Проводниковые материалы


Проводниковые материалы, применяемые в электрике

К основным проводниковым материалам относятся главным образом обмоточные провода и шины.

Обмоточные провода

Для изготовления токопроводящих жил обмоточных проводов наибольшее применение получили медь и алюминий. В исключительных случаях это может быть серебро. Обмоточные провода выпускают сечения прямоугольного и круглого вида.
Медная проволока круглого сечения для обмоточных проводов изготовляется из меди двух разновидностей — медь твердая (МТ) и медь мягкая (ММ). Проволока прямоугольного сечения марок МГТ (медная голая твердая) и МГМ (медная голая мягкая).
Медные провода круглого сечения выпускают с диаметром жилы 0,02—5,2 мм, прямоугольные провода с размерами большей стороны a = 2,1 —14,5 мм., а меньшей стороны b= 0,83—5,5 мм.
Алюминиевые провода более доступны, соответственно и имеют меньшую стоимость по сравнению с медью. Кроме того, они имеют меньший удельный вес, а значит при их использовании уменьшается и вес изготовленных изделий. Для изготовления проводов служит алюминиевая круглая проволока марок АТ (алюминиевая твердая), АПТ (алюминиевая полу-твердая), AM (алюминиевая мягкая) и прямоугольная проволока марки AM.
Электрические свойства проводниковых материалов выглядят так: удельное электрическое сопротивление твердой медной проволоки равно 0,0177—0,018 Ом-мм2/м, мягкой— не более 0,0173 Ом-мм2/м, алюминиевой твердой и полу-твердой — не превышает 0,0283 Ом-мм2/м, мягкой— 0,28 Ом-мм2/м.
Есть проводниковые материалы, применение которых ограничено. Отдельной строкой можно отметить такой проводник, как серебро. Его удельное сопротивление всего 0,016 Ом-мм2/м. Но в связи с его высокой стоимостью, используется этот материал очень редко.
Удельный вес алюминия 2,7 г/см3; меди 8,93 г/см3; серебра 10,5 г/см3.

Свою нишу занимают проводники из никеля, вольфрама, молибдена. Эти проводники имеют большое удельное сопротивление и применяются для изготовления резисторов большой мощности и всевозможных нагревательных элементов.
Сталь – тоже относится к проводниковым материалом. Применяется для изготовления шин заземления, контура и элементов заземления т.е. там, где проводимостью можно пренебречь, но нужна механическая прочность.
В зависимости от вида изоляции различают обмоточные провода с волокнистой изоляцией, изолированные кабельной или бумажной изоляцией (ПБ), хлопчатобумажной пряжей (ПБД, Г1БО, ПБОО, АПБД) и относятся они к классу нагревостойкости А.
К этому же классу нагревостойкости относятся эмалированные провода марок ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛР, провода с эмалево-волокнистой изоляцией марки ПЭЛ ВО, ПЭЛ БД, ПЭЛШО.
Эмалированные провода марки ПЭТВ относятся уже к класса В.
Провода со стекловолокнистой изоляцией и пропитанные нагревостойким лаком (ПСД, ПСДКТ) относятся к классу F и Н.
Примерно так же характеризуются провода марки ПЭТ—155А, эмалированные полиэфиримидным лаком и отмечены классом нагревостойкости F.
Проводниковые материалы в виде обмоточных проводов применяются для изготовления электрических машин таких, как электродвигатели, трансформаторы, всевозможные катушки и дроссели и т.д. Провода из серебра применяются в точном приборостроении, в космической отрасли промышленности, в радиотехнике.

Провода и кабели

Проводниковые материалы из меди и алюминия применяются и для производства изолированных электрических проводов и кабелей. Разница только в том, что изоляция проводов и кабелей сделана из поливинилхлорида (ПВХ), резины, в редких случаях из фторопласта и т.п.

В отличии от обмоточных проводов, размерный параметр изолированных проводов представлен не как диаметр токоведущей жилы, а как сечение, и измеряется не в мм, а как площадь сечения в мм2.
Применяются провода и кабели для проведения электромонтажных работ и для передачи электроэнергии на расстояние.
Более подробно про кабели и провода читайте в статье «Модели и марки проводов».

Шины применяют в распределительных устройствах высокого и низкого напряжения для соединений различных аппаратов и приборов.

Наибольшее применение в распределительных устройствах получили плоские алюминиевые шины. Плоского и круглого профиля шины небольшого сечения выпускают свернутыми в бухты, большого сечения — в виде полос и прутков. Плоские алюминиевые и медные шины изготовляют толщиной от 3 до 10 мм и шириной от 15 до 100 мм; стальные — сечением от 100×4 мм до 20×3 мм.

Проводниковые материалы

С точки зрения физики проводниковые материалы отличаются от прочих (полупроводников и диэлектриков) наличием свободных носителей электрического заряда и, как следствие, высокой электропроводностью. В РЭС применяют преимущественно проводники первого рода (металлы и сплавы, углерод и композиции на их основе), обладающие электронным характером электропроводности. Проводники второго рода (с ионным характером электропроводности) используются в некоторых компонентах (гальванические элементы, аккумуляторы, электролитические конденсаторы, ионисторы) и в электрохимических технологических процессах.

Различают также материалы высокой проводимости, служащие для соединения между собой элементов электрических цепей, и материалы высокого удельного сопротивления, предназначенные для создания резистивных элементов электрических цепей.

Общие свойства проводниковых материалов

Основным свойством проводникового материала является электропроводность, оцениваемая в технике параметром, называемым УДЕЛЬНОЕ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ) СОПРОТИВЛЕНИЕ , Омм. Для тела постоянного сечения S и длиной l, между концами которого измерено сопротивление R, = RS/l. Величина g = 1/, называется УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

Среди металлов и сплавов наименьшим удельным сопротивлением при нормальных условиях, как известно, обладает серебро; у него = 0,016 мкОмм. Наибольшее удельное сопротивление имеет сплав Fe-Cr-Co-Al: 10 мкОмм. Величина удельного сопротивления зависит от состава и строения материала и от ряда внешних факторов.

Наиболее важным внешним фактором, влияющим на величину удельного сопротивления, является температура проводника. Как известно, с понижением температуры удельное сопротивление уменьшается, и при температуре, близкой к абсолютному нулю (0 К), многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками, то есть их удельное сопротивление падает до нуля. С повышением температуры удельное сопротивление растет.

Зависимость удельного сопротивления от температуры — функция нелинейная, однако, в сравнительно узком температурном диапазоне, характерном для элементов РЭС, в большинстве практических случаев ее можно линеаризовать:

где (Т0), (Т) — удельные сопротивления при температурах Т0 и Т соответственно, л — температурный коэффициент (удельного) сопротивления, ТКС, К-1 или оС-1 .

Величина ТКС у разных проводников различна. У большинства чистых металлов л

410-3 К-1; у сплавов ТКС изменяется в широких пределах: от 110-6 К-1 (сплав ЗлМг) до 1,810-3 К-1 (ПлН4,5).

У меди л = 4,310-3 К-1, у алюминия л = 4,110-3 К-1. Это означает, что сопротивление медного проводника возрастает на 10 % с ростом его температуры на 23 оС и удваивается при повышении температуры на 230 оС.

Удельное сопротивление материалов зависит от их состава. Для технических металлов определяющим фактором является чистота, то есть содержание примесей, причем разные примеси влияют на величину удельного сопротивления в разной степени. Например, 0,1 % фосфора или 0,2 % железа снижают электропроводность меди вдвое. Столь сильное влияние объясняется тем, что атомы примесей нарушают регулярность кристаллической решетки проводника.

В сплавах со структурой твердого раствора, то есть таких, где атомы разных компонентов равномерно перемешаны в объеме, зависимость удельного сопротивления от состава (см. рис. 5.1) имеет вид плавной кривой (для двойных сплавов) с максимумом, значительно превосходящим наибольшее из удельных сопротивлений компонентов. Поэтому все проводники высокого удельного сопротивления — это сплавы.

Поскольку деформирование изменяет структуру материала, на удельное сопротивление проводника оказывает влияние предшествовавшая обработка. Наименьшее удельное сопротивление имеет отожженный материал. Так, у отожженной медной проволоки марки ММ = 0,01724 мкОмм, у твердой неотожженной проволоки марки МТ удельное сопротивление зависит от диаметра проволоки и составляет 0,0178 мкОмм при диаметре в пределах от 1 до 2,5 мм и 0,0180 мкОмм при диаметре менее 1 мм. Аналогичные зависимости наблюдаются и в случае упругих деформаций: при растягивающих нагрузках удельное сопротивление возрастает, при сжимающих — уменьшается.

Как известно, проводимость материала тем больше, чем больше средняя длина свободного пробега носителей заряда l. Размеры обычно применяемых проводников в диапазоне рабочих температур РЭС столь велики, что влияние поперечных размеров на проводимость не обнаруживается, однако, в тонких пленках эффект заметен и усиливается в чистых металлах и при понижении температуры, приводя к росту сопротивления.

Рисунок 5.1 — Зависимость удельного сопротивления сплава Аu-Ag от состава.

Как известно, градиент температуры вдоль разомкнутого проводника приводит к появлению на его концах ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ (ТЕРМО-ЭДС). Причина возникновения термо-ЭДС состоит в том, что вовлеченные в тепловой поток электроны переносят электрический заряд. Термо-ЭДС разных металлов и сплавов различны по величине и по знаку (нагретый конец может быть или положительным, или отрицательным полюсом). В цепи из соединенных между собой проводников, изготовленных из разнородных материалов, возникает ЭДС, называемая КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТЬЮ ПОТЕНЦИАЛОВ, причина ее в различии работ выхода электронов из разных металлов. При замыкании цепи контактные разности потенциалов компенсируются, когда все контакты находятся при одинаковой температуре, в противном случае в цепи возникает результирующая термо-ЭДС.

Величину термо-ЭДС пары разнородных проводников А и Б при разности температуры контактов в один градус характеризуют значением ОТНОСИТЕЛЬНОЙ УДЕЛЬНОЙ ТЕРМО-ЭДС SА-Б, В/К. Практически измерить всегда можно только суммарную термо-ЭДС одного проводника относительно другого при некоторой разности температуры Т, обозначаемую А-Б, В (ИНТЕГРАЛЬНУЮ ТЕРМО-ЭДС). Эти величины связаны между собой:

При этом SА-Б = SА — SБ = SА-В — SБ-В,

где SА, SБ — абсолютные удельные термо-ЭДС металлов А и Б, SА-В, SБ-В — относительные удельные термо-ЭДС металла А относительно металла В, металла Б относительно металла В соответственно.

Следовательно, нет необходимости знать абсолютные удельные термо-ЭДС, достаточно иметь значения относительных удельных термо-ЭДС относительно некоторого третьего материала, чтобы рассчитать интегральную термо-ЭДС в цепи, содержащей последовательно соединенные разнородные проводники. В технике обычно определяют удельную термо-ЭДС относительно меди, как основного проводникового материала. Однако, сложность в том, что и сама удельная термо-ЭДС зависит от температуры, причем зависимость эта в широком диапазоне температур обычно нелинейная, а для магнитных металлов — и немонотонная.

Явление возникновения термо-ЭДС используется для преобразования разности температур в электрическое напряжение в термопарах (спаях двух разнородных проводников) для измерения температуры и для получения электрической энергии в термоэлектрических генераторах. Это же явление в низковольтных электрических сигнальных цепях постоянного тока порождает дополнительную помеху.

В проводниках на переменном токе, как известно, существует ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ (скин-эффект), выражающийся в том, что под действием создаваемого переменным током магнитного поля ток вытесняется из толщи проводника к его поверхности. В бесконечно толстом проводнике плотность тока j=i/S экспоненциально уменьшается по мере удаления от поверхности (рис. 5.2, а):

где j0 — плотность тока у поверхности проводника, А/м2; x — расстояние от поверхности, м.

где — удельное сопротивление материала проводника, Омм; f — частота тока, Гц; 0= 4 10-7 Гн/м — магнитная постоянная; — относительная магнитная проницаемость материала проводника.

Изменение плотности тока по толщине для проводника конечной толщины иллюстрирует рис. 5.2, б.

Рисунок 5.2 — Поверхностный эффект:

а) плотность тока в проводнике бесконечной толщины; б) то же в проводнике толщиной h.

Вследствие неравномерного распределения тока по толщине проводника в нем возрастают потери энергии по сравнению с потерями на постоянном токе. Для уменьшения потерь известен ряд приемов и рекомендаций:

  • — для проводников на переменном токе использовать только немагнитные материалы;
  • — увеличивать суммарную поверхность проводника в том же сечении металла, заменяя проводник круглого сечения лентой, скруткой нескольких изолированных более тонких проводников или трубой;
  • — снижать шероховатость поверхности проводника качественной обработкой, а для защиты от коррозии покрывать благородными металлами.

Важность учета поверхностного эффекта иллюстрирует табл. 3, где указаны значения параметра экспоненты L в зависимости от частоты в медных проводниках. Если на низких частотах поверхностным эффектом можно пренебречь, то на частоте 10 кГц величина 2L одного порядка с диаметрами проводов в источниках вторичного питания на основе высокочастотных преобразователей, на частоте 100 МГц 95 % тока протекает в поверхностном слое толщиной 20 мкм, на частоте 10 ГГц (СВЧ диапазон с длиной волны 3 см) тот же слой составляет всего 2 мкм.

Проводниковые материалы

В зависимости от удельного электрического

ТАБЛИЦА 17.1. Электрические свойства металлов при 20 °С

сопротивления и применения проводниковые материалы подразделяют на следующие группы: 1) металлы и сплавы высокой проводимости; 2) припои; 3) сверхпроводники; 4) контактные материалы; 5) сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Металлы и сплавы высокой проводимости. Проводниковые металлы кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое сопротивление) должны иметь достаточную прочность, пластичность, которая определяет технологичность, а также коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности и электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: Си, Al, Fe.

Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим такие металлы (табл. 17.1) используют в технически чистом виде и, для достижения максимальной электрической проводимости, в отожженном состоянии.

Медь — проводниковый материал (ГОСТ 859-78). Наиболее чистая бескислородная медь имеет суммарное содержание примесей

Наиболее вредная примесь в меди — кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов и изделий из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержание кислорода в меди строго ограничено.

Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь Электрическое сопротивление такой меди близко к значению, приведенному в табл. 17.1. Такую медь получают переплавом электролитически очищенной меди в вакууме или переработкой катодной меди методами порошковой металлургии.

Медь указанных марок используют в виде проката: проволок разных диаметров, шин, полос и прутков.

Прокат из меди поставляется либо в отожженном, либо нагартованном состоянии. Отожженная медь имеет более высокую проводимость, нагартованная — большую прочность (табл. 17.2). Механические свойства меди зависят от диаметра провода. Малым диаметрам соответствуют большая прочность и меньшая пластичность как в нагартованном, так и в отожженном состояниях. Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных изделий, нагартованную медь — для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.

ТАБЛИЦА 17.2. Механические свойства и удельное электрическое сопротивление меди и алюминия

Для изделий, от которых требуется прочность выше используются латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающими большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.

Алюминий высокой чистоты , в котором общее содержание примесей составляет 0,02%, и алюминий технической чистоты в котором примесей соответственно 0,2; 0,3; 0,5%, используют в электротехнике (ГОСТ 4784-74).

Все примеси, так же как и в меди, снижают проводимость алюминия, которая несколько ниже, чем у меди (см. табл. 17.1).

Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью, поэтому из него изготовляют конденсаторную фольгу толщиной 6-7 мкм. Технически чистый алюминий используют в виде проволоки в производстве кабелей и токонесущих проводов.

Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом случае будет в

2 раза меньше. Так же, как и медь, алюминий используют или в отожженном, или нагартованном состоянии (см. табл. 17.2).

Для токонесущих проводов воздушных линий электропередачи с большими расстояниями между опорами используют алюминиевые сплавы более прочные, чем чистый алюминий (см. п. 12.1).

Легирование алюминия магнием и кремнием в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая пластичность и коррозионную стойкость: при

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки Эта пленка затрудняет пайку алюминиевых проводов обычными методами. Необходим специальный припой или ультразвуковые паяльники. Места контакта алюминиевого провода с медным следует покрывать лаком для защиты от атмосферной коррозии. Во влажной атмосфере алюминий в контакте с медью быстро разрушается вследствие электрохимической коррозии.

Железо значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала.

В таких случаях используют низкоуглеродистые качественные стали с содержанием углерода а также стали обыкновенного качества (см. п. 8.3). Эти стали обеспечивают достаточно высокую прочность и идут на изготовление шин, трамвайных рельсов, рельсов метро и железных дорог с электрической тягой. Сечение провода определяется не электрической проводимостью, а механической прочностью материала.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи повышенной частоты вследствие скин-эффекта распространяются по наружному слою провода. Сердцевина из стали воспринимает силовую нагрузку. Покрытие создается гальваническим способом или плакированием. Наружный медный слой предохраняет железо от атмосферной коррозии.

Биметаллический провод используют

в линиях связи и электропередачи. Кроме этого, из биметаллического материала изготовляют шины для распределительных устройств, различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Припои. Сплавы, используемые при пайке металлов высокой проводимости, — припои должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта).

Различают припои двух типов: для низкотемпературной пайки, имеющие температуру плавления до и для высокотемпературной пайки с более высокой температурой плавления. Для получения хорошего соединения припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем металл, подвергающийся пайке; в расплавленном состоянии припой должен хорошо смачивать поверхности. Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть близки.

Для этих целей используют припои на основе имеющих хорошую электрическую проводимость. Сплавы этих металлов образуют эвтектические смеси, электрическое сопротивление которых мало отличается от металлов, образующих сплав.

В приборостроении для низкотемпературной пайки применяют оловянносвинцовые и оловянно-цинковые (ГОСТ 21931 -76) припои.

Сплавы олова и свинца образуют диаграмму состояния эвтектического типа с твердыми растворами ограниченной растворимости. Сплав эвтектического типа (состав и имеет низкую температуру плавления 183 °С и хорошую жидкотекучесть, что обеспечивает качественное формирование шва и высокие механические свойства. Такой сплав обозначают Применяют также сплавы доэвтектического и заэвтектического составов. Цифра в марке указывает на содержание олова. Припои такого типа имеют переходное электрическое сопротивление и применяются для пайки очень тонких проводов из меди и медных сплавов, а также в тех случаях, когда недопустим высокий нагрев в зоне пайки.

Сплавы олова и цинка также образуют диаграмму эвтектического типа. Наилучшим припоем является сплав отвечающий эвтектическому составу: Сплав имеет самую низкую температуру плавления всех сплавов этой системы. Сплавы так же как и используют для пайки алюминия и его сплавов.

В тех случаях, когда требуется очень низкая температура нагрева, для пайки используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием. В процессе сплавления металлы образуют между собой легкоплавкие тройные и более сложные эвтектики, чем и объясняется низкая температура плавления сплавов. Следует отметить, что такие припои не обеспечивают высокой прочности соединения. Кроме того, сплавы с висмутом хрупки.

Припои для высокотемпературной пайки обеспечивают более прочные соединения, чем припои для низкотемпературной пайки, так как вследствие высокой температуры нагрева происходит взаимная диффузия элементов основного металла и припоя. Переходное электрическое сопротивление таких припоев ниже, чем низкотемпературных припоев.

В качестве высокотемпературных припоев используют медь, медно-цинковые и медно-фосфористые припои, а также припои, содержащие серебро. Медно-цинковые припои (цифра указывает содержание меди) имеют переходное электрическое сопротивление в пределах температура плавления их при увеличении содержания меди возрастает от 825 до Применение медно-фосфористых припоев ПМФ7 (цифра указывает процентное

содержание фосфора) позволяет вести пайку меди без флюса, что практически удобнее и проще.

Припои, содержащие серебро, очень технологичны, так как обладают хорошей растворимостью и смачиваемостью; пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое переходное сопротивление. Кроме серебра, содержание которого указывает цифра в марке, припой содержит медь или медь с цинком. В припоях переходное сопротивление возрастает от 0,022 до температура плавления соответственно изменяется от 779 до 920 °С (см. рис. 17.6).

Сверхпроводники. Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники.

С понижением температуры электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рис. 17.7). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля-материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (о-фаза, фаза Лавеса и др.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью.

Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой. В результате этого электроны с противоположно направленными спинами спариваются. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. Все электронные пары располагаются на низких энергетических уровнях, где они перестают испытывать тепловые рассеяния, так как энергия, которую пара может получить от взаимодействия с ионами решетки, слишком мала, чтобы вызвать это рассеяние.

Сверхпроводящее состояние разрушается не только в результате нагрева, но также в сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы (критические значения поля и тока).

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К (-263,83 °С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: Сплав содержит и имеет критическую температуру перехода 9,7 К -263,3 °С). Для Т = 4,2 К критические значения плотности тока составляют напряженность магнитного поля Проволоку из сплава состава из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на

Рис. 17.7. Изменение электрического сопротивления в металлах и сверхпроводниках в области низких температур

магнитной подушке), туннельных диодов (для ЭВМ).

Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, выталкивать магнитное поле, используют в магнитных насосах, позволяющих генерировать магнитные поля колоссальной напряженности, а также в криогенных гироскопах. Якорь гироскопа, изготовленный из сверхпроводника, «плавает» в магнитном поле. Отсутствие опор и подшипников устраняет трение и повышает долговечность гироскопа.

Контактные материалы. Электрические контакты подразделяют на разрывные, скользящие и неподвижные. Основное требование для всех контактов — малое переходное электрическое сопротивление.

Разрывные контакты. Эти контакты предназначены для периодического замыкания и размыкания цепи и работают в наиболее трудных условиях. В процессе работы разрывных контактов возникает искра или электрическая дуга, что вызывает коррозию и электроэрозионный износ.

В результате происходит окисление контакта. Это повышает переходное электрическое сопротивление, вызывает разогрев и сваривание (или прилипание) контакта. Электроэрозионное изнашивание приводит к появлению на контактных поверхностях кратера на одном контакте и иглы-на другом. Это объясняется тем, что металл контакта плавится, испаряется, распыляется на рабочей поверхности и переносится с одного контакта на другой. Сопротивление электроэрозионному изнашиванию в металлах растет с повышением температуры плавления, в сплавах оно дополнительно повышается с ростом твердости и прочности. Из сказанного следует, что материал для разрывных контактов должен иметь не только небольшое переходное электрическое сопротивление, но и хорошее сопротивление коррозии и электроэрозионному изнашиванию.

В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные и высоконагруженные.

Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов: золота, серебра, платины, палладия и их сплавов, которые обладают низким переходным электрическим сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления. Высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию эти металлы и сплавы не обладают, поэтому их можно использовать только в слабонагруженных контактах.

Обычно материалами для таких контактов служат серебро и сплавы на его основе. Основным преимуществом серебра является его высокая электрическая проводимость. Однако при воздействии электрической дуги оно окисляется и подвергается электроэрозионному изнашиванию. Окисление не приводит к значительному росту переходного электрического сопротивления, так как оксид серебра электропроводен и при нагреве восстанавливается. Чистое серебро применяют в слабонагруженных контактах при небольшой частоте переключений. Серебро технологично при производстве проката и наиболее дешево из всех благородных металлов.

Широко применяют также сплавы серебра с медью (см. рис. 17.6). Такие сплавы сохраняют высокую электрическую проводимость и имеют более высокие твердость и сопротивление электрическому изнашиванию, чем чистое серебро. Однако медь ухудшает стойкость сплавов против окисления, поэтому такие сплавы используют только в слабонагруженных контактах.

Высоконагруженные контакты изготовляют из вольфрама, молибдена, их сплавов и порошковых композиций.

Вольфрам благрдаря своей тугоплавкости хорошо сопротивляется электроэрозионному изнашиванию. Несмотря на окисление, вольфрам имеет невысокое и устойчивое переходное сопротивление, так как он достаточно

Рис. 17.8. Диаграмма состояния и свойства сплавов W — Мо

электропроводен, а оксидная пленка вольфрама при работе контакта разрушается. Кроме этого, такие контакты не свариваются при эксплуатации, их применяют при большой частоте переключения.

Такое же назначение имеют сплавы вольфрама с молибденом (рис. 17.8). Эти сплавы, содержащие 40- 50% Мо, обладают высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию, но вследствие образования непрерывного ряда твердых растворов, электрическое сопротивление сплавов и переходное электрическое сопротивление велики. Сплавы обладают пониженным сопротивлением газовой коррозии, так как молибден и вольфрам образуют легко испаряющиеся оксидные пленки. Такие сплавы можно использовать для мощных контактов, но в среде инертных газов или в вакууме. Сплавы вольфрама с используют также для нитей накаливания электрических ламп и катодов, как сплавы повышенного электрического сопротивления.

В наиболее мощных контактах используют спеченные композиции вольфрама с серебром или медью, либо спекают пористый вольфрам, который затем в вакууме пропитывают жидкой медью или серебром.

Разработан способ обработки серебряно-медных контактов — метод внутреннего окисления. Сплав содержащий 10% Си, подвергают длительному окислению при температуре на воздухе. Благодаря большой растворимости и скорости диффузии кислорода в серебре (в а-фазе) он проникает в металл и окисляет менее благородную медь ( -фазу). В результате такой обработки получается композиционный материал: в серебряной матрице равномерно распределены оксиды меди. Наличие оксидов меди повышает сопротивление свариванию и стойкость против электроэрозионного изнашивания. Такие сплавы применяют в тяжело-нагруженных контактах. Кроме того, такие материалы можно использовать в скользящих контактах, так как у них высокое сопротивление свариванию.

Скользящие контакты. К материалам для скользящих контактов предъявляют те же требования, что и для разрывных. Но основное требование-высокое сопротивление свариванию. Кроме окисленного серебряно-медного сплава для скользящих контактов применяют композиции из порошков меди или серебра с небольшой добавкой графита, препятствующего свариванию Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.

Неподвижные контакты. Эти контакты должны иметь низкое значение переходного электрического сопротивления. Кроме того, оно должно быть стабильным при небольших контактных усилиях. Поэтому для зажимных контактов выбирают коррозионно-стойкий материал, не образующий оксидных пленок высокого электрического сопротивления на контактной поверхности. Всем этим требованиям удовлетворяют медь, латунь, цинк.

ТАБЛИЦА 17.3. (см. скан) Свойства реостатных сплавов

Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением используют для прецизионных элементов сопротивления (обмоток потенциометров, шунтов, катушек сопротивления, резисторов, термопар, тензометрических датчиков) и нагревательных элементов электрических приборов и печей.

Повышенным сопротивлением обладают металлические сплавы со структурой твердых растворов. Электрическое сопротивление таких сплавов (см. рис. 17.5) выше сопротивления металлов его составляющих. Сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, а также высокой жаростойкостью, что особенно важно для нагревательных элементов.

При использовании сплавов в электроизмерительных приборах в паре с медью от них требуется малая термоэлектродвижущая сила . В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому они должны обладать хорошей пластичностью. Все сплавы с повышенным сопротивлением в зависимости от рабочей температуры делят на три группы.

Сплавы, рабочая температура которых не выше используют для изготовления прецизионных элементов сопротивления. К ним относятся медные сплавы, легированные никелем и марганцем. Маркировка, химический состав и электрические свойства таких сплавов приведены в табл. 17.3.

При легировании никелем медный сплав (константан) имеет высокое значение удельного электрического сопротивления при малое значение Однако из-за высокого значения в паре с медью (рис. 17.5) константан применяется в основном только для изготовления термопар.

Замена никеля в медном сплаве марганцем, сохраняя сопротивление и понижает (см. рис. 17.5). Сплав МНМц 3-12 (манганин) имеет широкое применение для прецизионных элементов сопротивления: резисторов, теплодатчиков, шунтов и др.

Для получения стабильных значений электрического сопротивления и коэффициента электрического сопротивления проволоку из манганина подвергают рекристаллизационному отжигу в вакууме при а после изготовления элементы сопротивления повторно нагревают (до для устранения остаточных напряжений.

Общим недостатком медных сплавов является их склонность к окислению при нагреве, что изменяет переходное электрическое сопротивление. Поэтому часто используют сплавы на основе серебра, палладия, золота, платины. Серебряный сплав с имеет Значение близко к нулю после -часового старения при Такие сплавы используют при нагреве до

Каждый электрик должен знать:  Ключи на биполярных транзисторах

Сплавы, рабочая температура

ТАБЛИЦА 17.4. Свойства сплавов для нагревательных элементов

которых менее 1200 °С, используют также для элементов сопротивления и нагревательных элементов. Это сплавы на основе железа и никеля. Легирование хромом обеспечивает им высокое электрическое сопротивление и жаростойкость (см. п. 14.2). Маркировка, химический состав и свойства таких сплавов приведены в табл. 17.4. Сплавы на основе железа недефицитны. В этом их преимущество по сравнению с нихромами. Однако дополнительное легирование алюминием для повышения жаростойкости ухудшает пластичность, что затрудняет получение проволоки малого сечения. Сплавы на основе железа используют для реостатов и нагревательных элементов в мощных электронагревательных установках и промышленных печах.

При температурах выше 1200 °С (в вакуумных печах) используют сплавы на основе тугоплавких металлов W, Мо, Та. Для изготовления нагревателей электрических печей (до 1500°С) применяют также керамические материалы, например, силитовые стержни, которые спекают из карбида кремния. Силит является полупроводниковым материалом и имеет высокое электрическое сопротивление. Распространены также нагреватели из дисилицида молибдена

Раздел 1 ФИЗИКО — ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6

Раздел 3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным сопротивлением p , которое возрастает с увеличением температуры. Хорошая электропроводность обусловлена большим количеством свободных электронов, способных покинуть атомы. Концентрация свободных электронов в чистых металлах различается незначительно. Если в проводнике создается электрическое поле, то под действием этого поля электроны приобретают ускорение, пропорциональное напряженности, в результате чего возникает направленное движение электронов, течет электрический ток.

К проводниковым относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах очень мало.

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материалы делят на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным относятся пары веществ и газы при таком значении напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало процесса ионизации молекул. В ионизированном газе перенос электрических зарядов осуществляется как электронами, так и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, плазму . Проводимость газов используется в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относятся различные растворы солей, кислот, щелочей и др. веществ, а также их расплавы, проводящие электрический ток и называемые электролитами . Жидкими проводниками являются также расплавы металлов. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет -39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

Твердыми проводниками материалами являются металлы и их сплавы. Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами, поэтому твердые и жидкие металлы часто называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот, щелочей, проводящие электрический ток , называют проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.


Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на металлы высокой проводимости ( p≤ 0,1 мкОм*м) и сплавы высокого сопротивления (p≥ 0,3 мкОм*м).

Металлы высокой проводимости (серебро, медь, алюминий, железо, золото и др.) используют для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, в контактных материалах и припоях.

Кроме того, в настоящее время находят большое применение сверхпроводники, обладающие ничтожно малым удельным сопротивлением при очень низких температурах (алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном, цирконием и др.).

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов и резистивных элементов различных типов и назначения. Распространены: медно-марганцевые сплавы (манганины), медно-никелевые сплавы (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихром).

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов

Рисунок 3.1 – Схема строения металлического проводника ( а ) и образования межмолекулярной связи.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Кристалл представляется в виде пространственной решетки, узлы которой заняты положительными ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны, то есть электроны «стягивают» ионы, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами. Электроны постоянно переходят от одного атома к другому, вращаясь то вокруг одного, то другого атомного ядра. Ввиду того, что обобществленные электроны не связаны с определенными ионами, под влиянием даже небольшой разности потенциалов они приобретают преимущественное направление движение, то есть возникает электрический ток. Следовательно, высокая электропроводность металлов является следствие наличия в них свободных электронов («электронного газа»).

Ионы в узлах кристаллической решетки с металлической связью не являются абсолютно неподвижными и совершают хаотические колебания. При нагреве колебания ионов увеличиваются, и как следствие, затрудняется свобода движения электронов. Поэтому при нагреве металлов их электропроводность падает. Очевидно, что электропроводность является характеристикой материала , зависит от его структуры (агрегатного состояния, дефектов, примесей и т.д.), зависит от температуры и внешних воздействий (магнитного поля, облучения, напряженности электрического поля и т.д.). Определяющей составляющей в электропроводности является подвижность носителей зарядов в материале.

Высокая теплопроводность металлов объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами (обусловлена движением электронного газа и его плотностью), поэтому металлы с хорошей электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла.

Для металлов количественное соотношение между электропроводностью и теплопроводностью устанавливает закон Видемана – Франца – Лорентца:

где γ т – коэффициент теплопроводности, Вт/м К; γ – удельная проводимость металла, См* м -1 , величина обратная ρ; Lo – число Лорентца, равное 2,45*10 -8 В 2 /К 2 ; Т – абсолютная температура металла, К.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, которое допускает скольжение одних слоев относительно других под воздействием внешнего воздействия.

При контакте двух металлов возникает термоэлектродвижущая сила, что объясняется следующим образом:

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа . Величина U для различных пар металлов колеблется от десятых долей вольта до нескольких вольт. Если в замкнутой цепи двух проводников один контакт нагреть до температуры t1, а другой до t2, то в цепи возникает термо-ЭДС

где К – коэффициент термо-ЭДС, постоянный для данной пары проводников, В/К.

В общем случае термопара состоит из термоэлектродной пары (пары проволок из разнородных материалов, сваренных с одного конца) и удлинительных (компенсационных) проводов, подсоединяемых к свободным концам термопары.

Рисунок 3.5 – Устройство термопары

Она проявляется при достаточно низких температурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений. При температурах близких к абсолютному нулю становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование электронных (куперовских) пар. Они обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергией между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным 0. При повышении температуры куперовские пары распадаются и сверхпроводимость исчезает.

При охлаждении проводника примерно до -173 о С тепловое движение электронов и тепловые колебания атомной решетки замедляется. Число соударений электронов и атомов сокращается, и сопротивление проводника падает. При достижении криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,2К), водорода (20,3К), азота (77,4К), удельная проводимость металла возрастает в сотни и тысячи раз (криопроводимость) по сравнению с проводимостью при нормальной температуре. Но сверхпроводимость не наступает.

Свойства проводниковых материалов

К основным параметрам проводниковых материалов относятся:

1) удельное электрическое сопротивление проводника с сопротивлением R. постоянным поперечным сечением S и длиной l вычисляется по формуле

Значение ρ у металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

ρ ≤ 0,1 мкОм*м –металлы высокой проводимости;

ρ ≥ 0,3 мкОм*м – сплавы высокого сопротивления;

При возрастании температуры сопротивление проводника увеличивается и может быть определено:

R 2 = R 1[1 + α ( t 2 – t 1)],

где R2 – сопротивление проводника при температуре t2 ;

R1 – сопротивление проводника при температуре t1 ;

α –температурный коэффициент сопротивления;

(t2 – t1)].- повышение температуры.

2) температурный коэффициент удельного сопротивления – ТКρ или α;

Характеризует относительное изменение электросопротивления при изменении температуры на один градус, т.е. является мерой чувствительности сопротивления к температуре, или, напротив, мерой его термической стабильности. ТКС для металлов положителен и в среднем составляет 4*10 -3 К -1

Для проводников высокого сопротивления ТКС должен быть как можно меньшим.

Если взять не сплав, а чистый металл, то удельное электрическое сопротивление связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации и тепловые колебания собственных атомов, Поэтому удельное сопротивление

ρ = ρ тепл + ρ ост ,

ρ тепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки;

ρ ост , — удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов кристаллической решетки.

Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис.3.2.

Рисунок 3.2 – Зависимость удельного сопротивления металла от температуры.

Кривая 1 – идеальная характеристика.

Однако на практике такая кривая не реализуется, а обычно получается кривая 2, т.к. полностью исключить примеси и избежать искажений кристаллической решетки не удается. При низкой температуре начинает сказываться сопротивление, обусловленное наличием даже малого количества примесей в металле. Некоторые вещества имеют аномальную зависимость  = (Т) и при температуре

Рисунок 3.4 – Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди ( а ) и при низких температурах для меди и алюминия ( б ).

При достижении Т пл увеличивается объем металла, т.е. уменьшается его плотность, а вместе с ней и концентрация носителей. В результате сопротивление меди возрастает примерно в 2,4 раза. Для металлов, уменьшающих свой объем при плавлении (галлий, висмут, сурьма), значение  имеет тенденцию к уменьшению.

3) коэффициент термо-э.д.с.;

Коэффициент термо-э.д.с проводников для термопар подбирается большим по величине, постоянным в широком температурном диапазоне и стабильным во времени. Там где наличие термо-ЭДС нежелательно – минимальный коэффициентт относительно медных проводов.

4) коэффициент теплопроводности – γ т прямо пропорционален удельной проводимости γ. Теплоотводящие устройства изготовляют из материалов с высокой электрической проводимостью – медь, алюминий и сплавы на их основе.

5) Из механических свойств наиболее важными являются предел прочности при растяжении – σ р и относительное удлинение – Δ l / l . Сильно зависят от режимов механической и термической обработки.

Характер влияния металлической примеси на величину удельного сопротивления данного металла зависит от типа образуемого сплава. Если взять сплав любого химического состава, со структурой твердого раствора, он всегда будет состоять из однородных зерен, в узлах кристаллической решетки которых будут находиться атомы металлов А и В в разных соотношениях в зависимости от состава сплава. Наличие разнородных атомов приведет к искажению кристаллической решетки. Если пропускать ток , то сопротивление движению электронов будет тем больше, чем больше будет искажена эта решетка в зернах сплава. Максимальное искажение, очевидно, будет тогда, когда в сплаве содержится 50% атомов А и 50% атомов В. В этом случае удельное сопротивление будет максимальным. При этом тем меньше будет величина температурного коэффициента удельного электрического сопротивления сплава.

Поэтому при создании металлического сплава с повышенным удельным электрическим сопротивлением необходимо подбирать компоненты сплава таким образом, чтобы они взаимно растворялись друг в друге и максимально искажали кристаллическую решетку.

Если оба компонента не растворяются друг в друге, то сплав имеет структуру механической смеси и состоит из зерен, каждое из которых содержит атомы только одного компонента ( металла А или металла В). В этом случае, в каком бы направлении ни протекал электрический ток, он всегда будет протекать попеременно по зернам металлов А и В, а характеристики будут усредняться, поэтому свойства сплавов находятся между свойствами составляющих металлов.

В случае химического соединения двух металлов зависимость удельного сопротивления и его температурного коэффициента от содержания компонентов будет сложной, зависящей от характера соединений, образующихся при разных составах сплава.

Если взять не сплав, а чистый металл, то удельное электрическое сопротивление связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации, и тепловых колебаний собственных атомов.

Тема 3.3 Материалы высокой проводимости

К материалам высокой проводимости предъявляют следующие требования: минимальное удельное сопротивление – ρ; достаточно высокие механические свойства; способность легко обрабатываться; способность давать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения; коррозионная стойкость.

К материалам этой группы относятся: медь, алюминий, серебро и сплавы на основе этих металлов.

Медь и ее сплавы

Медь – металл красноватого цвета, очень дефицитный, его содержание в земной коре составляет не более 4,7 *10-3%. Этот металл получил широкое распространение в качестве проводникового металла, так как обладает рядом технически ценных свойств: малое удельное сопротивление; высокая механическая прочность; удовлетворительная коррозионная стойкость даже в условиях повышенной влажности. Кроме того, медь хорошо обрабатывается, легко прокатывается в ленты, фольгу, проволоку; хорошо паяется и сваривается.

Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов, медь, , предназначаемую для элек­тротехнических целей, обязательно под­вергают электролитической очистке. Полученные после электролиза катод­ные пластины меди переплавляют в бол­ванки массой 80. 90 кг, которые про­катывают и протягивают в изделия тре­буемого поперечного сечения.

Методом холодной протяжки полу­чают твердую (твердотянутую) медь (маркируется МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий пре­дел прочности при растяжении и малое относительное удлине­ние, а также твердость и упругость при изгибе; проволока из твер­дой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (маркируется ММ), которая сравнительно пла­стична, обладает малой твердостью и небольшой прочностью, но весьма большим относительным удлинением при разрыве и более высокой удельной проводимостью. Отжиг меди производят в спе­циальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, по отношению к которой выражают в про­центах удельные проводимости металлов и сплавов в отожженном состоянии при 20 °С, имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. р = 0,0172 мкОм * м.

Марки меди. Из выпускаемых в стране марок стандартной меди в качестве проводникового материала используются медь Ml и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в ос­новном металле. Так, медь Ml содержит 99,90 % Сu, а в общем числе примесей (0,10 %) кислорода должно быть не более 0,08 %. Кислород является одной из наиболее вредных примесей в меди. При повышенном его содержании заметно ухудшаются механи­ческие и технологические свойства меди, а также затрудняется пайка и лужение. Медь, содержащая более 0,1 % кислорода, легко разрушается при горячей обработке давлением, т.е. обладает крас­ноломкостью. Лучшими механическими свойствами обладает медь М0 (99,95 % Сu), в составе которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02 % кислорода. Такую медь получают путем специального режима плавки. Из меди М0 может быть изготовлена наиболее тонкая проволока.

Специальные сорта меди . В электровакуумной технике применяются сорта меди, не содержащие кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в защитной атмо­сфере восстановительного газа СО. Выделяющийся при нагревании меди кислород вступает в реакцию с закисью углерода и удаляет­ся в виде углекислого газа. Лучшая бескислородная медь содержит 99,97 % Сu. Еще более чистым металлом является вакуумная медь, выплавленная в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении газа порядка 10-3 Па. Она может содержать 99,99 % Сu. Свободная от кислорода медь по механиче­ской прочности и электрической проводимости мало отличается от электролитической меди, переплавленной обычным способом. Ее существенным преимуществом является высокая пластичность.

Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чув­ствительна к наличию примесей. Так, при содержании в меди 0,5 % примеси Zn, Cd или Ag удельная проводимость ее снижается на 5 %. При том же содержании Ni, Sn или А l удельная проводимость меди уменьшается на 25. 40 %. Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si или Р, снижающие ее удельную проводимость на 55 % и более. В то же время присадки многих металлов повышают механическую проч­ность и твердость меди как в холоднотянутом, так и отожженном состояниях.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок. Ско­рость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной пленки с металлом неве­лика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных кон­тактов. При высокой температуре в электрической дуге оксид меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металличе­ское отслаивание и термическое разложение оксидной пленки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Значительное влияние на механические свойства меди оказы­вает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшиться в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присут­ствующего в технической меди в виде оксида Сu2О. Водород, лег­ко проникая вглубь металла при повышенных температурах, всту­пает в реакцию:

Сu 2 О + Н 2 = 2Сu + Н 2 O

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначительной скорости диффузии его может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, на­рушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хруп­кость и ломкость. В производстве это явление называют «водород­ной болезнью».

В меди, содержащей менее 0,001 % кислорода, «водородной болезни» практически нет. Однако и в бескислородной меди по­сле термообработки в водороде может наблюдаться ухудшение пла­стичности при повышенных температурах (300. 800°С). Дело в том, что при нагревании происходит распад твердого раствора водорода в меди. Выделяющийся газ, находясь под большим дав­лением, разрывает металл и скапливается главным образом по границам зерен. При растяжении эти места становятся слабыми участками.

Применение меди. Медь применяется в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных ус­тройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токо-ведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используются в качестве экра­нов кабелей. Твердая медь употребляется в тех случаях, когда не­обходимо обеспечить особенно высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например для изготов­ления неизолированных проводов. Если же требуется хорошая гиб­кость и пластичность, а предел прочности на растяжение не име­ет существенного значения, то предпочтительнее мягкая медь (на­пример, для монтажных проводов и шнуров). Из специальных элек­тровакуумных сортов меди изготовляют детали клистронов, маг­нетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии СВЧ-приборов, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кро­ме того, медь используется для изготовления фольгированного гетинакса и стеклотекстолита и применяется в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений меж­ду функциональными элементами схемы.

Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол медь применя­ется для спаев со стеклами, поскольку она обладает рядом заме­чательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и вы­сокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному элек­троду придается специальная форма в виде тонкого рантика, бла­годаря чему такие спаи называются рантовыми.

Если требуется повышенная прочность, а также стойкость к истиранию, то используют сплавы меди – латунь и бронзу, хотя они имеют более высокое удельное сопротивление. Латунь представляет собой сплав меди с цинком, содержащий иногда некоторые добавки (Mn,Fe) в количестве до 1 – 2%.

Бронза – сплав меди главным образом с оловом, кадмием и бериллием.

Высокими механическими свойствами при хорошей электропроводности обладает кадмиевая и бериллиевая бронзы. Бронзы применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и пружин точных приборов.

Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей.

Проводниковые материалы

К основным характеристикам проводниковых материалов относятся:

1) удельная проводимость или обратная величина — удельное электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления;

3) удельная теплопроводность;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо — э. д. с);

5) предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе, даже в условиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо); интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатываемость — медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5) относительная легкость пайки и сварки.

Вторым по значению, после меди, проводниковым материалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейший представитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.

Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает по сравнению с медью пониженными свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода. Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.

Отсюда вытекает простое экономическое правило: для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е. при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях передаваемой электрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза.

В настоящее время в нашей стране, исходя из экономических соображений, алюминий не только, как правило, заменил медь для воздушных линий передач, но начинает внедряться и в производство изолированных кабельных изделий.

Pereosnastka.ru

Обработка дерева и металла

Проводниковые материалы представляют собой вещества, хорошо проводящие электрический ток и служащие для изготовления токоведущих частей радиоаппаратуры. Они могут быть твердыми (металлы, сплавы) и жидкими (электролиты).

Металлические проводники делятся на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Первые используют при изготовлении проводов, волноводов, кабелей, обмоток трансформаторов, вторые идут на изготовление проволочных резисторов.

Медь — металл характерного красноватого цвета. Обладает высокой проводимостью, достаточной прочностью, пластичностью и ковкостью, хорошо поддается обработке. Легко паяется и сваривается. Относительно стоек к коррозии. Выпускается двух марок: ММ (медь мягкая — отожженная) и МТ (медь твердая — твердо-тянутая). Применяется для изготовления проводов и других токоведущих частей (шины, экраны), а также как конструкционный материал (марка МТ). Выпускается в виде листов, проволоки и лент.

Бронзы — сплавы меди с оловом, кремнием, кадмием, бериллием, фосфором, хромом, магнием. Марка бронзы определяется ее составом. Бронзы обладают повышенными механическими свойствами по сравнению с чистой медыо. Применяются для изготовления токопроводящих пружин, токосъемников переменных конденсаторов, скользящих контактов переменных сопротивлений, штепсельных и пружинных контактов, ножей и губок выключателей.

Латунь — сплав меди с цинком. Обладает пластичностью, вязкостью, хорошо обрабатывается, легко паяется, устойчива против коррозии. Латунь применяется для разных токопроводящих деталей (лепестки, клеммы и т. п.), а также для подстроечных сердечников в контурах высокой частоты.

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета. Легко окисляется на воздухе, покрываясь тончайшей очень прочной окисной пленкой. Окисная пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии, но создает и ряд неудобств: так, для пайки алюминия необходимо применять специальные методы; кроме того, в местах соединений алюминиевых проводов резко увеличивается сопротивление; окисная пленка хрупка и гигроскопична. Алюминий обладает очень высокой электропроводностью; он в несколько раз легче и дешевле меди, что и обеспечивает его .широкое применение в качестве электропроводов.

Алюминий применяется для изготовления фольги, корпусов и электродов для конденсаторов. Из него штампуют пластины переменных конденсаторов и т. п. Существуют определенные марки алюминиевых сплавов для литья (АЛ), для штамповки и ковки (АК, АМГ , АМЦ ).

Серебро — благородный металл. Обладает хорошей теплопроводностью и малым удельным сопротивлением. До 200 °С устойчив к атмосферной коррозии. Применяется при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов (вжигание серебра в керамику и слюду для получения обкладок), для изготовления припоев марок Пер, а также для покрытия медных проводов.

Олово — мягкий, тягучий металл серебристо-белого цвета; хорошо куется и прокатывается. Стоек к окислению, влаге и кислотам. Широко применяется для изготовления припоев и защитных покрытий (лужение).

Свинец — тяжелый, мягкий металл серого цвета, блестит на срезе, обладает малой прочностью (особенно при вибрациях). Стоек к коррозии. Применяется как защитное покрытие от радиационного излучения, в качестве оболочек кабелей, в плавких предохранителях и для приготовления припоев.

Цинк — светлый металл, применяемый для защитных покрытий (цинкование). Используется также для металлизации бумаги в металло-бумажных конденсаторах. В вакууме испаряется при 600° С.

Никель — светло-серый металл, применяемый для защитных и декоративных покрытий. Используется также в ряде магнитных сплавов, например альии, альнико.

Ртуть — жидкий тяжелый металл, имеет отрицательную температуру плавления. Легко окисляется. Пары ртути ядовиты. Применяется в ртутных выпрямителях, ртутных контактах, реле.

Нихром — сплав никеля и хрома. Обладает большим удельным сопротивлением, высокой жаростойкостью и механической прочностью. Применяется в нагревательных элементах (паяльники, электропечи, плитки) и в потенциометрах.

Маиганин — сплав меди, марганца и никеля. При температуре свыше 100° С быстро окисляется. Применяется для образцовых сопротивлений и в измерительной аппаратуре.

Константан — сплав меди и никеля. Хорошо обрабатывается. Выпускается, как нихром и манганин, в виде проволоки и лент. Применяется для изготовления регулировочных реостатов и термопар.

В качестве неметаллических проводников могут быть использованы такие материалы, как природный графит, пиролитический углерод, боруглеродистые пленки, сало и другие. Эти материалы являются основами токопроводящего слоя иепроволочных линейных резисторов (сопротивлений) ВС, МЛТ , БЛП , УЛМ , КЛВ , ТВО и т. п.

Среди наиболее употребительных проводниковых изделий следует отметить монтажные и обмоточные провода, радиочастотные кабели.

Монтажные провода. При монтаже радиоаппаратуры применяют различные марки монтажных проводов: провод одножильный без изоляции луженый диаметром 0,64—1,35 мм многожильные луженые ПБДЛ и ПБДОЛ ; многожильные в резиновой изоляции, покрытой лакированной хлопчатобумажной оплеткой ЛПРГС и БПВЛ , провода МГВ , МГВЛ , МГБД , МГШД и т. д.

Обмоточные провода. В качестве обмоточных проводов наиболее применимы: провод эмалированный лакостойкий Г13Л, провод в хлопчатобумажной изоляции с одним, двумя или тремя слоями ПВО , ПБД , ПБТ ; провод в шелковой изоляции с одним или двумя слоями ПИЮ и ПШД , а также провода с комбинированной изоляцией ПЭЛШО , ПЭШО и ПЭШД .

Для обмоток, используемых в условиях повышенной влажности, агрессивной среды и высокой температуры (до 200—250° С), выпускается обмоточный провод двух марок диаметром 0,05— 1,00 мм, изолированный фторопластом:

ПИФЭ -1 — провод, изолированный фторопластом 40-Д с нормальной толщиной покрытия;

ПИФЭ -2 — провод, изолированный фторопластом 40-Д с повышенной толщиной изоляции.

Радиочастотные кабели. Радиочастотные кабели бывают двух разновидностей: коаксиальные и симметричные. Первые используют как согласующие элементы УКВ антенн и кабели задержки и согласования антенн телевизионных приемников и маломощных радиостанций, вторые — для антенных вводов.

Коаксиальные кабели имеют внутреннюю жилу (центральный провод) из одного или нескольких медных проводников. Вокруг центрального проводника расположен один или несколько слоев высокочастотной изоляции. Поверх изоляции надета оплетка из медной проволоки, играющая роль второго провода и экрана. Сверху экран закрыт защитной оболочкой из прочного изоляционного материала. Изоляция между внешним проводом — экраном и внутренней жилой может быть сплошная или выполненная из отдельных шайб, звездочек или спирали. Некоторые кабели имеют комбинированную изоляцию, т. е. отдельные изоляционные шайбы сверху закрыты сплошной изоляцией из высокочастотного диэлектрика.

Каждый электрик должен знать:  Сравнительная характеристика болтовых наконечников и традиционных кабельных наконечников

Коаксиальные кабели чаще всего выполняются гибкими, однако в тех случаях, когда внешний провод представляет собой сплошную металлическую трубку, кабель может быть жестким.

Симметричные кабели изготовляют в виде двух параллельно расположенных проводников в изоляции. В некоторых конструкциях симметричных кабелей каждый проводник помещен в экранирующую оплетку. Такие кабели представляют собой как бы два параллельно идущих коаксиальных кабеля, заключенных в общую защитную оболочку из изоляционного материала.

Коаксиальные кабели согласования и задержки отличаются от обычных большим волновым сопротивлением, что достигается искусственным увеличением их индуктивности, для чего внутреннюю жилу кабеля выполняют в виде спирали.

Для изоляции внутреннего провода и внешней оплетки кабелей используют полиэтилен, фторопласт, полистирол, стирофлекс, высокочастотную резину и неорганическую изоляцию. Внешнюю защитную оболочку кабеля изготовляют из полихлорвинилового пластика, резины, стекловолокна, свинца, оплетки из стальной проволоки.

Монтаж высокочастотного кабеля не требует каких-либо специальных приспособлений. Так как внешняя оплетка коаксиального кабеля обычно заземляется, кабель прокладывают без специальных изоляторов прямо по корпусу аппаратуры или стенам помещений. Для соединения отдельных кусков кабеля спаивают внутренние проводники и внешний экран. Подключают радиочастотный кабель к аппаратуре специальными разъемами, обеспечивающими хороший контакт между кабелем и тем или иным устройством.

Промышленностью выпускаются радиочастотные кабели с изоляцией из кабельного полиэтилена РК — 50—3—13, РК — 50—7— 15, РК —50—11—13, РК —50—9—12, РК —50—13—15 и др., имеющие волновое сопротивление 50 ом, максимальную емкость 110—115 пф/м и испытательное напряжение от 4 до 14 кв\ кабели РК — 75—9—12, РК — 75—7—16 с волновым сопротивлением 75 ом, максимальной емкостью 75 пф/м и испытательным напряжением 10 кв кабели РК — 100—7—13, имеющие волновое сопротивление 100 ом, максимальную емкость 57 пф/м и испытательное напряжение 6 кв. Кроме того, выпускаются кабели со сплошной фторопластовой изоляцией, такие, как РК — 50—7—21, РК — 75—7—21, РК— 100—7—21, имеющие соответственно волновое сопротивление 50, 75 и 100 ом, максимальную емкость 106, 70 и 50 пф/м и испытательное напряжение 9, 10 и 6 кв.

Классификация проводниковых материалов по характеру применения в РЭА


По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,1 мкОм·м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм·м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных мате­риалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, обкладок конденсаторов, тонкопленочных проводников и контактных площадок в ИМС, выводов радиоэлементов

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов, материалов для нагревательных элементов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы ни­келя и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электри­ческим сопротивлением ρ при очень низких температурах называ­ются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

6. Медь: свойства, достоинства и недостатки, применение.

Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:

— малым удельным электрическим сопротивлением (из всех метал­лов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);

— высокой механической прочностью;

— удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в услови­ях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно мед­леннее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди проис­ходит только при повышенных температурах);

— хорошей паяемостью и свариваемостью;

— хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).

Медь получают чаще всего в результате переработки сульфид­ных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содер­жание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопро­тивления на 1. 5%. Поэтому медь, предназначенная для электро­технических целей, обязательно подвергается электролитической очистке.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной кор­розии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окис­ления быстро возрастает при нагревании, однако проч­ность сцепления окисной пленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение окисной пленки вызывает повышенный износ медных кон­тактов при сильных токах.

Значительное влияние на механические свойства меди оказывает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшить­ся в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присутствующего в техни­ческой меди в виде закиси Сu2О. Водород, легко проникая в глубь металла при повышенных температурах, вступает в реакцию:

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначи­тельной скорости диффузии его может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, нарушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хрупкость и лом­кость. В производстве это явление называют водородной болезнью.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).

Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обес­печить высокую механическую прочность, твердость и сопротив­ляемость истиранию: для контактных проводов, шин распредели­тельных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.

После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270 °С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3. 5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандар­том, по отношению к которому удельную электрическую проводи­мость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20°С. Удельная электрическая проводимость такой меди рав­на 58 мкСм/м, соответственно ρ = 0,017241 мкОм·м при значении ТКρ = 4,3·10 -3 К -1 .

Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабе­лях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет боль­шого значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнет­ронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др.

Кроме того, медь используют для изготовления фольгированного гетинакса и применяют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

Несмотря на большой температурный коэффициент линейного расширения по срав­нению с коэффициентом расширения стекол, медь применяют для спа­ев со стеклами, поскольку она обладает рядом замечательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и высокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному электроду придают специальную форму в виде тонкого рантика, благодаря чему такие спаи называют рантовыми.

Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротех­нических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с дру­гими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было пере­плавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводни­ковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюми­нием.

В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.

7. Бронзы и латуни: свойства, особенности и применение.

Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является ос­новным легирующим элементом, называют бронзами.

При правильно подобранном составе бронзы имеют значитель­но более высокие механические свойства, чем чистая медь (значе­ния предела прочности бронз могут доходить до 800. 1200 МПа и более). Бронзы обладают малой объемной усадкой (0,6. 0,8%) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5. 2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из бронзы.

Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. На­пример, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллия Be, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фос­фора Р, остальное медь Cu).

Введение в медь кадмия дает существенное повышение механи­ческой прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости γ.

Кадмиевую бронзу БрКд 0,9 (0,9% кадмия Cd, остальное Cu) применяют для контактных проводов и коллекторных пластин осо­бо ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах сварки.

Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью, твердостью и стойкостью к механическому износу (пре­дел прочности при растяжении σp до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250°С. Она находит применение при изготовлении ответственных токоведущих пружин для электрических приборов, щеткодержателей, токоштепсельных и скользящих контактов.

Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фосфора Р, остальное медь Cu) отличается низкой электропроводностью. Из нее изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в электроприборах.

Латуни. Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%).

Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высо­ким относительным удлинением при повышенном пределе проч­ности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют по­ниженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец.

Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпач­ки радиотехнических ламп).

В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозна­чение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие ле­гирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb, остальное цинк Zn).

8. Алюминий и его сплавы: свойства, особенности и применение.

Алюминий относится к так называемым легким ме­таллам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного — 2700 кг/м 3 ).

Алюминий обладает следующими особенностями:

— удельное электрическое сопротивление ρ алюминия (при содер­жании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

— алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

— из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плав­ления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавле­ния требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавле­ние такого же количества меди;

— даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках сто­имость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако исполь­зование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

— алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, ко­торая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но созда­ет большое переходное сопротивление в местах контакта алюми­ниевых проводов, что затрудняет пайку Al обычными способами. Чтобы разрушить оксидную пленку AL, используется ультразвук. Оксидная пленка очень прочно сцеплена с поверхностью Al, содержащего незначительное количество примесей. Поэтому Al высокой чистоты чрезвычайно стоек к кислотам, морской воде и другим средам;

— алюминий менее дефицитен, чем медь;

— существенным недостатком алюминия как проводникового ма­териала является низкая механическая прочность, для ее повыше­ния алюминий подвергается механической обработке;

— прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям для меди;

— примеси значительно снижают проводимость алюминия.

— алюминиевая фольга толщиной 6-7 мкм применяется в качестве обкладок в бумажных конденсаторах или пластины конденсаторов переменной емкости;

— из тонкой алюминиевой фольги, учитывая ее отражательные способности, изготавливают экраны для защиты чувствительной измерительной аппаратуры от воздействия тепла, излучаемого телом человека;

— промышленностью выпускаются с алюминиевой обмоткой провода с круглыми и прямоугольными жилами в волокнистой или резиновой изоляции, широко распространенные кабели с алюминиевыми жилами для прокладки в земле, под водой внутри туннелей и т.д. Алюминиевые провода легче проводов из Cu, но обладают меньшей прочностью, поэтому для обеспечения необходимой надежности используются сталеалюминевые многожильные провода с центральной стальной жилой;

— из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной межвитковой и междуслойной изоляции. Но алюминиевые провода с оксидной изоляцией имеют недостатки: ограниченную гибкость и заметную гигроскопичность. В некоторых случаях, чтобы избежать последнего недостатка, изоляцию покрывают лаком;

— алюминиевые пленки хорошо используются в ИС и ГИС в качестве контактов и тонкопленочных проводников. Алюминиевые пленки обычно на Si – пластины наносят методом вакуумного напыления. Алюминий хорошо напыляется, причем обладает хорошим сцеплением к Si и SiO2, обеспечивает хорошие омические контакты (невыпрямляющие) с Si (с p — Si и n + Si);

— алюминиевые проволоки d=25 – 60 мкм используются для подсоединения контактной площадки кристалла ИС к выводам корпуса, причем подсоединенных ультразвуковой сваркой;

— в качестве обкладок тонкопленочных конденсаторов ГИС;

Алюминиевые сплавы. Сплав альдрей (0,3. 0,5% меди Cu, 0,4. 0,7% кремния Si, 0,2. 0,3% железа Fe, остальное алюминий Al) обладает следующими свойствами:

— повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алю­миния, приближаясь к твердотянутой меди σp = 350 МПа);

— сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению (ρ = 0,0317 мкОм·м);

— более высоким пределом вибрационной прочности по сравне­нию с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных ли­ний электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плот­ностью. Применяется для изготовления стрелок различных элект­рорадиотехнических приборов.

9. Манганин: состав, свойства и применение.

Манганин — сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца (от лат. manganum). Его примерный состав: медь Cu — 85% (большое содержание меди при­дает сплаву желтоватый цвет), марганец Мn — 12%, никель Ni — 3%.

Для обеспечения малого значения температурного коэффициен­та удельного электрического сопротивления ТКρ и стабильности удельного электрического сопротивления ρ манга­нин подвергают отжигу в вакууме при температуре примерно 550. 600°С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждени­ем. Иногда дополнительно отжигают намотанные катушки при тем­пературе 200°С.

После прокатки и волочения из манганина можно получить про­волоку диаметром до 0,02 мм. При температуре 60°С манганино­вая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стек­лянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляци­онными свойствами, повышенной нагрево- и влагостойкостью.

Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов.

К недостаткам манганинового микропровода относят невысокую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции.

10. Константан: состав, свойства и применение.

Константан представляет собой твердый раствор никеля и меди, получивший свое название за высокое постоянство удельного электрического сопротивления ρ (константа) при изме­нении температуры. Вредной примесью для константана является сера S, образующая с никелем эвтектику с низкой температурой плавления. При этом связь между зернами сплавляемых компонен­тов нарушается, и переработка слитков в проволоку становится не­возможной. Эвтектика способствует развитию межкристаллитной коррозии. Для устранения вредного влияния серы в состав сплава вводят марганец. После гомогенизации константановые слитки подвергают прокатке и волочению и протягивают в проволоку ди­аметром до 0,02 мм. Ориентировочный состав константана: медь Cu — 58,5%, никель Ni — 40%, марганец Мn — 1,5%.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина, предель­но допустимая температура при длительной работе достигает 500°С. При нагревании до высоких температур (примерно 900°С) константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, ре­зисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает срав­нительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство константана позволяет использовать его в паре с ме­дью или железом для изготовления термопар. Константан приме­няют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов.

Широкому применению константана препятствует его повышен­ная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования: высокое удельное электрическое сопротивление ρ, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, дли­тельная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и доступность компонентов.

11. Серебро: свойства и применение.

Серебро – белый блестящий металл со следующими свойствами:

— самый электропроводный металл (удельное электрическое сопро­тивление при нормальной температуре ρ = 0,016 мкОм·м);

— имеет высокие механические свойства (предел прочности при ра­стяжении σр = 200 МПа, относительное удлинение при разрыве ∆l/l примерно 50%), что позволяет промышленно изготавливать про­водники различного диаметра, включая микропровода диаметром 20 мкм и менее;

— при вжигании или напылении образует прочные покрытия на диэлектриках;

— при повышенных температурах и влажности атомы серебра миг­рируют по поверхности и внутрь диэлектрика, вызывая нарушение работы устройства;

— химическая стойкость ниже, чем у других благородных металлов;

— образует окислы с высокой электропроводностью;

— образует пленки сернистых соединений Ag2S с повышенным удельным сопротивлением, что требует защиты серебряных покрытий лака­ми или тонким слоем более стойкого металла, например палладия;

Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в ап­паратуре разных мощностей. Высокие значения удельных теплоем­кости, теплопроводности и электрической проводимости серебра обес­печивают по сравнению с другими металлами наименьший нагрев кон­тактов и быстрый отвод теплоты от контактных точек. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики, в качестве электродов, в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. Для этого применяют метод вжигания или испарения в вакууме. Серебром покрывают внутренние поверхности волноводов для получе­ния слоя высокой проводимости. С этой же целью серебрению подвер­гают проводники высокочастотных катушек. Ag входит в состав при­поев.

12. Вольфрам: свойства и применение.

Вольфрам – светло-серый металл, который обла­дает следующими свойствами:

— наиболее высокая температура плавления;

— очень большая плотность;

— наименьшее значение температурного коэффициента линейно­го расширения ТКl изо всех чистых металлов, применяемых в ваку­умной технике;

— сравнительно дорог, с трудом обрабатывается и поэто­му применяется только там, где его нельзя заменить.

Сравнительно толстые вольфрамовые изделия с мелкокристал­лической структурой очень хрупкие вследствие высокой прочнос­ти отдельно взятых кристаллов при очень слабом их сцеплении меж­ду собой.

Волокнистая структура металла, создаваемая ковкой и волоче­нием, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых может быть менее 10 мкм. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп на­каливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н.Лодыгиным в 1890 г.

Это свойство используют при изготовле­нии термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами. Основная область применения вольфрама — изготовле­ние нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвен­ного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле, испарителей для нанесения в вакуу­ме тонких пленок различных материалов. Для контактов с больши­ми значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.

13. Легкоплавкие металлы: свойства и применение.

К легкоплавким металлам относятся металлы, у которых температура плавления не более 500˚С. Основные их параметры приведены в таблице 2.7.

Галлий Ga. Галлий – металл, который плавится почти при комнатной тем­пературе.

Применяют галлий в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия, он входит в состав низкотемпературных припоев. Сплавы индия с галлием с температурой плав­ления ниже комнатной используют как жидкие проводниковые ма­териалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы, а также в качестве жидкого кон­такта в установках шовной контактной сварки при герметизации корпусов микросхем.

Индий In. Индий – серебристо-белый металл с низкой температурой плав­ления.

Используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых при­боров, а также входит в состав низкотемпературных припоев и жид­ких токопроводящих контактов (например, в установках шовной контактной роликовой сварки).

Олово Sn. Олово – серебристо-белый металл, имеет ярко выраженное круп­нокристаллическое строение. Он обладает следующими свойствами:

— при изгибе палочки олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга;

— при нормальной температуре олово на воздухе не окисляется;

— под действием воды не изменяется;

— разведенные кислоты действуют на олово медленно;

— устойчиво при температуре выше 13,2°С.

Олово, кристаллизующееся в тетрагональную систему с плотностью 7310 кг/м 3 , называют белым оловом. Белое олово обладает сле­дующими свойствами:

— предел прочности изменяется от 16 до 38 МПа;

— при низких температурах на белом олове появляются серые пятна (выделение второй модификации серого олова с плотностью 5600 кг/м 3 ), которые называют оловянной чумой;

— при нагревании серое олово снова переходит в белое;

— если нагреть олово до температуры выше 160°С, то оно перехо­дит в третью (ромбическую) модификацию и становится хрупким.

Олово является мягким, тягучим металлом, из которого в результате прокатки получают тонкую фольгу. Для облегчения прокатки и улучшения механической прочности в олово вводят присадки (до 15% свинца и до 1% сурьмы). Тонкую оловянную фольгу (6. 8 мкм) с присадками применяют в производстве некоторых типов конден­саторов. Оловянно-свинцовую фольгу толщиной 20. 40 мкм приме­няют в качестве обкладок в слюдяных конденсаторах.

Кадмий Cd. Кадмий – серебристо-белый металл, являющийся постоянным составным элементом цинка в его рудах и добываемый как побоч­ный продукт при получении цинка. Как и цинк, кадмий подверга­ется электролитической очистке. Наиболее чистый металл содер­жит 99,997% кадмия. Он входит в состав ряда припоев и бронз.

Применяется для изготовления фотоэлементов, покрытий СВЧ волноводов вместо серебра, гальванических элементов, а также в атомных реакторах в качестве замедлителя.

Свинец Рb. Свинец – мягкий металл сероватого цвета с высоким удельным электрическим сопротивлением и крупнокристаллическим строением. Его кристаллы становятся видны при протирании азотной кислотой даже невооруженным глазом. Он обладает следующими свойствами:

— на свежем срезе имеет сильный металлический блеск, но быстро тускнеет на воздухе вследствие поверхностного окисления;

— низкая прочность (предел прочности при растяжении σр пример­но 14 МПа при относительном удлинении ∆l/l более 55%);

— высокая коррозионная стойкость (свинец не пропускает воду);

свинец и его соединения ядовиты.

Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец в больших количествах применяют для изготовления кабельных оболочек, за­щищающих кабель от влаги. Его используют также для изготовле­ния плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов и как материал, поглощающий рентгеновские лучи.

Цинк Zn. Цинк – пластичный металл светлого цвета, который обладает следующими свойствами:

— при нормальной температуре сравнительно стойкий к коррозии;

— при нагревании до температуры 200°С становится хрупким.

Получают металлургическими методами с последующей электро­литической очисткой. Высокоочищенный металл содержит 99,99% цинка.

Цинк применяют в качестве защитного покрытия для других металлов (например, железа), в фотоэлементах, а также для метал­лизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят в процессе испарения цинка в вакууме при температуре примерно 600°С.

Дата добавления: 2015-04-19 ; просмотров: 3360 . Нарушение авторских прав

Проводниковые материалы

Твердыми проводниками электрического тока являются метал­лы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают: материалы, обладаю­щие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей; проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов и т. д.; металлы и сплавы, обладаю­щие высоким сопротивлением, которые применяют для изготовления электронагревательных приборов, резисторов, реостатов ламп на­каливания и т. д.

Свойства проводниковых материалов. Основными электрически­ми параметрами проводниковых материалов являются удельная проводимость (или обратная ей величина — удельное сопротивле­ние) и температурный коэффициент удельного сопротивления. Ме­ханические свойства проводников характеризуются пределом проч­ности при растяжении и относительным удлинением при разрыве. Общеизвестны такие физические параметры, как плотность, темпе­ратура плавления и т. д.

Удельное сопротивление р проводника, имеющего постоянное поперечное сечение S к длину l, определяют по формуле p=RS/l и выражают в омах на метр (Ом-м). Для измерения удельного сопротивления проводников пользуются внесистемной единицей Ом-мм 2 /м (S измерено в мм 2 , l в м); 1 Ом-м=10 6 Ом-мм 2 /м. Дольная от системной единицы 1 мкОм-м = 1 Ом-мм 2 /м. Будем .вы­ражать удельное сопротивление проводников в мкОм-м, при этом сохранятся привычные численные значения р.

Температурный коэффициент удельного сопротивления показы­вает, как изменяется сопротивление, равное 1 Ом, при изменении температуры на один градус. В .конце температурного диапазона удельное сопротивление рг=ро[1+ар2 — Т 1 ,)], где р7 и р — удель­ное сопротивление проводника соответственно при температурах Т2 и Ti; ap — средний температурный коэффициент удельного сопро­тивления, К- 1 , в данном диапазоне температуры aft = (рт — р )/ /Ро(T2-T1).


Физические параметры полупроводниковых материалов приве­дены в табл. 1.

Удельное сопротивление тонких металлических пленок (толщина которых соизмерима с длиной свободного пробега электрона) больше удельного сопротивления исходного металла и зависит от толщины и способа получения пленок. Оценивают проводящие свой­ства тонких пленок по удельному поверхностному сопротивлению (сопротивлению квадрата R1П), равному сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки Rпб/б,где Рб — удельное (объемное) сопротивление пленки толщиной 6.

Удельное сопротивление сплавов больше удельного сопротив­ления исходных компонентов. Увеличение р происходит при введе­нии в металл неметаллических примесей, а также при сплавлении двух металлов, образующих твердый раствор, в котором атомы од­ного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Металл Плот­ность, Мг/м 3 Темпера, тура плавле- ния, °С Удельное сопротив-ление, мкОм-м Температур- ный коэффи­циент удель­ного сопро- тивления. Работа выхода, эВ
Алюминий 2,7 0,0265 4,1 4,25
Вольфрам 19,3 0,055 5,0 4,54
Железо 7,87 0,097 6,25 4,31
Золото 19,3 0,0225 3,95 4,3
Кобальт 8,85 0,064 6,0 4,41
Медь 8,92 0,0168 4,3 4,4
МолибдеЕ! 10,2 0,05 4,33 4,3
Никель 8,96 0,068 6,7 4,5
Олово 7,29 0,113 4,5 4,38
Платина 21,45 0,098 3,9 5,32
Ртуть 13,5 — 39 0,958 0,9 4,52
Свинец 11,34 0,190 4,2 4,0
Серебро 10,49 0,016 4,1 4,3
Хром 7,19 0,13 2,4 4,58
Цинк 7,14 0,059 4,1 4,25

Технические проводниковые материалы подразделяют на ма­териалы высокой проводимости, металлы и сплавы различного наз­начения, сплавы высокого сопротивления, проводящие модификации углерода и материалы на их основе.

Материалы высокой электрической проводимости. К наиболее распространенным материалам высокой электрической проводимо­сти относят медь и алюминий (см. табл. 1).

Медь обладает малым удельным сопротивлением, высокой ме­ханической прочностью, удовлетворительной стойкостью к коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что позволяет прокатывать ее в листы, ленту и вытягивать в проволоку.

В качестве проводникового материала используется медь ма­рок Ml и МО. В марке Ml содержится 99,9 % чистой меди, а в об­щем количестве примесей (0,1 %) кислород составляет до 0,08 %« Лучшими механическими свойствами обладает вторая марка, в ко­торой содержится 99,95% меди, а в составе примесей (0,05%) имеется до 0,02 % кислорода. Лучшая бескислородная медь содер­жит 99,97 % чистого вещества, а вакуумная (выплавленная в ва­куумных индукционных печах) — 99,99. %. Твердотянутую медь, по­лученную методом холодной протяжки, используют, когда необхо­дима высокая механическая прочность, а мягкую (отожженную) — когда важна гибкость, например для изготовления монтажных про­водов и шнуров. Электровакуумная медь идет на изготовление де­талей электронных приборов. Медь используется также для изго­товления фольгированного гетинакса, а в микроэлектронике — для получения токопроводящих пленок на подложках, обеспечивающих соединение между функциональными элементами схемы. Наиболее употребительные марки обмоточных проводов приведены в табл. 2.

Марка провода Характеристика изоляции Диаметр провода, мм
ПЭЛ Эмалевая лакостойкая 0,02 — 2,44
ПЭВ-1 Эмалевая с одинарным и двойным винифлексовым покрытием 0,06 — 2,44
ПЭЛБО Эмалевая лакостойкая с одним сло- 0,2-2,1
ем хлопчатобумажной обмотки
П-ЭЛБД То же, но с двумя слоями хлопчато­бумажной обмотки 0,72 — 2,1
пэлшо То же, но с одним слоем шелковой обмотки 0,05-2,1
пэлшд Эмалевая лакостойкая с двумя слоя­ми шелковой обмотки 0,86
ПЭЛШКО Эмалевая лакостойкая с одним сло­ем обмотки из капрона 0,05-2,1
пэлшкд Эмалевая лакостойкая с двумя слоя­ми обмотки из капрона 0,86
ПЭЛБВ Эмалевая лакостойкая с обмоткой из длинноволокнистой бумаги 0,51 — 1,45
ПВО Один слой хлопчатобумажной обмот­ки 0,2 — 2,1
ПБД Два слоя хлопчатобумажной обмот­ки 0,2 — 5,2

Бронза — сплав меди с небольшим количеством олова, крем­ния, фосфора, хрома, кадмия или других материалов, обладающий более высокими механическими свойствами, чем медь. Широко при­меняется для изготовления токопроводящих пружин.

Каждый электрик должен знать:  Подключение 3-х электросчётчиков Меркурий 201.8 в коммунальной квартире

Латунь — сплав меди с цинком и другими добавками, об­ладающий большим относительным удлинением, что важно при обработке штамповкой и глубокой вытяжке. Применяется для из­готовления различных токопроводящих деталей.

Состав и свойства некоторых медных электротехнических спла­вов приведены в табл. 3.

Сплав Удельная проводимость, % к меди Предел прочности, МПа Относитель­ное удлине­ние при разрыве, %
Кадмиевая бронза (0,9 % Cd) До 310
Бронза (0,8 % Cd; 0,6 % Sn) 55 — 60 50—55 290 До 730 55 4
Фосфористая бронза (7 % Sn; 0,1 % Р) 10 — 15 До 400
Латунь (70 % Си; 30 % Zn) 320 — 350

Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Для элект­ротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий до 0,5 % примесей. Проволока, изготовленная из алю« миния АЕ и отожженная при температуре 350 °С, обладает удель­ным сопротивлением 0,028 мкОм*м. Алюминий высокой чистоты А97 (примесей до 0,03 %) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги, электродов и корпусов электролитических кон­денсаторов.

Альдрей — сплав алюминия с магнием (0,3 — 0,5 %), крем­нием (0,4 — 0,7%). и железом (0,2 — 0,3 %). Сохраняет легкость чис­того алюминия (плотность 2,7 Мг/м 3 ), обладает близким к нему удельным сопротивлением (0,0317 мкОм-м) и высокой (близкой к твердотянутой меди) механической прочностью.

Металлы и сплавы различного назначения. Ниже рассматривая ются металлы и сплавы, применяющиеся в электротехнике и радио­электронике. Исходя из температуры плавления, общности характе­ристик и области применения, различают тугоплавкие и благородные металлы, металлы со средней и низкой температурой плавления, припои и флюсы.

Тугоплавкие металлы обладают температурой плавления выше 1700 °С, химически устойчивы при низких и активны при высоких температурах, поэтому при повышенных температурах эксплуатиру­ются в вакууме или атмосфере инертных газов.

Тугоплавкими являются такие металлы, как вольфрам, молиб­ден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий. Основные фи­зические свойства некоторых из них были приведены в табл. 1. Тугоплавкие металлы используются для изготовления нитей ламп накаливания, электродо в электронных ламп, пленочных резисторов в микросхемах, контактов, обладающих высокой устойчивостью к эрозии (электроизносу) и образованию электрической дуги.

Помимо чистых тугоплавких металлов в электровакуумной тех­нике для арматуры приборов применяют сплавы W+Mo, Mo+Re, Ta+Nb, Ta+W и др., обладающие требуемыми пластичностью, электрическими и термическими свойствами.

К благородным металлам относятнаиболее химически стойкие металлы (золото, серебро, платину).

Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве около 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резонаторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и др. Основные парамет­ры золота были приведены в табл. 1.

Серебро — стойкий против окисления металл (при нормаль­ной температуре), обладающий наименьшим удельным сопротивле­нием (см. табл. 1). Используется для изготовления электродов и контактов на небольшие токи, для непосредственного нанесения на диэлектрики, внутренние поверхности волноводов, а также в произ­водстве керамических и слюдяных конденсаторов.

Платина — очень стойкий к химическим реагентам металл, хо­рошо поддается механический обработке, пластичен. Основные па­раметры плагины были приведены в табл. 1. Применяется для изго­товления термопар, подвесок, подвижных систем электрометров и контактных сплавов.

Металлы со средним значением температуры плавления (желе­зо, никель, кобальт), обладающие повышенным температурным

коэффициентом удельного сопротивления (в 1,5 раза выше меди), ферромагнитны.

Железо (сталь) — наиболее дешевый металл, обладающий высокой механической прочностью и относительно высоким (по сравнению с медью) удельным сопротивлением (около 0,1 мкОм-м). Удельное сопротивление стали, содержащей примеси углерода и других элементов, возрастает (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости удельного сопротивления от содержания примесей

В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая- 0,1 — 0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700 — 750 МПа, относительное удлинение при раз­рыве 5 — 8 % и удельную проводимость в 6 — 7 раз меньшую, чем меди. Основные параметры железа были приведены в табл. 1. Же­лезо используют для изготовления корпусов электронных приборов, работающих при температуре до 500°С, при которой газовыделение невелико. Из алюминированного железа (покрытого тонкой пленкой алюминия) изготовляют аноды, экраны и другие детали электронных ламп.

Никель обладает плотностью, равной плотности меди, легко поддается механической обработке, устойчив к окислению. Основ­ные свойства никеля были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления арматуры электронных ламп, нагревательных элемен­тов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов и защитных покрытий изделий из железа.

Сплавы для электровакуумных приборов созданы на основе ме­таллов со средними значениями температуры плавления. Обладают такими температурными коэффициентами линейного расширения а1, при которых возможно сопряжение стекла с металлическими конст­рукциями электронных приборов.

Инвар Н-36 — сплав железа с 36 % никеля, обладает очень малым аг

10- 6 К -1 в диапазоне температуры от — 100 до + 100 °С,

Платинит Н-47 — сплав железа с 47% никеля. Имеет а?, близкий к ai платины и стекла.

Ковар — сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта, об­ладает малым аi=4,8*10- 6 К -1 и примерно в 2 раза меньшим, чем инвар, удельным сопротивлением. Температура плавления 1450°С.

Рассмотренные сплавы применяются для изготовления токоот­водов электронных ламп, проходящих через стеклянные элементы.

Металлы с низкой (менее 500 °С) температурой плавления. Свинец — мягкий, пластичный металл, обладающий невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 16 МПа, относитель­ное удлинение при разрыве 55 %), не стоек к вибрации; устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и других реагентов; под­вержен действию азотной и уксусной кислот, извести и гниющих ор­ганических веществ. Основные свойства свинца были приведены в табл. 1. Свинец и его сплавы используют для изготовления защит­ных (от влаги) оболочек кабелей, плавких вставок предохраните­лей, пластин кислотных аккумуляторов и в качестве материала, по­глощающего рентгеновское излучение. Свинец и его соединения ядо­виты.

Олово — мягкий, тягучий металл, не подвержен влиянию вла­ги, не окисляется на воздухе, разведенные кислоты действуют на него очень медленно. Основные свойства олова были приведены в табл. 1. Применяется в качестве защитных покрытий металлов (лу­жение), с примесью 15% свинца и 1% сурьмы — для получения оловянной фольги в производстве конденсаторов, входит в состав бронз и сплавов для пайки,

Ртуть — жидкий, химически стойкий металл, слабо взаимо­действует с водородом и. азотом. Платина, серебро, золото, щелоч­ные и щелочноземельные металлы, цинк, олово и алюминий раст­воряются в ртути, образуя амальгамы. Нерастворимы в ртути воль­фрам, железо, тантал; слабо растворимы медь и никель. Ртуть и ее соединения очень ядовиты. Основные свойства ртути были при­ведены в табл. 1. Ртуть применяется в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, газоразрядных приборах, лампах днев­ного света и др.

Припои представляют собой специальные сплавы, используемые при пайке. Обычно припой имеет более низкую температуру плав­ления, чем соединяемые металлы. Различают мягкие и твердые при­пои с температурой плавления ТПЛ соответственно до 300 и более 300 °С.

Мягкими припоями являются оловянно-свйнцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС 10) до 90 % (ПОС 90), ос­тальное — свинец. Некоторые оловянно-свйнцовые припои содержат небольшой процент сурьмы (например, ПОС 61-05). Твердыми являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСР) припои с раз« личным» легирующими добавками. Свойства некоторых марок мяг­ких припоев приведены в табл. 4.

Припой Марка и состав Температура плавления, c c Удельное сопро. тивление, мкОм*М Удельная тепло-прово дность, Вт/(м-К) Предел прочно­сти при растяже­нии, МПа
Оловянно-свинцовый ПОС 61 (61 % Sn; 39% Pb) ПОС 40 (40 % Sn; 60 % Pb) 183 — 190 183 — 238 0,14 0,16
Оловянно-свинцово-кад-миевый ПОСК 50-18 (50 % Sn; 18 % Cd; 32 % Pb) 142 — 145 0,13
Оловянно-свин-црво-сурьмя-нистый ПОССу 40-2 (40 % Sn; 2% Sb; 58% Pb) 185 — 299 0,17

Флюсы, используемые для получения надежной пайки, должны растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаивае­мых металлов и защищать их от окисления. Бескислотными флю­сами являются канифоль, а также флюсы на ее основе с добавле­нием неактивных веществ (спирта, глицерина). Кислотные (актив­ные) флюсы приготавливают на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов, активно растворяющих оксидные пленки на поверхности металлов, благодаря чему обеспечиваются хорошая адгезия и высокая механическая прочность соединения. Пайка электроприборов с использованием активных флюсов не допуска­ется.

Сплавы высокого сопротивления. Сплавы, с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления образцовых резисто­ров, реостатов, электроплиток, паяльников, электроизмерительных и электронагревательных приборов и должны длительно выдержи­вать температуры около 1000 °С. Наибольшее распространение по­лучили сплавы на медной основе (манганин, константен), хромо-никелевые и железохромоалюминиевые, основные свойства которых приведены в табл. 5.

Сплав Плотность, Мг/м» Удельное сопротив­ление, мкОм м Температурный коэффициент сопро­тивления а -10 е , . к- 1 Рабочая температу­ра, °С Предел прочности при растяжении, МПа Относительное уд­линение при разры­ве, %
Манганин 8,4 0.42 — 0,48 5 — 30 100 — 200 450 — 600 15 — 30
Константан 8.9 0.48 — 0,52 — (5 — 25) 450 — 500 400 — 500 20 — 40
Нихром Х15Н60 8,2 1-1,2 100 — 200 650 — 700 25 — 30
Фехраль и хро-ыаль:
Х13Ю4 7,1-7,5 1.2 — 1,35 100 — 200
Х23Ю5 6,9-7,3 1.3-1,5 10-15

Манганин — сплав на медной основе (86% Си, 12% Мп, 2 % Ni) используется для изготовления образцовых резисторов и электроизмерительных приборов. Хорошо вытягивается в проволоку диаметром до 0,02 мм или прокатывается в ленту толщиной 0,01 — 1 мм и шириной 10 — 300 мм.

Константан — сплав меди (60%) и никеля (40%). Хоро­шо поддается обработке (протягивается в проволоку и прокатыва­ется в ленту тех же размеров, что и манганин). Электронагрева­тельные элементы из константана допускают работу при темпера­туре до 450° С. При нагреве проволока покрывается оксидной пленкой, обладающей электроизоляционными свойствами, В паре с медью или железом константан дает большую термо-эдс, что за­трудняет использование резисторов из него в измерительных схемах, но позволяет изготовление термопары для измерения температуры до нескольких сотен градусов.

Нихром — сплав никеля (55 — 80%), хрома (15 — 20 %), мар­ганца (1,5 %). Термоустойчив на воздухе. Срок службы нихромовых нагревательных элементов возрастает, если их поместить в твердую инертную среду, затрудняющую доступ кислорода (например, в глину — шамот). Нанесенные на подложки пленки нихрома обес­печивают сопротивление квадрата Rо =50-300 Ом и мощность рассеивания Рдоп=1 Вт/см 2 и применяются в качестве резисторов в микросхемах.

Железохромоникелевые сплавы (фехраль, хромаль) по сравнению с нихромом обладают большей твердостью и хруп­костью, с трудом вытягиваются в проволоку и ленту, имеют меньшую стоимость и используются в мощных электронагревательных устрой­ствах. .

Резистивный сплав РС-37-10 содержит 36,5% Сг, 8 — 11 % Ni, остальное — кремний, a PC30-01 — 32% Сг, 0,7 — 1,8%.Fe, остальное — кремний. Эти сплавы соответственно применяют для изготовления тонкопленочных и прецизионных тонкопленочных ре­зисторов. «

Многокомпонентные резистивные спла вы МЛТ для тонкопленочных резисторов, содержащие Si, Fe, Cr, Ni, Al, W, устойчивы к окислению и воздействию химически активных сред. Основные свойства резистивных сплавов приведены в табл. 6.

Сплав Плотность, Мг/м Температура плав-ления, °С Удельное сопротив­ление, мкОм-м Температурный ко­эффициент сопро­тивления а*10 -4 , к- 1 Со противление квад­рата пленки, Ом Толщина аленки, нм
РC-37-10 4,5 — 5 5 — 7 15 — 25 50 — 2000 15 — 300
РС-30-01 3,7 — 4 25 — 35 5 — 15 800 — 3000 20 — 100
МЛТ 100 — 300 От — 2,5 до + 4 100 — 20 000

Двух компонентные материалы для тонкопле-ночных резисторов интегральных схем (дислициды молиб­дена и хрома и сплавы кремния и хрома) имеют следующие пара­метры:

MoSiz CrSi2 Si57Cr43 Si73Cr27
R, Ом
ар 10- 4 , К- 1 — 1,25 +2 — 1,5 -14

Сплавы — копель (56 % Си, 44 % Ni); алюмёль (95 % Ni, остальное Al, Si, Mg), хромель (90 % Ni, 10 % Сг), платинородий (90% Pt, 10% Rh) — используют для изготовления термопар. Для измерения температуры до 1600°С применяются платинородий-платиновые термопары, до 900 — 1000 °С — хромель-алюмелевые, до 600 °С — железо-копелевые, хромель-копелевые и железо-константа-новые, а до 350 °С — медь-константановые и медь-копелевые.

Проводящие модификации углерода.Природный графит, пиро­литический углерод и углеродистые пленки применяют в качестве проводящих материалов при изготовлении непроволочных линейных резисторов, микрофонов и различных деталей разрядников теле­фонных сетей, электровакуумных приборов и др.

Природный графит — модификация чистого углерода; Мелко­дисперсной разновидностью углерода является сажа. Пиролитичес­кий углерод получают термическим разложением без доступа кис­лорода (пиролиз) газообразных углеводородов (метана, бензина) в камере.

Боруглеродистые пленки с малым коэффициентом удельного сопротивления (порядка 10 мкОм-м) и температурным коэффици­ентом — 1*10- 4 К -1 получают пиролизом борорганических соедине­ний, например (С3Н7)зВ и др. Основные параметры графита и пиро-литического углерода приведены в табл. 7.

Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернуть деформированным металлическим проводникам прежнюю величину удельного сопротивления, их подвергают термической обработке — отжигу без доступа кислорода.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой проводимостью используются для проводов, кабелей, обмоток трансформаторов, электрических машин и т. д. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются в электронагревательных приборах, лампах накаливания, реостатах, образцовых сопротивлениях и т. п.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет около —39° С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована только ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками при более высоких температурах (например, при плавке металлов токами высокой частоты).

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов), вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с наличием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Металлические проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в электротехнике.

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизированное состояние от каждого атома металла отделяется от одного до двух электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, что теплопроводность металлов пропорциональна их электропроводности.

При обмене электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электрического поля имеет место переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным, т. е. явление, называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропроводности и теплопроводности обусловливаются плотностью и движением электронного газа, то материалы с высокой проводимостью будут также хорошими проводниками тепла.

Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронном газе в металлах. К ним относятся следующие:

При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

  • 2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.
  • 3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и подключенный к ним измерительный прибор дает отброс по шкале.
  • 4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяется электрическое сопротивление проводника.

К основным характеристикам проводниковых материалов относятся:

  • 1) удельная проводимость или обратная величина — удельное электрическое сопротивление;
  • 2) температурный коэффициент удельного сопротивления;
  • 3) удельная теплопроводность;
  • 4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо — э. д. с);
  • 5) предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

  • 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
  • 2) достаточно высокая механическая прочность;
  • 3) удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе, даже в условиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо); интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;
  • 4) хорошая обрабатываемость — медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
  • 5) относительная легкость пайки и сварки.

Вторым по значению, после меди, проводниковым материалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейший представитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.

Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает по сравнению с медью пониженными свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода. Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.

Отсюда вытекает простое экономическое правило: для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е. при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях передаваемой электрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза.

В настоящее время в нашей стране, исходя из экономических соображений, алюминий не только, как правило, заменил медь для воздушных линий передач, но начинает внедряться и в производство изолированных кабельных изделий.

Проводниковые материалы высокой проводимости

Важнейшие проводниковые материалы высокой проводимости — медь, алюминий, бронза, латунь и сплавы на основе алюминия.

Медь – металл красновато-оранжевого цвета. Удельное сопротивление r является наименьшим у чистой меди. Примеси снижают удельную проводимость меди. Согласно ГОСТ 859-78 медь по химическому составу подразделяется на несколько марок:

а) бескислородная (содержание кислорода 0.001-0.003%):

б) катодная переплавленная (содержание кислорода 0,004 %):

в) М1р- раскисленная, (содержание кислорода 0,01%).

Цифры 00, 0, 1 отражают содержание меди. Максимальное содержание меди имеют марки МООк и МООб. Содержание меди вместе с серебром в этих марках составляет 99,9 – 99,99 % мас. В нормальных условиях медь достаточно устойчива против коррозии, так как ее химическая активность невелика. В присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. Медь растворяется в азотной кислоте, легко соединяется с хлором и другими галогенами, горит в парах серы.

Для изготовления проводниковых изделий (обмоточные и монтажные провода, кабели) применяют сорта проводниковой меди с содержанием примеси не более 0.05-0.1%. Медную проволоку изготовляют из мягкой, т.е. отожженной при оптимальной температуре (марка ММ) и твердой не отожженной (марки МТ) меди.

Основные механические и электрические свойства проводниковой меди сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 Механические и электрические свойства меди при t=20C.

Параметры Отожженная медь ММ Твердотянутая медь МТ
Предел прочности при растяжении sр, Мпа 200-280 250-500
Относительная удленнение перед разрывом Dl / l,% 18-50 0.5-5
Число Бринелля 35-38 65-120
Плотность, кг / м3
Удельное сопротивление r, мкОм*м 0,0172-0,01724 0,0177-0,0180

Механические свойства меди от температуры обжига показаны на рисунке 1.1. Продолжительность отжига 1 ч.

600 60 — ρ 0.0176

500 50 Δl/l 0.0174

200 400 600 800 t

Рисунок 1.1 – Зависимость предела прочности при растяжении sр, относительно удлинения перед разрывом Dl / l и удельного сопротивления r проволоки из меди марки М1 от температуры отжига.

Медь широко применяется в электротехнике для изготовления проводников, шнуров, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов.

Физико-механические и технологические свойства стандартной меди сведены в таблицу 1.3.

Сплавами меди, обладающими повышенной механической прочностью являются бронзы и латуни. Основные свойства о них приведены в таблице 1.2.

Латунь — двойной сплав на основе меди, главной легирующей добавкой в котором является цинк. Латуни дешевле меди, но прочнее и тверже ее, хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии. Структура и свойства латуней определяются содержанием цинка до 45%, при таком содержании цинка предел прочности при растяжении у латуней непрерывно возрастает. Для повышения механической и коррозийной стойкости в латуни вводят алюминий, олово, марганец, железо, никель, кремний. Олово и мышьяк повышают стойкость к действию морской воды. Свинец улучшает механические свойства, облегчает обработку резанием, но снижает пластичность сплава. Железо, в количестве большем 0.03% придает латуням магнитные свойства.

После холодной деформации прочность и твердость латуней возрастает, пластичность резко снижается. Отжиг в интервале 600-800ºС снимает состояние наклепа, сплав становится пластичным, его прочность и твердость уменьшается.

Бронзами называются сплавы меди с различными химическими элементами, кроме цинка и никеля.

Бронзы отличаются высокой механической прочностью, твердостью, упругостью как при нормальной, так и при повышенной температуре, стойкостью к истиранию. Основные типы бронз представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы-7%Sn), алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые 2.25% Be) и другими элементами. Наибольший интерес для электроники представляют бронзы, сочетающие высокую проводимость с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронзы), а также особо прочные сплавы с достаточно хорошей проводимостью (бериллиевые бронзы). Бронзы легко обрабатываются резанием, давлением и хорошо паяются. Для упрочнения бронзовые детали термообрабатывают: закаляют, а затем отпускают при оптимальных температурах. Проводниковые бронзы применяются для изготовления контактных проводов для электрического транспорта, коллекторных пластин, контактных ножей, скользящих контактов, токоведущих пружин, упругих контактных элементов и др.

Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом благодаря своей сравнительно большой проводимости и стойкости к атмосферной коррозии (удельная проводимость чистого алюминия составляет 65.5% проводимости стандартной меди), пластичности, хорошей технологичности, коррозийной стойкости, легкости (в 3.3 раза легче меди). Недостатком является малая твердость и сравнительно с медью небольшая механическая прочность. Кроме того, алюминий обладает более высоким, чем медь, коэффициентом температурного расширения. По отношению к большинству металлов алюминий имеет отрицательный электрический потенциал, и, находясь с ним в контакте, образуют гальванические пары, что в присутствии влаги способствует развитию электрохимической коррозии. Оксидная пленка обладает электроизоляционными свойствами и создает большое переходное сопротивление в месте контакта алюминиевых проводов. Поэтому пайка алюминия обычными методами невозможно. Для пайки алюминия применяются специальные паств- припои и ультразвуковые паяльники, разрушающие оксидную пленку. Присутствие примесей в составе алюминия (наиболее часто встречаемые железо, медь, цинк, титан), существенно снижают его удельную проводимость, а также влияют на механические характеристики.

Алюминий выпускается трех марок:

1. Алюминий особой чистоты-А999, примесей не более 0.001%.

2. Алюминий высокой чистоты-А95, А97, А99,А995, примесей не более 0,05%.

3. Алюминий технической чистоты- А5,А8, А0, примесей не более 1.0%.

Механические и электрические свойства проводникового алюминия приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Механические и электрические свойства алюминия в

зависимости от температуры.

Параметры Твердотянутый алюминий, Т. Отожженный алюми-ний(300с 2ч в масле )
Предел прочности при растяжении [мис1] sр, Мпа. 100-180 70-100
Относительное удлинение, %. 0.5-2% 10-25%
Удельное сопротивление r, мкОм*м. 0.0283 0.028

Проводниковый алюминий используется для изготовления токопроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, а также неизолированных проводов для воздушных линий электропередачи, прессованных жил кабелей различного назначения основные физико-механические и электрические свойства проводникового алюминия приведены в таблице 1.2.Сплавы алюминия отличаются легкостью и повышенной механической прочностью по сравнению с чистым алюминием. В состав алюминиевых сплавов могут входить марганец, цинк, магний, медь, железо и кремний, причем содержание железа и кремния в составе сплава не должно превышать 0.7 и 0.3% соответственно.

С помощью легирующих добавок можно регулировать электрические, механические и технологические свойства сплавов. Основные свойства некоторых сплавов приведены в таблице 1.2 (сплавы высокого электрического сопротивления для электроизмерительных приборов).

Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления токоведущих частей электроизмерительных приборов и образцовых регистров. Поэтому к этим сплавам предъявляется ряд требований. Они должны иметь:

— высокое удельное сопротивление для уменьшения размеров и массы;

— малый температурный коэффициент удельного сопротивления, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления прибора при изменении их температуры;

— стабильность удельного сопротивления во времени;

Такими сплавами являются твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой.

Основные представители этой группы: сплавы меди с никелем, известные под названием манганин, константан и нейзильбер.

В химический состав манганина входят: 11.5- 13.5% Mn, 2.5- 3.5%Ni и остальное — Cu. Основной легирующей добавкой является марганец, и вследствие этого зависимость электрического сопротивления манганина от температуры имеет вид параболы с максимумом вблизи t=32-40C, благодаря чему удельное сопротивление сплава в интервале температур –100до 100ºС изменяется очень мало.

Из манганина изготовляют мягкие и твердотянутые проволоки диаметром 0.02мм и ленты толщиной до 0.08 мм, а также выпускают манганиновые обмоточные провода с эмалевой изоляцией.

Широко распространен в электротехнике медно-никелевый сплав константан.

Химический состав константана: 1.0-2.0% Mn, 39- 41%Ni, остальное Cu. Само название сплава подчеркивает независимость его электрического сопротивления от температуры. Константан сочетает высокую механическую прочность с пластичностью, что позволяет получать из него тончайшую проволоку, фальгу, ленты, полосы. По нагревостойкости константан превосходит манганин, что позволяет использовать его в реостатах и нагревательных элементах, работающих при t до 500ºС. Высокое значение термо-ЭДС в паре с медью и железом исключает применение константана в электроприборах высокой точности, но широко применяются для изготовления термопар.

Для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических целей применяется медно-никелевый сплав нейзильбер. Химический состав:18-22% Zn, 13/5- 16.5%Ni, остальное- Cu. Хотя нейзильбер и дешевле константана, но он уступает ему по электрическим свойствам: имеет меньшее удельное электрическое сопротивление и больший температурный коэффициент удельного сопротивления. Допустимая рабочая температура 200- 250ºС. Нейзильбер обладает хорошими механическими свойствами: высокой механической прочностью, пластичностью и коррозийной стойкостью. После холодной деформации сплав приобретает достаточную упругость. Некоторые физико-механические и электрические свойства перечисленных сплавов приведены в таблице 1.2.

Добавить комментарий