Гальванотермомагнитный сплав на основе висмута

 

Изобретение относится к сплавам на основе висмута, предназначенным для изготовления микроэлектронных приборов различного назначения. Гальванотермомагнитный сплав на основе висмута содержит следующие компоненты, мас. сурьма 0,58 2,98; олово 0,00002 0,00012; висмут остальное. Свойства сплава следующие: предел прочности 47,0 - 70,3 МПа, индукция магнитного поля при 150K 0,99 1,05, при 100K - 0,98 1,10. 3 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе висмута, предназначенных для изготовления микроэлектронных приборов различного назначения.

Одним из перспективных применений монокристаллов сплавов на основе висмута, содержащих сурьму в количестве от 1 до 5 ат. (от 0,58 до 2,98 мас.), является использование их в гальванотермомагнитных (ГТМ), работающих на эффекте Эттингсгаузена каскадах твердотельных охлаждающих устройств. Условия их эксплуатации предполагают, что материал охладителя должен выдерживать без разрушения возникающие при работе в нем и в коммутирующих материалах изгибающие термические напряжения.

Недостатком монокристаллов сплавов на основе висмута, содержащих сурьму, является низкая механическая прочность.

Целью изобретения является повышение прочности на изгиб высокоэффективных ГТМ составов сплавов на основе висмута, содержащих сурьму в количестве 0,58-2,98 мас.

Для этого предлагается сплав на основе висмута, содержащий сурьму, в который дополнительно введено олово при следующем соотношении компонентов, мас.

Сурьма 0,58-2,98 Олово 0,00002-0,00012 Висмут Остальное В качестве основы предлагаемого сплава взят известный двухкомпонентный сплав на основе висмута, содержащий сурьму в количестве 0,58-2,98 мас.

Отличительным признаком заявляемого сплава является наличие в нем третьего компонента олова, взятого в количестве (0,00002-0,00012) вес.

Новизна предлагаемого технического решения заключается в повышении прочности на изгиб предлагаемого состава сплава, по сравнению с известным.

Для опробования предложенного сплава способом вытягивания из расплава по Чохральскому были получены монокристаллы следующих составов, приведенные в табл. 1.

При получении монокристаллов использовали висмут марки ВИ-0000, прошедший капельную очистку в вакууме, сурьму ОСЧ-18-4 и олово ВЧ. Методики механических испытаний, резки, обработки поверхности образцов, их размеры и кристаллографическая ориентация полностью соответствовали использованным в прототипе. ГТМ добротность материала, характеризующую рабочие параметры изготовленного из него охладителя (КПД и холодопроизводительность), измеряли методом Хармана.

Пределы прочности ( σ_в) образцов опробованных составов предлагаемого сплава и образцов известного двухкомпонентного сплава на основе висмута представлены в табл. 2.

Из данных табл. 2 следует, что σ_в всех составов предлагаемого сплава имеет значения более высокие, чем значения σ_в нелегированных сплавов висмута с сурьмой.

Выбор нижнего предела концентрации сурьмы в предлагаемом сплаве (0,58 мас.) определяется тем, что при меньшем ее содержании в сплаве положительное влияние олова на σ_в не наблюдается. Напротив, происходит уменьшение σ_в пробного сплава состава 1 по сравнению с соответствующим нелегированным сплавом (табл. 2).

Выбор верхнего предела концентрации сурьмы в предлагаемом сплаве (2,98 мас. ) определяется тем, что при увеличении ее содержания с 1,18 до 2,98 и далее до 3,58 мас. прирост предела прочности ( σ_в) легированных сплавов по сравнению с нелегированными уменьшается с 30 до 12 и далее до 3% соответственно (табл. 2). В результате различие σ_в пробного сплава состава 7, содержащего 3,58 мас. сурьмы, от σ_в соответствующего нелегированного сплава перестает быть значимым, так как оказывается ниже разброса результатов испытаний различных образцов, вырезанных из одного монокристалла. Это свидетельствует о нецелесообразности легирования оловом сплавом висмута, содержащих 3,58 мас. и более сурьмы с целью увеличения их σ_в.

Выбор предельных концентраций олова в предлагаемом сплаве связан с тем, что добавка олова в количестве 0,00002 мас. является минимальной, при которой обеспечивается достижение поставленной в предлагаемом изобретении цели повышение прочности на изгиб сплавов на основе висмута, содержащих сурьму в количестве от 0,58 до 2,98 мас. включительно, а добавка олова в количестве 0,00012 мас. является максимальной, при которой рост σ_в сплавов висмут-сурьма не сопровождается уменьшением их ГТМ добротности. Последнее подтверждает представленные в табл. 3 данные (относительная ошибка определения ГТМ добротности использованным методом не превышала 5%).

Влияние столь малых добавок олова на предел прочности на изгиб монокристаллов сплавов на основе висмута, содержащих 0,58-2,98 мас. сурьмы, можно связать со специфической кристаллографической ориентацией малоугловых границ между субструктурными составляющими (блоками) в легированных монокристаллах.

Ослабление влияния олова на σ_в сплавов висмут-сурьма при увеличении содержания в них сурьмы связано с тем, что увеличение ее содержания в сплавах сопровождается уменьшением их склонности к пластической деформации.

Влияние олова на ГТМ добротность сплавов висмут-сурьма связано с изменением концентрации и кинетических свойств носителей заряда: их подвижности и эффективной массы. Анализ совместного действия этих факторов при легировании сплавов висмут-сурьма оловом позволяет объяснить качественно закономерности изменения их ГТМ добротности при изменении содержания в них легирующей добавки, представленные в табл. 3.

Реализация предлагаемого сплава, обладающего более высокой прочностью на изгиб позволит увеличить выход годного при изготовлении из него электронных приборов, в частности ГТМ охлаждающих устройств, повысить прочность, а следовательно, надежность таких устройств в процессе их эксплуатации, расширить область их применения в тех отраслях народного хозяйства, где к изделиям из монокристаллов сплавов висмута с сурьмой предъявляются требования по механической прочности.

Формула изобретения

ГАЛЬВАНОТЕРМОМАГНИТНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ВИСМУТА, содержащий сурьму, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.

Сурьма 0,58 2,98 Олово 0,00002 0,00012 Висмут Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2