напряжений при закалке. На примере углеродистых сталей приведите способы предотвращения образования закалочных микротрещин и напряжений.

Вариант 6

1. Кристаллические твердые тела. Особенности строения, виды и параметры кристаллических решеток, индексы Миллера, анизотропия свойств, поли- и изоморфизм.
2. Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения (постоянного и переменного состава, конгруэнтно и неконгруэнтно плавящиеся, сингулярные точки и др.). Описать превращения в сплавах системы Mg-Zn и зависимость их свойств от состава.
3. Укажите режимы и технологию отжига для получения перлитного ков - кого чугуна. Какие структурные превращения происходят при этом и как изменяются механические свойства материала?

Вариант 7

1. Механические свойства материалов в условиях статического нагружения. Методика испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Модули упругости и связь между ними.
2. Управление свойствами сплавов системы железо-цементит путем изменения их структуры и состава. Стали и чугуны. Определите состав сплава, содержащего 3,1 % С, по фазовым и структурным составляющим.
3. Термообработка сплавов с полиморфными превращениями (на примере системы Fe-С). Основные фазовые превращения в сталях при ТО. Превращение перлит-аустенит.

Вариант 8

1. Кристаллическое строение металлов и сплавов. На примере меди, алюминия и магния опишите строение и основные характеристики ОЦК, ГЦК и ГПУ кристаллических решеток.
2. Основные физико-химические свойства углеродистых сталей и чугунов. Влияние углерода и постоянных (технологических) примесей на их строение и свойства. Раскисление сталей.
3. Закалка сталей: критические точки, превращения при непрерывном и изотермическом охлаждении. Критическая скорость охлаждения. Структуры сорбита и троостита.

Вариант 9

1. Теплофизические свойства материалов (устойчивость к воздействию повышенных и пониженных температур, тепло- и температуропроводность, тепловое расширение и другие). Методы теплофизических испытаний.
2.  По диаграмме состояния железо-цементит опишите (с применением правила фаз) превращения в сплаве, содержащем 1,6 % С, в интервале температур 0 - 1 600 ⁰С, а также определите содержание углерода и количественное соотношение фаз при 1 350 ⁰С.
3. Термомеханическая и механотермическая обработка (НТМО, ВТНО и другие): сущность, назначение, технология. Упрочнение материалов методами пов ерхно стно - пластического де формирования.

Вариант 10

1.  Определение твердости по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу и Шору. Алюминиевый сплав Д1 имеет твердость 118НВ [кГс/мм ], бронза БрА7 - КГС180НВ, а сталь 45 - 350НВ. Чему равно их временное сопротивление о_В [МПа]?
2. Конструкционные машиностроительные стали специального назначения (высокопрочные, пружинные, износо-, коррозионно- и жаростойкие и др.). Стали с особыми физическими и химическими свойствами (криогенные, с заданным ТКЛР, кислотостойкие и др.).
3. Изделия из чугуна имеют близкие механические свойства (о_В = = 400 МПа, 5 = 3 - 4%), но разные формы графитовой составляющей: шаровую - в одном и комковатую - в другом. Укажите название чугунов и способы получения указанных форм графита.

Вариант 11

1. Поверхностные и объемные дефекты (природа, образование, влияние на свойства материалов). Роль границ зерен и объемных дефектов в процессах усталостного разрушения.
2. Классификация и маркировка сталей. Конструкционные машиностроительные стали: углеродистые обыкновенного качества и качественные, улучшаемые, цементуемые и др.
3.  Химико-термическая обработка: физико-химические основы, назначение, классификация и краткая характеристика основных видов (цементация, карбидирование, азотирование, нитроцементация и др.).

Вариант 12

1. Триботехнические характеристики материалов (прирабатываемость, износостойкость, коэффициент трения и др). Виды износа и факторы, его определяющие. Методы повышения износостойкости. Испытания на износ.
2. Материалы для металлорежущего и измерительного инструмента (углеродистые и легированные инструментальные, быстрорежущие, твердые сплавы и др.). Методы формообразования и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик инструментальных материалов.
3. Что такое технологическая анизотропия холоднодеформированного металла? Как она возникает, на какие свойства влияет и как устраняется?

Вариант 13

1. Классификация свойств материалов СМЭ. Основные функциональные, технологические и потребительские свойства и связь между ними. Методика
   
   выбора материала для конкретного применения на примере диэлектрика с высокими механическими и теплоизоляционными свойствами.
2. Конструкционные материалы на основе алюминия: свойства, классификация, применение. Деформируемые сплавы. По диаграмме состояния алюминий-медь опишите характер превращений и взаимодействия компонентов, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, объясните изменение свойств сплавов и механизм их дисперсионного упрочнения.
3. Фрезы изготавливаются из стали 9ХС. Укажите состав и группу, к кото - рой она относится, назначьте и обоснуйте режим упрочняющей ТО. Объясните, как влияют легирующие элементы на превращения, происходящие при ТО, микроструктуру и свойства стали.

Вариант 14

1.  Поведение материалов в магнитном поле: диа-, пара-, ферро- и ферри- магнетики. Влияние состава, структуры и внешних воздействий на свойства сильномагнитных материалов. Намагничивание, петля гистерезиса. Основные эксплуатационные характеристики ферро- и ферримагнетиков.
2. По диаграмме состояния железо-цементит опишите (с применением правила фаз) превращения и постройте кривую нагревания для сплава, содержащего 4,3 % С, в интервале температур 0 - 1300 ⁰С, а также определите содержание углерода и количественное соотношение фаз при 850 ⁰С.
3. Для изготовления шасси и лицевых панелей электронных приборов применяется сплав АМг3. Укажите его состав, назначение легирующих элементов и основные физико-химические свойства, метод проведения его упрочнения.

Вариант 15

1. Коррозионная стойкость - основная химическая характеристика материалов РЭС. Классификация коррозии (по механизму, виду разрушения, среде). Методы повышения коррозионной стойкости.
2.  Бронзы: свойства, классификация, применение. По диаграмме состояния медь-бериллий опишите характер превращений и взаимодействия компонентов, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы и объясните изменение свойств в зависимости от состава и механизм дисперсионного твердения сплавов.
3. Для изготовления ответственных деталей РЭС выбран сплав В95Т1. Укажите состав и основные физико-химические свойства, механизм и технологию упрочнения сплава.

Вариант 16

1. Виды диаграмм растяжения. Методика определения основных прочно- стых и пластических свойств материалов. Чему равен коэффициент Пуассона, модуль Юнга и модуль сдвига, если образец с d₀ = 2,2 мм и 1₀ = 100 мм упруго деформировался до d₁ = 1,97 мм и 1₁ = 127 мм. Модуль объемной упругости материала k = 1,87 10⁵ МПа.
2. По диаграмме состояния железо-цементит опишите (с применением правила фаз) превращения в сплаве, содержащем 0,83% С, в интервале температур 0 - 1600 ⁰С, а также определите содержание углерода в фазах и их количественное соотношение при 750 и 680 ⁰С.
3. Для изготовления деталей методом глубокой многооперационной вытяжки используется латунь Л68. Укажите состав, структуру и свойства сплава, назначьте и обоснуйте режим ТО, применяющейся между отдельными операциями вытяжки.

Вариант 17

1. Пластики на основе фенолформальдегидных смол: свойства, области применения, маркировка и сортамент. Технология пластмасс на основе фенолформальдегидных смол.
2. Поведение проводников в СВЧ-поле. Скин-эффект.

Определите глубину проникновения электрического поля в алюминиевый и железный проводники на частотах 400 и 10⁵ Гц. Считать: для Al - ц = 1, р = = 0,028 мкОм •м, для Fe - ц = 1000, р = 0,1 мкОм •м.

3. Аморфные магнитные материалы и ферромагнитные жидкости: физические свойства, методы получения, применение.

Вариант 18

1. Для элементов сопротивления выбран сплав копель МНМц 43-05. Ука - жите состав и группу, к которой он относится по назначению. Опишите структуру и физико-химические характеристики сплава. Какие материалы можно использовать в качестве его заменителей.
2.  Пробой диэлектриков: механизмы пробоя, влияние состава и внешних воздействий на электрическую прочность.

Определите запас по электрической прочности плоского конденсатора и толщину диэлектрика в нем, если емкость конденсатора 68 пФ, площадь обкладок 10 см , а рабочее напряжение 10 кВ. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика е = 6,5, Е_пр = 5 10 В/м.

3. Магнитомягкие сплавы на основе железа. Магнитные характеристики, маркировка, получение, применение.

Вариант 19

1.  Полиамиды и полиуретаны. Состав, свойства, применение в качестве конструкционных и электрорадиотехнических материалов.
2. Влияние примесей и дефектов структуры на электрофизические свойства проводников.

Удельное сопротивление медного проводника, содержащего 0,5 ат.% индия, равно 0,0234 мкОм-м. Определить концентрацию атомов индия в сплаве с р = 0,0298 мкОм-м, полагая, что все остаточное сопротивление обусловлено рассеянием на атомах примеси. (Использовать правила Маттисена и Линде).

3. Ферриты СВЧ-диапазона и магнитодиэлектрики.

Вариант 20

1. Контактная разность потенциалов и термоЭДС. Материалы для термопар.

Один спай термопары помещен в печь с Т = 200 ⁰С, другой находится при Т = 20 ⁰С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС 1,8 мВ. Чему будет равна термоЭДС, если второй спай поместить в сосуд: а) с тающим льдом; б) с кипящей водой? Удельную термоЭДС во всем температурном диапазоне считать постоянной.

2. Стекло и стекломатериалы (ситаллы, стекловолокниты и др.): свойства, классификация, получение, применение.
3. Электрофизические свойства полупроводников в сильных электрических полях. Эффекты поля.

Вариант 21

1. Тугоплавкие металлы и сплавы.

Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампочки при 20 ⁰С равно 35 Ом. Определить температуру нити, если в установившемся режиме ра-

3       1

боты при U = 220 В по ней проходит ток 0,6А. Считать а_р = a_R = 5 10 К" .

2. Эпитаксиальные структуры на основе Si, гомо- и гетероэпитаксия. Маркировка и применение эпитаксиальных структур.
3. Электроизоляционные компаунды, лаки и пропиточные вещества. Клеи и герметики.

Вариант 22

1. Собственные и примесные полупроводники. Статистика носителей заряда в полупроводниках.

Вычислить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при 250 К, если ширина его запрещенной зоны E_g = 1,12 эВ, а эффективные массы плотности состояний m_c = 1,05 m_o, m_v = 0,56 m_o.

2. Полимеры: классификация, структура, основные свойства, получение, применение.
3. Низкокоэрцитивные сплавы для слабых магнитных полей.

Вариант 23

1. Влияние легирования на свойства полупроводников. Основные легирующие элементы и методы легирования.

n-GaAs в качестве основной примеси содержит 10 ат. % Si и имеет р = 2 10 Омм при подвижности электронов p_n = 0,2 м /(В с). Полагая, что все атомы кремния электрически активны, определить, сколько их находится в узлах галлия и сколько - в узлах мышьяка. Плотность материала d = 5320 кг/м .

2. Электроизоляционная и конденсаторная керамика.
3. Каучуки и резины: свойства, классификация, применение. Вулканизация каучуков.

Вариант 24

1. Механизмы рекомбинации, время жизни носителей заряда в полупроводниках.

Определить время жизни и подвижность электронов в невырожденном Ge при Т = 300 К. Диффузионная длина электронов Ь_п = 1,5 мм, а коэффициент диффузии D_n = 9,8-10^-3 м^[1]/с.

2. Эпоксидные и кремнийорганические смолы и пластмассы на их основе.
3. Литые магнитотвердые материалы.

Вариант 25

1. Оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников. Фотопроводимость.

Определить скорость оптической генерации g неравновесных носителей заряда в Si на глубине 100 мкм от освещаемой поверхности при фото-возбуждении монохроматическим излучением интенсивностью I₀ = 10²⁰ м ^-2-с ^-1, если показатель поглощения материала на длине волны излучения а = 5-10⁴ м ^-1, а коэффициент отражения излучения R = 0,3.

2. Классификация диэлектриков. Активные и пассивные диэлектрики: основные свойства и применение.
3. Материалы с малой работой выхода и газопоглощающими свойствами.

Вариант 26

1. Термогальваномагнитные эффекты в полупроводниках. Эффект Холла.

Прямоугольный образец полупроводника n-типа с размерами 50 х 5 х 1 мм

помещен в однородное магнитное поле с индукцией В = 0,5 Тл. Вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости образца. Под действием напряжения и_а = 0,42 В, приложенного вдоль образца, по нему протекает ток 1_а = = 20 мА. Измерения показывают ЭДС Холла U_H = 6,25 мВ. Найти удельную электропроводность о, подвижность g и концентрацию n основных носителей заряда.

2. Сплавы высокого сопротивления для резисторов и нагревательных элементов.
3. Магниты из порошков и магнитотвердые ферриты. Магнитоэласты.

Вариант 27

1. Методы выращивания монокристаллических полупроводников.

Рассчитать количество сурьмы, необходимое для выращивания n-Ge с р =

= 0,01 Омм из расплава массой m_l = 4 кг. Распределение примеси по объему кристалла равномерное. Коэффициент распределения сурьмы между твердой и жидкой фазами k_sb = N_s/N_l = 3-10" (N_s, N_l - концентрация примесей в фазах),

3                                                                                                  2

плотность расплава d _l= 5600 кг/м , подвижность электронов g_n = 0,38 м /(В-с).

3. Классификация проводниковых материалов. Основные свойства и области применения проводников.

Вариант 28

1. Германий: свойства, методы получения, применение, маркировка.

В Ge диоде удельная проводимость р-области о_р = 10⁴ См/м, а удельная проводимость n-области о_п = 10² См/м. Подвижности электронов и дырок равны соответственно ^_n = 0,39 м /(В-с), ^_р = 0,19 м /(В-с). Вычислить контактную разность потенциалов в переходе при температуре Т = 300 К, если собственная концентрация n_; = 2,5-10 м" .

2. Электрофизические свойства тонких металлических пленок. Размерные эффекты.
3. Магнитно-твердые материалы на основе благородных и РЗМ-металлов.

Вариант 29

1. Ферро- и ферримагнетики. Свойства, классификация, применение.

Магнитная восприимчивость никеля при температурах 400 и 800 ⁰С равна

соответственно 1,25-10^-3 и 1,14-10^-4. Определить температуру Кюри и магнитную восприимчивость Ni при температуре 600 ⁰С (использовать закон Кюри - Вейса).

2. Материалы для твердотельных лазеров и оптоволоконных линий.
3. Силовые пластмассы (гетинакс, текстолиты) и армированные пластики.

Вариант 30

1. Материалы для постоянных магнитов и магнитных элементов промышленной частоты.

Катушка с ферритовым тороидальным сердечником диаметром 10 мм имеет индуктивность 0,12 Гн и содержит 1 000 витков. Определить ток в катушке, при котором магнитная индукция в сердечнике равна 0,1 Тл.

2. Кремний: основные свойства, методы получения полупроводникового кремния, маркировка.
3. Волокнистые непропитанные и пропитанные материалы (электротехническая бумага и картон, ткани и др.).

Вариант 31

1. Влияние влаги и загрязнений на диэлектрические свойства материалов.

Рассчитайте, насколько изменится диэлектрическая проницаемость конденсаторной бумаги с плотностью ё_б = 1 000 кг/м после пропитки ее конденсаторным маслом. Для целлюлозы е_ц = 6,5; ё_ц = 1500; е_в = 1; d = 0; е_м = 2,2. Использовать формулу Лихтеннекера для сложного диэлектрика в предположении, что компоненты включены последовательно.

2. Благородные металлы: свойства, получение, применение в РЭС.
3. Материалы с ППГ для магнитных запоминающих устройств.

Вариант 32

1. Потери в диэлектриках. Виды диэлектрических потерь.

Определите удельные электрические потери в плоском конденсаторе, изготовленном из пленки полистерола толщиной 20 мкм, если на него подано напряжение 2 В частотой 2 МГц. Для полистирола е = 2,5; tg 5 = 2-10^-4 .

2. Материалы для контактных и упругих элементов СМЭ.
3. Магнитострикционные и термомагнитные материалы.