Най-високата точка на топене на метала - Кои метали са лесни за топене (за предпочитане леки и здрави), за да можете да ги топите у дома. Най-огнеупорният метал Най-високата точка на топене на метал

Използвайки мощен компютърни модели, изследователи от университета Браун са идентифицирали материал с точка на топене, по-висока от всяко известно вещество. Изчисленията показват, че материал, направен от хафний, азот и въглерод, би имал точка на топене над 4400 K. Това е около две трети от температурата на повърхността на Слънцето и 200 K по-висока от най-високата точка на топене, регистрирана някога в експериментирам.

По-рано беше експериментално потвърдено, че вещество, направено от елементите хафний, тантал и въглерод (HF-Ta-C), има рекордна точка на топене. Изчисленията, представени в списанието Physical Review B, показаха, че материал, направен с определен състав хафний, азот и въглерод (HF-N-C) ще имат точка на топене над 4400 K, което е с 200 K по-високо от експерименталния резултат. Направените изчисления показват, че оптимален съставматериал от хафний, азот и въглерод - HfN 0,38 C 0,51. Следващата стъпка на изследователите ще бъде да синтезират материал, за да потвърдят констатациите на лабораторията.

„Предимството на изчислителния подход е, че можете да разгледате рентабилно много различни комбинации и да намерите тези, които си струва да експериментирате в лабораторията“, каза Аксел ван де Вале, съавтор на изследването.

Изследователите са използвали изчислителен метод, при който точката на топене се изчислява чрез симулиране на физически процеси на атомно ниво, следвайки закона квантова механика. Динамиката на топене се изследва в наномащаб, в блокове от около 100 атома. Изследователите започнаха с анализ на материала HF-Ta-C, за който точката на топене вече беше определена експериментално. Симулациите успяха да изяснят някои от факторите, които допринасят за способността на материала да издържа на топлина.

Работата показа, че HF-Ta-C съчетава висока топлина на топене (освободената или погълната енергия, когато се промени от твърдо в течно) с малка разлика между ентропията на твърдата и течната фази.

След това изследователите използваха тези открития, за да търсят съединения, които биха могли най-добре да отговорят на тези изисквания. Те откриха, че съединение от хафний, азот и въглерод би имало подобна висока точка на топене, но по-малка разлика между ентропията на твърдото вещество и течността. Когато изчислиха точката на топене, тя се оказа с 200 K по-висока от тази, получена в експеримента за HF-Ta-C.

Точки на топене на Ta-HF-C-N сплави. Запълнените кръгове показват изчислените температури на топене в системите HF-C и Hf-C-N, а отворените кръгове показват данни за системата Ta-HF-C за сравнение.

Работата може в крайна сметка да посочи нови висококачествени материали за приложения, вариращи от покрития за газови турбини до части за високоскоростни самолети. Дали този нов материал ще стане HfN 0,38 C 0,51 все още не е ясно, казват изследователите.

Волфрамов метал

Най-огнеупорният метал, волфрамът (волфрам), е получен през 1783 г. Испанските химици братя д'Елуяр го изолират от минерала волфрамит и го редуцират с въглерод. В момента суровините за производството на волфрам са волфрамитни и шеелитни концентрати - WO3. Волфрамовият прах се получава в електрически фурнипри температура 700-850 °C. Самият метал се произвежда от прах чрез пресоване в стоманени форми под налягане и допълнително термична обработказаготовки Последната точка е, че нагряването до приблизително 3000 °C става чрез преминаване на електрически ток.

Индустриално приложение

Волфрамът дълго време не намери индустриално приложение. Едва през 19 век те започват да изучават влиянието на волфрама върху свойствата на стоманата от различен характер. В началото на ХХ век волфрамът започва да се използва в електрически крушки: нишка, изработена от него, се нагрява до 2200 °C. В това си качество волфрамът е незаменим в наше време.

Волфрамовите стомани се използват и в отбранителната промишленост - за производство на танкова броня, торпеда и снаряди, най-тънките части на самолети и др. Инструментът, изработен от волфрамова стомана, може да издържи на най-интензивните металообработващи процеси.

Волфрамът се отличава от всички останали метални братя със своята специална огнеупорност, тежест и твърдост. Чистият волфрам се топи при 3380 °C, но кипи само при 5900 °C, което съвпада с температурата на повърхността на Слънцето.

От един килограм волфрам можете да направите тел с дължина 3,5 км. Тази дължина е достатъчна за производството на нишки за 23 000 60-ватови електрически крушки.

Металите са сред най-разпространените материали, заедно със стъклото и пластмасата. Те са използвани от хората от древни времена. На практика хората са научили свойствата на металите и са ги използвали изгодно за направата на съдове, предмети от бита, различни конструкции и произведения на изкуството. Основните характеристики на тези материали са тяхната огнеупорност и твърдост. Всъщност от тези качества зависи тяхното приложение в определена област.

Физични свойства на металите

Всички метали имат следните общи свойства:

Цвят - сребристосив с характерен блясък. Изключенията са: мед и злато. Те се отличават съответно с червеникав и жълт оттенък.
Агрегатното състояние е твърдо, с изключение на живака, който е течност.
Топлинната и електрическата проводимост се изразява по различен начин за всеки тип метал.
Пластичността и ковкостта са променливи параметри в зависимост от конкретния метал.
Точки на топене и кипене - установява огнеупорност и топимост, има различни стойности за всички материали.

Всички физични свойстваметалите зависят от структурата на кристалната решетка, нейната форма, здравина и пространствено разположение.

Огнеупорност на металите

Този параметър става важен, когато възниква въпросът за практическото използване на металите. За такива важни отрасли национална икономика, като самолетостроенето, корабостроенето, машиностроенето, основата е огнеупорни метали и техните сплави. В допълнение, те се използват за производството на високоякостни работни инструменти. Много важни части и продукти се произвеждат чрез леене и топене. Според якостта си всички метали се делят на крехки и твърди, а според огнеупорността си се делят на две групи.

Огнеупорни и нискотопими метали

Огнеупорни - температурата им на топене надвишава точката на топене на желязото (1539 °C). Те включват платина, цирконий, волфрам, тантал. Има само няколко вида такива метали. На практика те се използват още по-малко. Някои не се използват, защото имат висока радиоактивност, други са твърде крехки и нямат необходимата мекота, трети са податливи на корозия, а има и други, които не са икономически изгодни. Кой метал е най-огнеупорен? Точно това ще бъде обсъдено в тази статия.
Нискотопимите метали са метали, които при температура, по-ниска или равна на точката на топене на калая 231,9 °C, могат да променят своето агрегатно състояние. Например натрий, манган, калай, олово. Металите се използват в радио и електротехниката. Често се използват за антикорозионни покрития и като проводници.

Волфрамът е най-огнеупорният метал

Това е твърд и тежък материал с метален блясък, светлосив на цвят и висока огнеупорност. Машинна обработкатрудно се поддава. При стайна температура е чуплив метал и се чупи лесно. Това се дължи на замърсяване с кислородни и въглеродни примеси. Технически чистият волфрам става пластичен при температури над 400 градуса по Целзий. Проявява химическа инертност и реагира слабо с други елементи. В природата волфрамът се среща под формата на сложни минерали, като например:

шеелит;
волфрамит;
ферберит;
хюбнерит.

Волфрамът се получава от руда чрез сложна химическа обработка в прахообразна форма. С помощта на методи за пресоване и синтероване се произвеждат части и пръти с проста форма. Волфрамът е много устойчив на температура елемент. Следователно те не можаха да омекотят метала в продължение на сто години. Нямаше пещи, които да загряват до няколко хиляди градуса. Учените са доказали, че волфрамът е най-огнеупорният метал. Въпреки че има мнение, че според теоретичните данни сеаборгията има по-голяма огнеупорност, това не може да се твърди твърдо, тъй като е радиоактивен елемент и има кратък живот.

Историческа информация

Известният шведски химик Карл Шееле, който е имал професията на фармацевт, открива манган, барий, хлор и кислород в малка лаборатория, провеждайки множество експерименти. И малко преди смъртта си през 1781 г. той открива, че минералът волфрам е сол на неизвестна тогава киселина. След две години работа неговите ученици, двамата братя д'Елуяр (испански химици), изолират нов химичен елемент от минерала и го наричат волфрам. Само век по-късно волфрамът - най-огнеупорният метал - направи истинска революция в индустрията.

Режещи свойства на волфрама

През 1864 г. английският учен Робърт Мушет използва волфрам като легираща добавка към стоманата, която може да издържи на червена топлина и допълнително да увеличи твърдостта. Фрезите, които са направени от получената стомана, увеличават скоростта на рязане на метала с 1,5 пъти и тя става 7,5 метра в минута.

Работейки в тази посока, учените получиха нови технологии, увеличаващи скоростта на обработка на метали с помощта на волфрам. През 1907 г. се появява ново съединение от волфрам с кобалт и хром, което става основател на твърди сплави, способни да увеличат скоростта на рязане. В момента тя се е увеличила до 2000 метра в минута и всичко това благодарение на волфрама - най-огнеупорния метал.

Приложения на волфрам

Този метал има относително висока цена и е труден за механична обработка, така че се използва там, където е невъзможно да се замени с други материали с подобни свойства. Волфрамът перфектно издържа на високи температури, има значителна якост, надарен е с твърдост, еластичност и огнеупорност, поради което намира широко използванев много области на индустрията:

Металургичен. Той е основният потребител на волфрам, който влиза в производството високо качестволегирани стомани.
Електротехнически. Точката на топене на най-огнеупорния метал е почти 3400 °C. Огнеупорността на метала позволява да се използва за производството на нишки с нажежаема жичка, куки в осветителни и електронни лампи, електроди, рентгенови тръби и електрически контакти.

Машинно инженерство. Поради повишената якост на стоманите, съдържащи волфрам, се произвеждат твърди ковани ротори, зъбни колела, колянови валове и биели.
Авиация. Кой е най-огнеупорният метал, използван за производство на твърди и топлоустойчиви сплави, от които се изработват части от авиационни двигатели, електрически вакуумни устройства и нажежаеми нишки? Отговорът е прост - това е волфрам.
пространство. Струйните дюзи се произвеждат от стомана, съдържаща волфрам, отделни елементиза реактивни двигатели.
Военен. Високата плътност на метала позволява да се произвеждат бронебойни снаряди, куршуми, бронезащита за торпеда, снаряди и танкове, гранати.
химически. За филтърни мрежи се използва устойчива волфрамова тел срещу киселини и основи. Волфрамът се използва за промяна на скоростта на химичните реакции.
Текстил. Волфрамова киселина се използва като боя за тъкани, а натриевият волфрамат се използва за направата на кожа, коприна, водоустойчиви и огнеустойчиви тъкани.

Горният списък с употреби на волфрам в различни области на индустрията показва високата стойност на този метал.

Получаване на сплави с волфрам

Волфрамът, най-огнеупорният метал в света, често се използва за производство на сплави с други елементи за подобряване на свойствата на материалите. Сплавите, които съдържат волфрам, обикновено се произвеждат с помощта на технология на праховата металургия, тъй като конвенционалният метод превръща всички метали в летливи течности или газове в точката им на топене. Процесът на синтез се извършва във вакуум или аргонова атмосфера, за да се избегне окисляването. Смес от метални прахове се пресова, синтерова и разтопява. В някои случаи се пресова и синтерова само волфрамов прах, след което порестият детайл се насища със стопилка от друг метал. По този начин се получават сплави на волфрам със сребро и мед. Дори малки добавки от най-огнеупорния метал повишават устойчивостта на топлина, твърдостта и устойчивостта на окисление в сплави с молибден, тантал, хром и ниобий. Пропорциите в този случай могат да бъдат абсолютно всякакви в зависимост от нуждите на индустрията. По-сложните сплави, в зависимост от съотношението на компонентите с желязо, кобалт и никел, имат следните свойства:

не избледняват във въздуха;
имат добра химическа устойчивост;
имат отлични механични свойства: твърдост и устойчивост на износване.

достатъчно сложни връзкиобразува волфрам с берилий, титан и алуминий. Отличават се със своята устойчивост на окисление при високи температури, както и топлоустойчивост.

Свойства на сплавите

На практика волфрамът често се комбинира с група други метали. За производството на хирургически инструменти се използват волфрамови съединения с хром, кобалт и никел, които имат повишена устойчивост на киселини. А специалните топлоустойчиви сплави, в допълнение към волфрама - най-огнеупорния метал, съдържат хром, никел, алуминий и никел. В състава са включени волфрам, кобалт и желязо най-добрите маркимагнитна стомана.

Най-топимите и огнеупорни метали

Към нискотопимите метали спадат всички метали, чиято точка на топене е по-ниска от тази на калая (231,9 °C). Елементите от тази група се използват като антикорозионни покрития, в електротехниката и радиотехниката и са част от антифрикционни сплави. Живакът, чиято точка на топене е -38,89 °C, е течност при стайна температура и се използва широко в научни инструменти. живачни лампи, токоизправители, ключове, в производството на хлор. Живакът има най-ниската точка на топене в сравнение с други метали, включени в групата на топимите. Огнеупорните метали включват всички метали, чиято точка на топене е по-висока от тази на желязото (1539 °C). Най-често се използват като добавки при производството на легирани стомани, а също така могат да служат като основа за някои специални сплави. Волфрам като максимална температураточка на топене 3420 °C, ин чиста формаизползвани главно за нишки в електрически лампи.

Доста често в кръстословиците се задават въпроси: кой метал е най-топим или най-огнеупорен? Сега, без колебание, можете да отговорите: най-топимият е живакът, а най-огнеупорният е волфрамът.

Накратко за хардуера

Този метал се нарича основен конструктивен материал. Железни части се намират както на космически корабили подводница, а у дома в кухнята под формата на прибори за хранене и различни декорации. Този метал има сребристо-сив цвят, има мекота, пластичност и магнитни свойства. Желязото е много активен елемент, във въздуха се образува оксиден филм, който предотвратява продължаването на реакцията. Във влажна среда се появява ръжда.

Точка на топене на желязото

Желязото има пластичност, лесно се кове и трудно се лее. Този издръжлив метал лесно се обработва механично и се използва за производството на магнитни задвижвания. Добрата пластичност позволява да се използва за декоративни орнаменти. Желязото ли е най-огнеупорният метал? Трябва да се отбележи, че точката му на топене е 1539 °C. И по дефиниция огнеупорните метали включват метали, чиято точка на топене е по-висока от тази на желязото.

Определено можем да кажем, че желязото не е най-огнеупорният метал и дори не принадлежи към тази група елементи. Принадлежи към средно топими материали. Кой е най-огнеупорният метал? Такъв въпрос няма да ви изненада сега. Можете спокойно да отговорите - това е волфрам.

Вместо заключение

В световен мащаб се произвеждат приблизително тридесет хиляди тона волфрам годишно. Този метал със сигурност е включен в състава най-добрите сортовестомани за производство на инструменти. До 95% от целия произведен волфрам се изразходва за нуждите на металургията. За да се намали цената на процеса, те използват главно по-евтина сплав, състояща се от 80% волфрам и 20% желязо. Използвайки свойствата на волфрама, неговата сплав с мед и никел се използва за производството на контейнери, използвани за съхранение на радиоактивни вещества. В лъчетерапията същата сплав се използва за направата на екрани, осигуряващи надеждна защита.

Любопитните вероятно се интересуват от въпроса кой метал е най-огнеупорен? Преди да отговорите, струва си да разберете самата концепция за огнеупорност. Всички известни на науката метали имат различни точки на топене поради различна степен на стабилност на връзките между атомите в кристалната решетка. Колкото по-слаба е връзката, толкова по-ниска е температурата, необходима за нейното прекъсване.

Най-огнеупорните метали в света се използват в тяхната чиста форма или в сплави за производство на части, които работят при екстремни термични условия. Те могат ефективно да издържат на високи температури и значително да удължат експлоатационния живот на агрегатите. Но устойчивостта на металите от тази група към топлинни ефекти принуждава металурзите да прибягват до нестандартни методи за тяхното производство.

Кой метал е най-огнеупорен?

Най-огнеупорният метал на Земята е открит през 1781 г. от шведския учен Карл Вилхелм Шееле. Нов материалнаречен волфрам. Шееле успява да синтезира волфрамов триоксид чрез разтваряне на рудата в азотна киселина. Чистият метал е изолиран две години по-късно от испанските химици Фаусто Фермин и Хуан Хосе де Елуар. Новият елемент не получи веднага признание и беше приет от индустриалците. Факт е, че технологията от онова време не позволява обработката на такова огнеупорно вещество, така че повечето съвременници не придават голямо значение на научното откритие.

Волфрамът е оценен много по-късно. Днес неговите сплави се използват в производството на топлоустойчиви части за различни индустрии. Нажежаемата жичка в газоразрядните битови лампи също е от волфрам. Използва се и в космическата индустрия за производство на ракетни дюзи и се използва като електроди за многократна употреба при газово дъгово заваряване. Освен че е огнеупорен, волфрамът има и висока плътност, което го прави подходящ за направата на висококачествени стикове за голф.

Съединенията на волфрам с неметали също се използват широко в промишлеността. Така че сулфидът се използва като топлоустойчива смазка, която може да издържа на температури до 500 градуса по Целзий, карбидът се използва за направата на фрези, абразивни дискове и свредла, които могат да се справят с най-твърдите вещества и да издържат на високи температури на нагряване. Нека накрая разгледаме промишленото производство на волфрам. Най-огнеупорният метал има точка на топене 3422 градуса по Целзий.

Как се получава волфрам?

Чистият волфрам не се среща в природата. Той е част от скали под формата на триоксид, както и волфрамити на желязо, манган и калций, по-рядко мед или олово. Според учените съдържанието на волфрам в земна корасредното е 1,3 грама на тон. Това е доста рядък елемент в сравнение с други видове метали. Съдържанието на волфрам в рудата след добива обикновено не надвишава 2%. Следователно извлечените суровини се изпращат в преработвателни предприятия, където масовата част на метала се довежда до 55-60% с помощта на магнитно или електростатично разделяне.

Процесът на неговото производство е разделен на технологични етапи. На първия етап от добитата руда се изолира чист триоксид. За тази цел се използва методът на термично разлагане. При температури от 500 до 800 градуса по Целзий всички излишни елементи се стопяват и огнеупорният волфрам под формата на оксид може лесно да бъде събран от стопилката. Изходът е суровина със съдържание на шествалентен волфрамов оксид 99%.

Полученото съединение се раздробява старателно и се провежда реакция на редукция в присъствието на водород при температура 700 градуса по Целзий. Това ви позволява да изолирате чист метал в прахообразна форма. След това се пресова под високо налягане и се синтерува във водородна среда при температури от 1200-1300 градуса по Целзий. След това получената маса се изпраща в електрическа пещ за топене, където под въздействието на ток се нагрява до температура над 3000 градуса. Ето как волфрамът преминава в разтопено състояние.

За окончателно пречистване от примеси и получаване на монокристална структурна решетка се използва методът на зоново топене. Това предполага, че в определен момент от време само определена зона на обща площметал Постепенно се движи, тази зона преразпределя примесите, в резултат на което те в крайна сметка се натрупват на едно място и могат лесно да бъдат отстранени от структурата на сплавта.

Готовият волфрам пристига в склада под формата на пръти или слитъци, предназначени за последващото производство на желаните продукти. За получаване на волфрамови сплави, всичко съставни елементинатрошени и смесени на прах в необходимите пропорции. След това се извършва синтероване и топене в електрическа пещ.

ДО огнеупорни са металите с точка на топене над 1700° C: волфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, цирконий, рений. Най-често те се произвеждат чрез прахова металургия, използвайки технологии за електрическо вакуумно топене и пречистване.

Приложение на огнеупорни метали:

продукти на електровакуумно оборудване;

нагревателни елементи;

изпарители в инсталации за термично отлагане за производство на тънки високопроводими и резистивни филми;

тънкослойни резистори;

термодвойки за измерване на високи температури.

Всички огнеупорни метали при нагряване на въздух до температури над 600 ° C интензивно се окисляват, за да образуват летливи оксиди. Следователно, като нагревателни елементите работят във вакуум или в защитна инертна атмосфера, като аргон. Огнеупорните метали имат незначително налягане на парите - важно качествоза материал за изпарител при производство на тънки филми.

Волфрамът (W) е най-огнеупорният от всички метали (Tm = 3400° C), има висока твърдост и добра проводимост

(ρ = 0,055 μΩ m).

Волфрамът е един от най-важните материали за електровакуумната технология. Благодарение на влакнестата структура, придобита в резултат на коване и изтегляне, тънката волфрамова тел с диаметър до 0,01 mm е много гъвкава. Волфрамът е основният материал за направата на нишки за лампи с нажежаема жичка. Но телта и спиралите от чист волфрам при високи температури стават крехки поради процеси на рекристализация, придружени от интензивен растеж на зърната до размери напречно сечениетел. За да се подобрят свойствата на чистия волфрам, в него се въвеждат различни добавки. Ториевият оксид Th2 O3 забавя процеса на прекристализация и предотвратява растежа на зърната, добавянето на силициеви оксиди SiO2 и алуминиев Al2 O3 подобрява стабилността на размерите на волфрамова тел. В електронен

При производството на вакуум се използват волфрамови класове VA (с добавка силиций-алуминий) и VT (с добавка на ториев оксид).

Катодите са направени от волфрам високо напрежениемощни генераторни лампи, рентгенови тръби с работна температура 2200…2800 K. Волфрамовите катоди имат стабилна емисия на електрони и способността да работят във висок вакуум. VT торираните волфрамови катоди имат по-високи емисионни свойства.

Най-малко има волфрам температурен коефициентлинейно разширение сред всички чисти метали (αl =

4.4 10-6 K-1 ). Това свойство се използва за направата на термично устойчиви съединения на волфрам с огнеупорни стъкла.

Волфрамът и неговите сплави с молибден, иридий, рений също се използват за нагревателни елементи, работещи при температури над 1200 ° C, и за високотемпературни термодвойки. Поради високата си твърдост, устойчивост на дъга, устойчивост на електрическа ерозия и ниска заваряемост, волфрамът се използва широко в прекъсващи контакти с високо натоварване.

Молибденът (Mo) е аналог на волфрама, но малко по-малко огнеупорен (T pl = 2620 ° C) и по-малко твърд. Закаленият молибден с финозърнеста структура е много по-пластичен от волфрама; той се използва широко за различни части със сложни конфигурации. Сред всички огнеупорни метали молибденът има най-ниско съпротивление (ρ = 0,05 μOhm m).

Молибденът се използва за нагревателни елементи във високотемпературни (до 1700 ° C) електрически пещи, работещи в защитна атмосфера. Молибденът се използва за направата на решетки и електроди на електронни тръби и други спомагателни части на електровакуумни устройства (куки, резби, висулки), работещи при интензивни термични условия.

От голямо практическо значение волфрам-молибденови сплави, които образуват структура на твърд разтвор в целия концентрационен диапазон. Сплавите, съдържащи 45% Mo, имат максимално съпротивление и твърдост и висока устойчивост на ерозия. Използват се за високо натоварени контакти в защитна среда. Използват се и W-Mo сплави

за нишки с нажежаема жичка на електрически лампи и нагревателни катоди, тъй като те имат по-високи механични свойства от чистия волфрам, въпреки че имат по-ниски допустими работни температури.

Рений (Re) - рядък и тежък металс точка на топене, близка до точката на топене на волфрам (T pl = 3180 ° C). Реният е твърд и издръжлив, като волфрама, и пластичен, като молибдена, има висока съпротивление(ρ = 0,214 µOhm m), устойчив на дъга DC. Реният често се използва в сплави за силно натоварени прекъсващи контакти, например сплавите W+15...20%Re се характеризират с повишена устойчивост на износване.

Рений и неговите сплави с волфрам се използват в производството на електрически вакуумни устройства вместо волфрам, тъй като той се изпарява по-малко във водородна атмосфера и има по-дълъг експлоатационен живот. Re- и W-Re сплавите се използват за термодвойки до 2500…2800° C в защитна среда.

IN В радиоелектрониката рений се използва за защита от корозия

И износване на части от мед, волфрам и молибден. Тънки слоеве от рений се използват за прецизни резистори в интегрални схеми.

Танталът (Ta) е малко по-нисък по огнеупорност от волфрам (Tm = 3000 ° C), но значително го надвишава по пластичност, което прави възможно производството на фасонни части, тел и фолио с дебелина до 10 микрона. Танталът образува върху повърхността плътен оксиден филм Ta2O5, стабилен до температура от 1500° C. Това свойство се използва при производството на електролитни и тънкослойни кондензатори с висок специфичен капацитет, получени чрез анодно окисляване.

Танталът се използва широко в електрическата вакуумна технология за критични части: аноди и решетки на генераторни лампи, катоди с нажежаема жичка. Поради способността си да абсорбира газове в температурния диапазон от 600...1200 ° C, танталът се използва във вакуумно оборудване като високовакуумен стабилизатор (гетер). Танталът се използва и в тънкослойните технологии при производството на резистори. Във въздуха азотът се разтваря активно в танталовия филм с образуването на Ta2N нитриден филм, който има много стабилни свойства.

Ниобият (Nb) е метал, подобен по свойства на тантала, но по-топим (Tm = 2500 ° C), има висока абсорбционна способност на газ в температурния диапазон 400...900 ° C. Следователно, в електрическите вакуумни устройства, части направени от ниобий, едновременно изпълняват функциите на геттер. Ниобият има най-ниската работа на електроните сред всички огнеупорни метали; той се използва като нажежаеми катоди в генераторни лампи с висока мощност. Сред всички химически елементиниобият има най-високата критична температура на преход към свръхпроводящо състояние (Tst = 9,2 K). Следователно ниобият, подобно на тантала (Tst = 4,5 K), се използва в криогенната технология.

Хромът (Cr) има относително ниска точка на топене (Tm = 1900°C) в сравнение с други огнеупорни метали, но за разлика от други метали от тази група, той е много разпространен в земната кора. Неговата отличителна черта- висока устойчивост на окисляване, поради което хромът се използва за защитни покрития на продукти (хромиране), включително тези, работещи при повишени температури.

Хромът има добра адхезивна способност към стъкло, керамика, стъклокерамика и е добре съвместим с други проводими материали. Следователно технологията за отлагане на тънки хромови филми върху субстрат се използва широко в микроелектрониката при производството на резистори и адхезивни подслоеве за контактни подложки

И проводими връзки.

2.2.5. Свръхпроводящи метали и сплави

Свръхпроводимосте състояние на материята, характеризиращо се с отсъствие електрическо съпротивление. Свръхпроводимостта се наблюдава в редица метали и сплави при температури, близки до абсолютната нула. Температура на преход към свръхпроводимост

текущото състояние се нарича критична температура на свръхпроводимост-Т Св.

При температура под Tst електрическият ток, индуциран в свръхпроводящата верига, ще циркулира безкрайно дълго, без да намалява, при условие че температурата се поддържа при ниска температура. Удел-

Съпротивлението на материала в свръхпроводящо състояние е около 10-25 Ohm m, което е 1017 пъти по-малко от това на медта.

Физическа природа на свръхпроводимостта. Феноменът свръхпроводимост е открит за първи път в живака (Т Св = 4,2 K) от холандски физик Камерлинком-Онесъм през 1911 г. Съвременната теория за свръхпроводимостта, основана на квантовите концепции, е предложена през 1957 г. от американските учени Бардийн, Купър и Шрифър. Значителен принос в развитието на теорията на свръхпроводимостта има работата на съветския академик Н. Н. Боголюбов.

В метал свободните електрони, движещи се в среда от положително заредени йони, взаимодействат с топлинните вибрации на решетката, обменяйки с нея кванти на топлинна енергия - фонони, докато електроните могат да абсорбират или освобождават енергия, т.е. промени импулса си. Обменът на фонони между електрони с участието на решетката се извършва непрекъснато. В резултат на фононнообменното взаимодействие двойка електрони с различни моменти и антипаралелни спинове изпитват взаимно привличане и образуват т.нар. Купър двойка.

Нека разгледаме опростена диаграма (фиг. 9). Електрон 1, движещ се между йоните, привлича близките йони, създавайки локална зона с повишена плътност на положителен заряд по траекторията на движение. Електрон 2, движещ се след първия, е привлечен от тази зона. В резултат на това индиректно, чрез решетката, между електроните възникват сили на привличане. Силите на привличане са малки, образуванията на двойки са слабо локализирани в пространството, постоянно се разпадат и се създават, образувайки електронен кондензат.

При ниски температури (<Т св ) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар - их импульсная упорядоченность. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры.

ориз. 9. Схема на образуване на електронни двойки в свръхпроводник

При абсолютна нулева температура всички електрони, разположени близо до нивото на Ферми, са свързани по двойки. С повишаване на температурата някои електронни двойки се разпадат. Несдвоените електрони се движат от основните нива към възбудените и тяхното движение е възпрепятствано от разсейване от структурни дефекти. При температура Tst всички двойки на Купър са напълно разбити и състоянието на свръхпроводимост изчезва.

Свръхпроводниците имат специфични магнитни свойства. Тъй като електроните с противоположни спинове са свързани по двойки, резултантният спинов момент на двойката е нула и свръхпроводникът става идеален диамагнетик. Като всички диамагнитни материали, свръхпроводниците се изтласкват от магнитно поле. Външното магнитно поле изобщо не прониква в дебелината на пробата, отслабвайки в най-тънкия повърхностен слой (10-7 ... 10-8 m). Изтласкващият ефект е толкова силен, че постоянен магнит може да се държи над пръстен от свръхпроводящ материал с помощта на магнитно поле. Състоянието на свръхпроводимост обаче може да бъде унищожено, ако силата на магнитното поле надвиши определена критична стойност H St.

Понастоящем е известно, че повече от 30 метала имат свръхпроводимост при криогенни температури и повече от 1000

свръхпроводящи сплави и химични съединения на различни елементи. Параметрите на някои свръхпроводящи материали са представени в табл. 5.

			Таблица 5
Свойства на свръхпроводящите материали

свръхпроводник-	Критичен	свръхпроводник-	Критичен
свръхпроводник-	температура Tst,	свръхпроводник-	температура Tst,


Елементарно:


		Химични съединения:
		Химични съединения:

		V3 Ga
		V3 Si
		Nb3 Sn
		Nb3Ga
		Nb3Ge

Въз основа на естеството на прехода на материала от свръхпроводящо състояние в състояние на обикновена електрическа проводимост под въздействието на магнитно поле се разграничават свръхпроводници тип I и тип II. U Свръхпроводници тип Iтози преход настъпва внезапно веднага щом напрегнатостта на полето достигне критична стойност. Свръхпроводници тип IIпреминаване от едно състояние в друго постепенно. Повечето чисти метали са свръхпроводници тип I с критични температури на преход под 4,2 К.

Свръхпроводниците тип II, направени от чисти метали, включват ниобий и ванадий. От всички елементи, способни да преминават в свръхпроводящо състояние, ниобият има най-високата критична температура на преход - 9,4 К. Свръхпроводниците от тип II включват всички интерметални съединения и сплави. Ниобиевите сплави и съединения имат най-високи критични параметри (температура на преход, критична сила на магнитното поле и допустими токове). Например, проводник, направен от ниобиев станид Nb3 Sn в полета с индукция от приблизително 10 T, може да премине ток с плътност, по-висока от 109 A/m2 (103 A/mm2). Практическа употреба са намерили свръхпроводящи сплави с високо съдържание на ниобий: 65BT (63…68%Nb + 22…26%Ti +

8,5...11,5%Zr) и 35BT (60...64%Ti + 33,5...36,5%Nb + 1,7...4,3%Zr).

Например, сплав 65BT има критична плътност на тока

2.8. 106 A/m2.

През 1986 г. е открито явлението високотемпературна свръхпроводимост, което се проявява от някои видове керамика на базата на редкоземни метали с характерно разположение на атомите. Например лантанови съединения La2 -xMxCuO4 (където M = Ba, Sr) преминават в свръхпроводящо състояние при температура, близка до температурата на течния азот. В итриевите сплави YBa2 Cu3 O7 преходът към свръхпроводящо състояние настъпва при температура - 173 ° C и по-висока.

Разработват се нови материали, които имат по-висока плътност на тока и по-висока температура на преход към свръхпроводящо състояние. Обещаващи в това отношение са така наречените бисмутови системи с химична формула Bi2 Sr2 Ca2 Cu2 Ox, чиято температура на преход достига -158 ° C.

Свръхпроводящите елементи и устройства все повече се използват в различни области на науката и технологиите. За постигане на свръхпроводящо състояние тези устройства използват течен хелий или по-евтин охладител - течен водород.

Едно от основните приложения на свръхпроводниците е свързано с производството на свръхсилни магнитни полета със сила над 107 A/m. Това дава възможност да се произвеждат намотки на мощни генератори, електрически машини и трансформатори с ниско тегло, размери и много висок КПД. Свръхпроводящите системи не изискват външен източник на захранване. Използват се и за високомощни електропроводни кабели, вълноводи с ниско затихване, устройства за памет и управление. Свръхпроводниците се използват за направата на мощни магнити (например влакове с магнитна левитация), криогенни жироскопи, чиято арматура „плува“ в магнитно поле (опори без триене).