Основы выбора материала.

Выбор материала для детали является сложной задачей, так как в боль­шинстве случаев деталь можно создать либо из различных материалов, либо из сложных совокупностей.

Правильный выбор материала может быть сделан на основании анализа функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических показателей с учетом следующих факторов:

1. Материал является основой конструкции, т. е. определяет способ­ность детали выполнять рабочие функции в изделии и противостоять действию климатических и механических факторов. Например, в качестве диэлектрика конденсатора постоянной емкости, работающего в контуре высокой частоты, применяют материал с малым значением тангенса угла потерь. В противном случае конденсатор внесет большое затуха­ние в контур и снизит его добротность. Если конденсатор имеет обкладки с большим сопротивлением, то потери в нем будут также большими, если даже диэлектрик имеет малый тангенс угла потерь.

2. Материал определяет технологические характеристики детали, так как обрабатывается определенными технологическими методами. Например, объемные детали из текстолита можно обрабатывать только резанием. Те же детали из пластмасс изготавливают прессованием, что дает большую производительность при серийном и массовом произ­водстве.

Припрочих равных условиях следует выбирать тот материал, кото­рый допускает обработку наиболее прогрессивными методами: литьем, штамповкой, прессовкой, обработкой на станках-автоматах и т. д. Особенно это относится к деталям сложной формы, так как обработка их резанием увеличивает трудоемкость и материальные затраты.

3. От свойств материалов зависит точность изготовления детали. Так, точность штампованных гнутых изделий зависит от упругих свойств материала: после изъятия детали из штампа она распружинивает, по­этому деталь из мягкой стали при прочих равных условиях будет изго­товлена с большей точностью, чем та же деталь из пружинящей стали.

От точности изделия зависит точность узла или прибора, куда оно вхо­дит. Поэтому выбор материала влияет на стоимость, Так, стоимость изделия из керамики, обработанного шлифовкой, при высоких требо­ваниях к точности изготовления значительно увеличивается.

4. Материал влияет на габариты и массу прибора. Так, использова­ние алюминиевых сплавов для шасси аппарата может дать сокращение массы в 1,5 – 3 раза при полном удовлетворении требований к прочно­сти и жесткости; использование высококачественных трансформатор­ных сталей позволяет значительно сократить количество металла в трансформаторе и тем самым уменьшить его массу и габариты, что весь­ма важно для специальной малогабаритной аппаратуры.

5. Материал оказывает влияние на эксплуатационные характери­стики детали, на ее надежность и долговечность. Контакты переклю­чателя из латуни в сложных климатических условиях выдерживают не­значительное число переключений. Календарный срок службы этих контактов независимо от числа переключений также крайне ограничен, так как окисление материала приводит к нарушению электрического контакта в переключателе. Те же детали, выполненные из стойких к окислению материалов (серебра, золота), выдерживают десятки тысяч переключений и в определенных условиях могут эксплуатироваться годами без дополнительной подрегулировки.

Выбор марки материала для соответствующих деталей нужно про­изводить так, чтобы технические параметры этого материала (электри­ческие, механические и др.) были согласованы с требованиями, предъ­являемыми к разрабатываемой конструкции.

Удовлетворить в полной мере всем эксплуатационным и производ­ственно-технологическим требованиям не всегда представляется воз­можным. Эти требования часто вступают в противоречие и приводят к различным конструктивным решениям. Задача конструктора заключается в выборе наиболее правильного компромиссного решения, при котором наиболее полно удовлетворяются главные требования к кон­струкции.

При конструировании деталей электронной аппаратуры конструк­тору приходится иметь дело с очень широкой номенклатурой материа­лов, обладающих различными физико-химическими свойствами. В за­висимости от этих свойств используемые материалы можно классифи­цировать по различным признакам.

С точки зрения электропроводности все материалы подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Рассмотрим провод­ники и диэлектрики. ­

К проводникам относят все металлы. Однако различные металлы обладают различной электропроводностью. Когда решающим факто­ром является малое удельное сопротивление электрическому току, то применяют медь, алюминий и другие материалы, обладающие малым удельным сопротивлением.

К материалам относят также провода и кабели, хотя многие из них состоят из металлических проводников, покрытых снаружи слоем изо­ляционного материала, исключающего возможность замыкания раз­личных цепей электронного устройства.

Металлы широко используют в качестве конструкционных материа­лов для изготовления деталей. Номенклатура таких материалов необы­чайно велика: это различные марки углеродистых и легированных сталей, алюминиевые сплавы для холодной обработки и литья, магниевые спла­вы, медные сплавы (латуни и бронзы) и др.

Материалы для холодной обработки выпускают в виде плит, листов, ленты, прутков (круглых и шестигранных), проволоки, трубок, уголков и других профилей сложных сечений.

Пластмассы.К числу диэлектриков относятся пластмассы, слоистые пластики и др. По механическим характеристикам они, как правило, уступают металлам. Так как многие детали электронных устройств при работе не несут больших нагрузок, то для их изготовления часто применяют пластмассы даже тогда, когда от детали не требуется элек­троизоляционных свойств. Связано это с тем, что при использовании пластмасс можно применять такие высокопроизводительные техноло­гические процессы, как прессование и литье, которые позволяют за одну технологическую операцию получить деталь сложной формы. Это дает большой экономический эффект при серийном и массовом производстве.

Отечественная промышленность выпускает большое количество различных пластмасс, различающихся физическими и технологическими характеристиками.

К группе термореактивных материалов относятся порошки K-21-22 и K-211-2, которые обладают хорошими электроизоляционными свой­ствами. Их применяют для изготовления ламповых панелей, каркасов катушек и других деталей, работающих в поле высокой частоты.

Порошки К-211-З и К-211-З4 отличаются от предыдущих тем, что в них наполнитель из древесной муки заменен на минеральный, в резуль­тате чего они обладают повышенной теплостойкостью. Материал мар­ки Кб (асбобакелит) имеет в качестве наполнителя асбестовое волокно и обладает повышенной механической прочностью и теплостойкостью; его изоляционные свойства хуже, чем у предыдущих порошков.

У порошков марок K-18-2, K-17-2, К-18-З, К-20-2 электроизоляцион­ные свойства хуже, чем у порошков K-21-22, K-211-2. Марки типа K-18-2, K-17-2 и другие применяют при изготовлении бытовой электроаппара­туры, неответственных изоляционных деталей в радиовещательной аппаратуре, ручек управления, клемм и т. д.

Материал АГ – 4 получен на основе модифицированной фенолформаль­дегидной смолы и стекловолокна в качестве наполнителя. Высокая теплостойкость, хорошая механическая прочность и электроизоляцион­ные свойства обеспечили ему широкое распространение для самых разнообразных целей.

Аминопласты воспринимают красители, благодаря чему из них можно прессовать декоративные детали любого цвета. Они обладают дугостойкостью, поэтому их целесообразно использовать при изготов­лении коммутационной аппаратуры.

Термопластичные материалы обладают наименьшей влагопогло­щаемостью и лучшими электроизоляционными свойствами, особенно в диапазоне сверхвысоких частот. К этой группе относится полиэтилен (теплостойкость 100 – 120ºС) и полистирол (теплостойкость 800ºС).

Полиэтилен, имеющий хорошую гибкость, используют в качестве изоляции в высокочастотных кабелях.

Полистирол используют при изготовлении каркасов катушек и дру­гих деталей, работающих в поле высокой частоты. К числу его недостат­ков следует отнести склонность к образованию поверхностных трещин при изменении температуры окружающего воздуха, а также в резуль­тате старения.

Наиболее теплостойким материалом является фторопласт–4, кото­рый одновременно обладает хорошими диэлектрическими свойствами до диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Детали из фторопласта из­готавливают методом механической обработки из прутков или брусков.

Для изготовления деталей радиоаппаратуры, работающей в условиях влажного тропического климата, применяют материалы, стойкие к гри­бообразованию. К их числу относятся К-18-22, К-211-З, К-211-З4, АГ-4, фторопласт-4, полиэтилен и др.

К числу слоистых пластиков относятся гетинакс, стеклотекстолит. Листовой гетинакс и стеклотекстолит выпускают также с на­клеенным тонким слоем медной фольги.

Керамические материалы. Все керамические материалы подразде­ляют на следующие три типа:

А – для изготовления высокочастотных конденсаторов;

Б – для изготовления низкочастотных конденсаторов;

В – высокочастотный материал, предназначенный для изготовле­ния установочных изделий и других радиотехнических деталей (антен­ных изоляторов, катушек высокостабильных контуров и т. д.).

Каждый керамический материал по температуре, при которой его можно использовать, относят к одной из четырех категорий:

l-я – от – 60 до + 85°С;

2-я - от – 60 до + 125°С;

З-я - от – 60 до + 155°С;

4-я - от – 60 до + ЗОО°С.

Материалы типов А и Б подразделяют на классы и группы, отличаю­щиеся в основном значениями диэлектрической проницаемости и тем­пературного коэффициента диэлектрической проницаемости. Материа­лы типа В подразделяют на пять классов (VI, VIIН, VIII, IX и Х), отличающихся механической прочностью, температурным коэффициентом линейного расширения (от 1,8·10^-6 до 11·10^-6) и технологическими. характеристиками.

Из этих материалов можно изготавливать различные по размерам и конфигурации электроизоляционные детали.

На каждый материал, выпускаемый промышленностью, имеются технические условия (ТУ) или ГОСТы. В этих документах приводятся технические характеристики материалов с допустимыми отклонениями, а также изменения характеристик под действием различных факторов (температуры, повышенной влажности и т. д.).

На материалы, выпускаемые в виде листов, лент, прутков, проволо­ки и т. д., В ГОСТах и ТУ приводится сортамент, т. е. сведения оформе, размерах и допусках.

При выборе материала конструктор должен учитывать не только его физико-механические свойства, обеспечивающие выполнение задан­ной функции деталью, но и должен выбрать такой сортамент, который позволит изготовить деталь требуемой конфигурации с наименьшими затратами.