Материалы высокой проводимости

Материалы, у которых < 10^-1 мкОм·м считается материалами высокой проводимости (МВП). Это цветные металлы Сu, Al, Ag, Au, Zn, Pb, Mn, а также Fe. Параметры МВП приведены в таблице 2.1

 

Свойства проводников. Таблица 2.1

Параметры	Медь ММ	Медь МТ	Алюминий АМ
Плотность, кг/м3	8, 90 103	8, 90 103	600÷ 2700
Удельное электрическое сопротивление , мкОм м	0, 0175	0, 0175– 0, 0182	0, 0290
	4, 33		4, 10
Удельная термоЭДС α Т;	1, 8		1, 3
Предел прочности прирастяжении σ р, Мпа
Относительное удлинение при разрыве ε, 100%	18 ÷ 35	0, 5 ÷ 2, 5	10÷ 18
Температура плавления Тпл.,

 

Кроме металлов применяются сплавы этих металлов, т.к. они обычно дешевле и могут иметь свойства, которых нет у чистых металлов.

Медь.

Медь ― основной проводниковый материал электротехники и радиотехники. Она обладает малым удельным сопротивлением ρ, хорошими механическими и технологическими свойствами, удовлетворительной коррозионной стойкостью, хорошо поддаётся сварке и пайке. Недостатком меди является её высокая стоимость и дифицитность. Электрические и механические свойства меди значительно зависят от термообработки и технологии получения.

Медь получают разными методами в результате переработки сульфидных руд. Примеси фосфора, железа, серы, мышьяка снижают электропроводность меди. Поэтому медь, предназначенная для изготовления проводников, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодная медь, полученная в результате электролиза, переплавляется в болванки массой 80÷ 90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия необходимого поперечного сечения.

Для получения проволоки болванки подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6, 5÷ 7, 2 мм, которую затем протягивают без подогрева в проволоку нужного диаметра.

При холодной протяжке получают твердую (твёрдотянутую) медь МТ, у которой в результате наклёпа повышается предел прочности при растяжении, твёрдость и упругость, но уменьшается пластичность и ухудшаются электрические свойства.

Для улучшения проводимости и повышения пластичности твёрдая медь подвергается отжигу, нормализации. Медь нагревается до нескольких сот градусов с последующим охлаждением. Происходит рекристаллизация и получается мягкая (отожжённая) медь ММ.

В качестве проводникового материала используют медь ММ марок М1 и МО. Медь М1 содержит 99, 9% меди, менее 0, 1% примесей. Медь МО содержит 0, 05% примесей, в том числе кислорода ― не более 0, 02% и обладает лучшими механическими свойствами, чем медь М1. Ещё более лучшую проводниковую медь выплавляют в вакуумных индукционных печах марки МВ

(примесей менее 0, 01%).

50% добываемой меди расходуется на изготовление проводов.

Твёрдая медь применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую прочность, твердость, сопротивление истиранию (для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин, проводов ЛЭП).

Мягкая медь применяется для изготовления токоведущих жил кабелей и проводов, изготовления фольги.

30% меди используется для изготовления сплавов (латунь, бронза).

В микроэлектронике медь имеет ограниченное применение из-за низкой окислительной стойкости. Из меди делают тонкие покрытия диэлектрических плат и токопроводящие плёнки в микросхемах.

В ряде случаев требуется, чтобы проводниковый материал превосходил медь по прочности, коррозионной стойкости, сопротивлению истиранию. Такие свойства получают в сплавах меди.

Бронза. Сплав меди с оловом с добавлением алюминия, кремния, бериллия. Добавки существенно повышают прочность, твёрдость. Литейные бронзы применяются для фасованного литья, изготовления деталей сложной формы.

Латуни. Многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Латуни обладают высокой прочностью, упругостью, технологичны, дешёвы. Латуни применяются для изготовления контактов, экранов, музыкальных инструментов, значков, а также мебельной фурнитуры и бытовой утвари (самовары, тазы, чеканка).

 

2.4.2. Алюминий.

Алюминий представляет собой серебристобелый металл с высокой электропроводностью

(в 1, 6 раза меньше, чем у меди).

Алюминий в 3, 5 раза легче меди и значительно дешевле. Алюминий пластичен, технологичен, имеет хорошую коррозионную стойкость, но существенно уступает меди в механической прочности. На воздухе алюминий активно окисляется и покрывается тонкой оксидной плёнкой с большим электрическим сопротивлением, которое предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов. Оксидная плёнка затрудняет пайку. Для пайки применяются специальные пасты ― припои и ультразвуковые паяльники, разрушающие оксидную плёнку. Для соединения алюминиевых проводов применяется также холодная сварка ― пластическое обжатие контакта, при котором плёнка окисла растрескивается и выдавливается из зоны контакта, а очищенные поверхности металла прочно соединяются.

В полупроводниковой промышленности разработана технология сварки плёнок из алюминия, заменяющих золото. Соединения меди и алюминия боятся влаги из-за разрушения алюминия под действием гальванических ЭДС.

Алюминий самый распространённый металл на земле. Основная часть алюминия сосредоточена в алюмосиликатах и продуктах их разрушения (глина, каолин). Сырьём для получения алюминия являются бокситы, нефелин, каолин. Получение алюминия начинается с очистки руд от примесей, а завершается электролизом 6 – 8% раствора Al₂О₃ в расплаве криолита. Образующийся на катоде жидкий алюминий стекает на дно электролизера.

Для получения алюминиевой проволоки используется алюминий марки АЕ. Аналогично меди алюминий маркируется в зависимости от технологии получения. АТ ― алюминий твёрдый., АМ ― алюминий мягкий.

Чистый алюминий широко применяется как проводниковый материал, заменитель дефицитной меди. А также в виде сплавов применяется в энергетике, самалёто- и судостроении, строительной промышленности, при изготовлении бытовой техники, посуды, технологических аппаратов.

2.5. Материалы высокого сопротивления (Резистивные материалы).

Резистивные материалы предназначены для изготовления резисторов, нагревательных элементов, активных сопротивлений для реостатов. Эти материалы должны иметь ρ > 0, 3 мкОм м, высокую стабильность ρ, малый температурный коэффициент удельного сопротивления , определяющий температурную стабильность ρ, быть пластичным (для получения проволоки и фольги), допускать возможность сварки и пайки. Желательно, чтобы материалы не были дорогими и дефицитными. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют сплавы меди с никелем и марганцем, сплавы на основе железа и никеля.

Сплавы на основе меди: манганин, константан; на основе никеля ― нихромы; на основе железа и алюминия ― фехрали, хромали.

Термостабильные сплавы для образцовых резисторов (таблица 2.2)

 

Свойства материалов высокого сопротивления. Таблица 2.2

Параметр	Манганин	Константан	Нихром	Фехраль
Удельное сопротивление ρ, мкОм м	0, 46	0, 50	1, 1	1, 26
ТКρ , К-1
Рабочая температура Траб.,
σ ρ , МПа	450 – 600		650 – 700
ε, %	15 – 30	20 – 30	25 – 30

 

Манганин (медь ― 85%, марганец ― 12%, никель ― 3%). Сплав жёлтого цвета, пластичный, покрыт хрупкой стеклянной изоляцией, рабочая температура С.

Константан (медь ― 59%, марганец ― 1, 5%, никель ― 40%). Назван так за высокую стабильность коэффициента удельного сопротивления ТК_ρ . При нагревании до температуры 900^°С константан окисляется с образованием оксидной плёнки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов без дополнительной изоляции. Рабочая температура 400^°С. Сплав дорогой из-за большого содержания никеля.