Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

нагревательных элементов, контактов и т.п.

Полупроводники — материалы, удельное электросопротивление которых находится в пределах 10-5 — 10 -8 Ом-м и с ростом температуры уменьшается; применяют для выпрямления, усиления электрических сигналов, превращения различных видов энергии в электрическую и т.д.

Диэлектрики — материалы с удельным электросопротивлением в пределах 108 - 1016 Ом • м; используют в качестве изоляторов.

МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Электрическая проводимость твердых тел в первую очередь определяется электронным строением атомов. В твердых телах в результате взаимодействия электромагнитных полей атомов энергетические электронные подуровни расщепляются, образуя энергетические зоны

При переходе к более высоким энергиям зоны разрешенных подуровней становятся шире и перекрываются, а зоны запрещенных энергий при сближении атомов на расстояние а вообще исчезают. Плотность заполнения электронами энергетических зон и их перекрытие определяют электрическую проводимость твердых тел

В кристаллах непереходных металлов (Сu, Ag, Аu, А1) валентная зона заполнена неполностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия, необходимая для такого перемещения, ничтожно мала, так как незанятые подуровни непосредственнопримыкают к заполненным. Для натрия эта энергия составляет 1,6 • 10 -28 Дж. Несколько меньшей электрической проводимостью обладают переходные металлы (Fe, Ni, Сr и т.д). Они имеют незаполненные подуровни 3d зоны, которая перекрывается с заполненной валентной зоной 4s

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В зависимости от удельного электрического сопротивления и применения проводниковые материалы подразделяют на следующие группы:

1)металлы и сплавы высокой проводимости;

2)припои;

3)сверхпроводники;

4)контактные материалы;

сплавы с повышенным электросопротивлением

Металлы и сплавы с высокой проводимостью

Проводниковые металлы кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое сопротивление) должны иметь достаточную прочность и пластичность, которые определяют технологичность; коррозионную стойкость в атмосферных условиях, а в некоторых случаях и 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: Сu, Al, Fe. Они обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим такие металлы используют в технически чистом виде и, для достижения максимальной электрической проводимости, в отожженном состоянии.

Электрические свойства металлов при 20 ° С приведены ниже:

Железо значительно уступает меди и алюминию по электрической 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 0,1 - 0,15%, а также стали обыкновенного качества. Эти стали обеспечивают достаточно высокую прочность (σВ = 300. .. 700 МПа) 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 того, 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 электросопротивление (сопротивление контакта).

Различают припои двух типов: для низкотемпературной пайки, имеющие температуру плавления до 400 ° С, 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 олова, свинца, цинка, серебра, имеющих хорошую электрическую проводимость. Сплавы этих металлов образуют эвтектические смеси, электросопротивление которых мало отличается от металлов, образующих сплав.

Вприборостроении для низкотемпературной пайки применяют оловянно-свинцовые и оловянно-цинковые (ГОСТ 21931-76) припои.

Вкачестве высокотемпературных припоев используют медь, медноцинковые и медно-фосфористые припои, а также припои, содержащие серебро. Медно-цинковые припои ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54 (цифра указывает содержание меди) имеют удельное электросопротивление в пределах 0,03 - 0,04 мкОм-м; температура плавления их при увеличении содержания меди возрастает от 825 до 880 ° С. Применение медно-фосфористых припоев ПМФ7 (цифра указывает процентное содержание фосфора) позволяет вести пайку меди без флюса, что на практике удобнее и проще.

Припои, содержащие серебро, очень технологичны, так как обладают хорошей растворимостью и смачиваемостью; они пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое переходное электросопротивление. Кроме серебра, содержание которого указывает цифра в марке, припой содержит медь или медь с цинком. В припоях ПСр-72, ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10 удельное электросопротивление возрастает от 0,022 до 0,065 мкОм-м, температура плавления соответственно изменяется от 779 до 920 ° С (см. рис.

18.6).

Сверхпроводники

Особую группу материалов с высокой электрической проводимостью образуют сверхпроводники. С понижением температуры удельное электросопротивление всех металлов монотонно падает. Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение р резко падает до нуля — материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и у около 1000 сплавов.

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: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74).

Сплав 65БТ содержит 22 - 26 % Ti; 63 - 68 % Nb; 8,5 - 11,5 % Zr и имеет критическую температуру перехода 9,7 К (-263,3 ° С). Для Т = 4,2 К критические значения плотности тока и напряженности магнитного поля составляют 2,8 • 10 6 А/м2 и (6 - 7,2)-106 А/м соответственно. Проволоку из сплава 35БТ состава 60 - 64 % Ti; 33,5 - 36,5 % Nb; 1,7 - 4,3 % Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Контактные материалы

Электрические контакты подразделяют на разрывные, скользящие и неподвижные. Основное требование для всех контактов — малое переходное электросопротивление.

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.

Обычно материалами для таких контактов служат серебро и сплавы на его основе.

Скользящие контакты. К материалам для скользящих контактов предъявляют те же требования, что и для разрывных, но основное требование к ним — высокое сопротивление свариванию. Кроме окисленного серебряномедного сплава для скользящих контактов применяют композиции из порошков меди или серебра с небольшой добавкой графита, препятствующего свариванию (МГЗ, МГ5, СГЗ, СГ5). Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.

Неподвижные контакты. Эти контакты должны иметь низкое значение переходного электросопротивления, которое, кроме того, должно быть стабильным при небольших контактных усилиях. Поэтому для зажимных контактов выбирают коррозионно-стойкий материал, не образующий оксидных пленок с высоким электросопротивлением на контактной поверхности. Всем этим требованиям удовлетворяют медь, латунь, цинк.

Сплавы с повышенным электросопротивлением

Эти сплавы используют для прецизионных элементов сопротивления (обмоток потенциометров, шунтов, катушек сопротивления, резисторов, термопар, тензометрических датчиков) и нагревательных элементов электрических приборов и печей.

Повышенным электросопротивлением обладают металлические сплавы со структурой твердых растворов. Значения р у таких сплавов (см. рис. 18.5) выше, чем у металлов, их составляющих. Сплавы с высоким электросопротивлением должны иметь малый температурный коэффициент электросопротивления, а также высокую жаростойкость, что особенно важно для нагревательных элементов.

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

Сплавы, рабочая температура которых не выше 500° С, используют для изготовления прецизионных элементов сопротивления. К ним относятся медные сплавы, легированные никелем и марганцем.

Сплавы, рабочая температура которых менее 1200 ° С, используют