Материаловедение Методичка для заочников

Вступ

Одна з основних тенденцій сучасної медицини пов'язана із широким використанням у ній різного роду технічних засобів. Така ситуація не тільки закономірна, але і цілком зрозуміла. Дійсно, тільки за допомогою сучасної електронної техніки істотно підвищується можливість отримання достовірної діагностики і з'являється перспектива керування процесами, що протікають у різноманітних біологічних об'єктах. В даний час розроблена і розробляється достатньо велика кількість медичної техніки, що працює на різноманітних фізичних принципах, починаючи від механічних і закінчуючи електромагнітними з частотами від інфрачервоного до рентгенівського діапазонів електромагнітних хвиль.

Функціонуванняелектронних приладів на практиці визначається властивостями матеріалів для їх активних і пасивних середовищ. Така ситуація призводить до необхідності вивчення студентами спеціального курсу "Основи матеріалознавства та матеріали електронної техніки", де розглядаються матеріали, що застосовуються в цій області природознавства.

Даний посібник адресований студентам, що за родом своєї майбутньої діяльності є споживачами, а не розроблювачами або виробниками матеріалів для електронних приладів. Тому в посібнику акцент зміщений в область вивчення й обговорення властивостей матеріалів. Особливості технологічних процесів їх отримання будуть відзначені, коли параметри матеріалів істотно залежать від умов технологічного процесу. Прикладом такого роду матеріалу, у першу чергу, варто визнати кремній, що вирощується за методом Чохральского або епітаксіальними методами.

Після вивчення дисципліни студент повинен розуміти природу і знати особливості основних груп матеріалів, знати фізичний зміст параметрів матеріалу, їх залежності від зовнішніх умов, розуміти дані довідників і Держстандартів, уміти зробити вибір найбільш ефективного матеріалу для конкретної мети, бути підготовленим для використання параметрів матеріалів при розрахунках електричних, теплових,механічних та ін. характеристик електронних приладів біомедичної техніки.

Природно, що даний посібник не претендує на повноту викладення матеріалу. При необхідності повну інформацію студент може одержати у відповідних підручниках, довідниках і періодичній літературі з електронного матеріалознавства. Проте автор сподівається, що посібник виявиться корисним при вивченні курсу "Основи матеріалознавства та матеріали електронної техніки".

1. НАУКОВІ ЗАДАЧІ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА І КЛАСИФІКАЦІЯ МАТЕРІАЛІВ У нових областях науки і техніки, до яких належить матеріалознавство біомедичної електронної техніки, основні матеріали виконують складні і різноманітні функції, і тому вимоги до них багатопараметричні. Природно, що не всі параметри матеріалів однаково важливі в конкретних умовах їх застосування. Отже, обгрунтування критерію, що оцінює ефективність використання саме обраного матеріалу, а не якогось іншого, виявляється проблематичним і не завжди об'єктивним процесом.

У багатьох випадках головним критерієм ефективності вважають універсальність застосування матеріалу для рішення цілого комплексу задач, тобто працездатність у широкому діапазоні режимів і впливів, які його збуджують, некритичність до конструкції апаратури і т.д. Саме тому вибір оптимального матеріалу виявляється операцією, яку важко формалізувати. Останнє істотно обмежує можливості автоматизації цього етапу робіт. У такій ситуації пріоритет віддається знанню і досвіду фахівця-матеріалознавця.

У той же час обговорювати фізико-хімічні властивості матеріалів у єдиному комплексі без їхнього групування, класифікації і виділення першорядних властивостей здається безперспективною задачею. Відзначені факти є достатньо загальними і, природно, застосовні до опису ситуації, що склалася в біомедичному матеріалознавстві. Тому перед тим, як переходити до аналізу конкретних матеріалів, необхідно розглянути останні уявлення матеріалознавства по цьому питанню і трансформувати їх стосовно біомедичної електронної техніки.

В даний час можна вважати класичним у якості основного критерію класифікації використовувати електричні властивості матеріалів. Дійсно, вони найбільш повно розкривають природу матеріалу, яка тісно пов'язана з характером просторового розподілу електронів. Тому ці властивості і висуваються на перше місце в електронному матеріалознавстві. Всі інші властивості, а виходить, і класифікації за неелектричнимиознаками, мають обмежене, звужене значення й у тій або іншій мірі можуть бути виведені з основних електричних.

Відповідно до висловленого основного принципу найбільш сучасна класифікація матеріалів, використовуваних у біомедичній електронній техніці подана на рис. 1.1. З рис. 1.1 видно поділ усіх матеріалів на три основні класи, що відображено трьома характерними вертикальними колонками структури. Поряд із вертикальним розподілом існує і серія горизонтального розмежування. Стрілками позначені взаємозв'язки типового або абсолютного характеру (суцільні лінії) і пунктирні лінії, що відображують нетипові взаємозв'язки між елементами класифікації.

Роздивимося рис. 1.1 докладно. Необхідно, відразу відзначити, що, незважаючи на наявність величезної кількості матеріалів із проміжними механічними, електричними і т.д. властивостями, тільки напівпровідники виділені в спеціальний клас. Це стало відображенням тієї фундаментальної ролі, що відіграють напівпровідники в сучасній техніці. Тому саме