Материалы высокой проводимости

По величине проводимости проводники подразделяются на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. К материалам высокой проводимости относятся серебро Аg, медь Cu и её сплавы – бронзы и латуни, алюминий Аℓ, железо Fe и его сплавы, а также золото Аu, платина Рt, хром Сr и ряд других. Они используются для изготовления проводов и кабелей.

Самой высокой проводимостью обладает серебро: ρ = 0,016 мкОм^.м, ТК_ρ = 3,6^.10^-3, Т_пл = 960 ^оС, плотность 10500 кг/м³, до 200 ^оС устойчиво к окислению. Для предохранения от коррозии серебро покрывают лаком или другим металлом – палладием Рd. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мкм, использующейся при небольших токах. Предел прочности при растяжении σ_р ≈ 200 МПа, удлинение при разрыве ≈ 50%. Серебро по сравнению с медью и алюминием находит ограниченное применение: в сплавах с медью, никелем или кадмием – для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр – 10; ПСр – 25 и др., в виде пасты для непосредственного нанесения на диэлектрики.

Проводниковая медь. Электролитическая медь красновато-оранжевого цвета, чистотой 99,9 (марка М1) и температурой плавления Т_пл = 1083 ^оС имеет ρ = 0,018 мкОм^.м. Выпускают тонкие проволоки диаметром до 0,03 – 0,01мм, а также тонкие ленты. Медь достаточно устойчива к атмосферным воздействиям, но при температурах выше 800 ^оС происходит интенсивное окисление. В присутствии СО₂ продуктом окисления является основной карбонат меди по составу близкий малахиту. Иногда для борьбы с коррозией медь покрывают серебром.

В зависимости от метода получения проволоки её свойства могут существенно отличаться. При холодной протяжке получают твёрдую (твёрдотянутую) медь (МТ), которая, благодаря влиянию наклёпа имеет высокий предел прочности при растяжении (360 – 390 МПа) и малые относительное удлинение перед разрывом (0,5 – 2,5 %), твёрдость и упругость при изгибе. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твёрдость и небольшую прочность (260 – 280 МПа), но большое удлинение при разрыве (18 – 35 %) и более высокую удельную проводимость.

Медные электротехнические сплавы – это бронзы и латуни.

Бронзы обозначают буквами Бр, а латуни – буквой Л. Компоненты сплава обозначают так: А – алюминий, О – оово, Ц – цинк, Мц – марганец, Мг – магний, Ж – железо, Б – бериллий, Х – хром, Ф – фосфор, С – свинец.

Бронзы содержат небольшие количества олова Sn, кремния Si, фосфора P, бериллия Be, хрома Cr, магния Mg, кадмия Cd, алюминия А1 и др. Они обладают более высокой прочностью (800 -1350 МПа), но меньшей проводимостью, чем медь. Марки бронз обозначают буквами Бр., за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие добавки и в каком количестве содержатся в данной бронзе. Например, Бр.ОФ6,5-0,15 содержит 6 – 7 % олова и 0,15 % фосфора.

Введение в медь кадмия значительно повышает механическую прочность и твёрдость при незначительном снижении проводимости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Самую большую прочность имеет бериллиевая бронза (2 % Ве) - 1350 МПа, но проводимость по сравнению с медью уменьшается в 5 – 10 раз.

Из проводниковых бронз изготавливают провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.

Латуни – это медные сплавы, содержащие до 45 % цинка и малые количества Al, Fe, Mn, Si, Sn, Pb. Латуни, содержащие около 90 % меди, остальное цинк, называются томпак, от 79 до 86 % меди – полутомпак. Марки латуней обозначают буквой Л и цифрой, указывающей %%-ное содержание меди, например, Л90. Если кроме цинка латунь содержит другие элементы, то в марке после буквы Л указывается буква, обозначающая добавленный элемент, а затем цифры, обозначающие содержание меди и дополнительного элемента, при этом содержание цинка не указывают. Например, латунь ЛС-59-1 содержит от 57 до 60 % меди, от 0,8 до 1,5 % свинца, а остальное – цинк. Все добавляемые к латуням элементы обозначают русскими буквами: О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий. Прочность латуней по сравнению с медью увеличивается приблизительно в 2 раза, а удельное сопротивление – приблизительно на 40 %.

Алюминий обладает достаточно высокой проводимостью (ρ = 0,028 мкОм^.м) и стойкостью к коррозии, которая обеспечивается самопроизвольным образованием защитной оксидной плёнки Аℓ₂О₃ с большим электрическим сопротивлением. Плотность алюминия (2700 кг/м³) в 3,5 раза меньше, чем плотность меди, а ρ больше всего, в 1,63 раза, поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины использовать алюминий выгоднее, чем медь, - его требуется меньше. Удельное сопротивление алюминия резко возрастает в присутствии примесей Мg, Mn, Fe, прочность при растяжении – 90 – 170 МПа и удлинение при разрыве 0,5 – 25%.

Достоинство алюминия, заключающееся в наличии на поверхности защитного оксидного слоя, является и его недостатком, т.к. создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта, затрудняет пайку обычными методами. С другой стороны, этот слой оксида позволяет использовать алюминиевую проволоку без изолирующего лакового покрытия в слаботочных трансформаторах.

К недостаткам алюминия относится также и значительная термо-ЭДС в контакте с медью.

Алюминиевые сплавы подразделяются на 2 группы: литейные и деформируемые обработкой. Деформируемые подразделяются на 1) не упрочняемые термообработкой и

2) упрочняемые термообработкой.

Не упрочняемые термообработкой АМц содержат 1,0 - 1,6% Mn, АМг содержат 2,0 – 2,8 Mg, 0,2 – 0,4 Mn, АМг5 – 4,0 – 5,5 Mg 0,3 – 0,6 Mn. Структура – твёрдый раствор.

Упрочняемые – дюралюмины и авиаль. Содержат 3 – 6 компонентов. Дюралюмины – это сплавы Al - Cu – Mg + Mn. Марки Д1, Д16, Д18… Авиаль, например В95, содержат Zn (6%), Mg (2,3%), Cu (1,7%), Mn (0,4%), Cr (0,2%). Марки АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Литейных алюминиевых сплавов много. Марки АЛ (алюминиевый литейный) АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 (силумины Al - Si), АЛ-3, АЛ-5, АЛ-6, АЛ-32 (Al-Si-Cu), АЛ-7, АЛ-19 (Al-Cu), АЛ-8, АЛ-13, АЛ-22 (Al-Mg), АЛ-1, АЛ-11, АЛ-24. Наиболее известны силумин и сплавы алюминия с медью. Типичный силумин – АЛ-2 содержит 10 – 13% кремния.

Железо (стали) имеют ρ ≈ 0,1 мкОм^.м, но зато высокую прочность (σ_р = 1200 – 1500 МПа) и используется для изготовления проводов воздушных линий электропередачи, биметаллической проволоки типа «ядро – оболочка» с медной оболочкой.

Для повышения электростабильности, коррозионной стойкости, снижения термо-ЭДС в радиоэлектронике и микроэлектронике в качестве материалов высокой проводимости используют также золото, платину, хром.

4.3.2. Материалы высокого удельного сопротивления.

Эта группа проводниковых материалов представляют собой сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением и малым значением температурного коэффициента удельного сопротивления. Все они имеют структуру твёрдых растворов. Материалы этой группы используются как приборные высокоомные проводники, нагревательные сплавы, материалы для термопар.

К приборным высокоомным проводникам относятся манганин, константан и никелин. Манганин содержит: Cu - 84 - 86 %, Mn – 12-13 %, Ni – 2 – 3 %. Цвет манганина светло-оранжевый, плотность 8400 кг/м³, Т_пл = 960 ^оС, ρ = 0,42 – 0,43 мкОм^.м, ТКρ = (2 – 6) ^. 10^-6 К^-1. Максимальная рабочая температура ≈ 300^оС. Недостатком манганина является высокое значение термо-ЭДС с медью ≈ 1,0 мкВ/К. Разработан новый манганин, имеющий термо-ЭДС с медью ≈ 0,1 мкВ/К. Из манганина изготавливают мягкие и твёрдые проволоки диаметром 0,02 – 6 мм, используемые в производстве резисторов и потенциометров высокого класса.

Константан – сплав, содержащий Cu 58 - 60 %, Ni 32 - 40 % и 1 – 2% Мn. Цвет константана – серебристо-жёлтый плотность 8900 кг/м³, температура плавления Т_пл = 1260 ^оС, ТКЛР = 14^.10^-6 К^-1. Удельное сопротивление ρ ≈ 0,5 мкОм^.м, ТКρ при нормальных температурах = -(5 - 25) ^. 10^-6 К^-1, т.е., имеет отрицательное значение. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: он может длительно работать при 450 ^оС. Недостатком константана является высокая термо-ЭДС в паре с медью и с железом – это может вызывать ошибки измерений в мостовых и потенциометрических схемах. Зато термопары медь – константан (термо – ЭДС = 45 – 55 мкВ/К) широко используются для измерения температур, а сам константан является тензометрическим материалом и применяется для изготовления проволочных тензодатчиков. Действие тензодатчиков основано на изменении сопротивления при деформации тензометрического элемента.

Нагревательные сплавы стойки к окислению при высоких температурах. Это объясняется образованием на их поверхности плотной оксидной плёнки, чаще всего это оксид хрома Cr₂O₃ или закись никеля NiO. Эти оксиды не испаряются при высоких температурах и имеют ТКЛР близкие к ТКЛР сплава, поэтому не растрескиваются при нагревании.

Нагревостойкие материалы обычно представляют собой сплавы хрома и никеля, называемые нихромами (Х15Н60, Х20Н80), хрома и алюминия, называемые хромалями (Х23Ю5Т), железа и хрома, называемые фехралями (Х13Ю4)

Нихром имеет ρ ≈ 1 мкОм^.м, ТК_ρ ≈ 10^-4 К^-1 и максимальную рабочую температуру ≈ 1000 ^оС, хромали имеют более высокое ρ ≈ 1,3 мкОм^.м и более высокую рабочую температуру – до 1400 ^оС. Фехрали дешевле нихромов, но имеют более низкую рабочую температуру = 750 – 1000^оС.

Сплавы для термопар. При соприкосновении двух металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов W. Причиной появления W являются различные значения работы выхода электрона. В замкнутой цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников при условии, что контакты проводников находятся при разных температурах, возникает электродвижущая сила. В этом заключается эффект Зеебека. Величина термо-ЭДС U подчиняетсяуравнению:

U = k/e (T₁ – T₂) ln n_a/n_b, (4.3)

где k – константа Больцмана, е – заряд электрона, n_a и n_b – концентрация электронов в металле а иb, T₁ – температура горячего спая, T₂ – температура холодного спая. Поскольку k/e ^. ln n_a/n_b – для каждой пары металлов является величиной постоянной, уравнение принимает вид U = с (T₁ – T₂). Этот эффект используется для измерения температур с помощью термопар, с называется температурным коэффициентом термо-ЭДС термопары.

Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

копель (56 % Cu + 44% Ni), ρ = 0,46 мкОм^.м; алюмель (95 % Ni, остальное Al, Si и Mg); хромель (90 % Ni и 10 % Cr), ρ = 0,66 мкОм^.м; платинородий (90 % Рt и 10 % Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

медь – константан и медь-копель – до 350 ^оС;

хромель-копель, железо-копель, железо-константан – до 600 ^оС;

хромель-алюмель – до 900 – 1000 ^оС;

платинородий-платина – до 1600 ^оС.

Самая высокая термо-ЭДС у термопары хромель-копель (ХК), самая низкая – у термопары платинородий-платина.

Дата добавления: 2014-12-26