загрузка...
загрузка...
На головну

Класифікація і характеристика провідникових матеріалів

  1. I. Класифікація комп'ютерів
  2. I. Загальна характеристика СИСТЕМИ ПІДГОТОВКИ СПОРТСМЕНІВ У ЗИМОВОМУ універсальний БОЮ
  3. I.2.2) Класифікація юридичних норм.
  4. II. Класифікація документів
  5. II. Загальна характеристика хворого
  6. II. Загальна характеристика методологічної роботи
  7. II.3.2) Класифікація законів.

Провідникові матеріали в залежності від величини питомого опору і застосування підрозділяють на наступні групи:

1) метали і сплави високої провідності;

2) сплави з підвищеним і високим питомим опором;

3) жаростійкі проводять матеріали;

4) кріопроводники;

5) надпровідники;

6) матеріали для контактів;

7) припої.

Провідникові матеріали крім високою питомою провідності (малого питомого опору) повинні мати достатню міцність, хороші технологічні властивості, корозійну стійкість, добре зварюються і піддаватися пайку. Практичне застосування в приладобудуванні знаходять хімічні чисті метали Cu, Al, Ag, Au, Sn, Re, Pd, Bi і інші, які використовуються в якості провідникових матеріалів, матеріалів покриттів, а також сплави на їх основі: латуні, бронзи, мідно-нікелеві сплави та інші.

срібло серед всіх провідникових матеріалів володіє найменшим питомим опором (? = 0,016 мкОм * м), невисокою твердістю НВ25, міцність ?в~ 200 МПа і d  50%. До недоліків Ag слід віднести знижену хімічну стійкість і відносно високу дифузію в матеріал підкладки, на яку воно нанесено. При високій вологості та підвищеній температурі дифузійні процеси посилюються. Застосовується срібло в електротехніці і електроніці як матеріал мікропроводніков, в контактах, при виготовленні керамічних і слюдяних конденсаторів.

мідь є основним провідникові матеріалом в приладобудуванні в силу своїх властивостей (див. відповідний розділ теми «Конструкційні матеріали»). Відзначимо, що механічні і електричні характеристики міді залежать не тільки від її хімічної чистоти, але істотно і від її стану. Твердотянутая мідь марки МТ має меншу провідність і відносне подовження перед розривом, але більшу механічну міцність і твердість, ніж відпалений мідь марки ММ. В результаті відпалу міцність міді марок МТ знижується, але підвищується провідність (докладніше [1,9]). Основне застосування міді - струмопровідні жили обмотувальних, монтажних і настановних проводів [10], контакти, деталі струмопровідних пристроїв.

алюміній, Володіючи великим спорідненістю до кисню, легко окислюється на повітрі і покривається при цьому міцною оксидною плівкою, що захищає метал від подальшого окислення. Це обумовлює його високу корозійну стійкість, але і створює значні труднощі при пайку. Стосовно більшості інших металів алюміній має негативний електрохімічний потенціал, що в присутності вологи сприяє електрохімічної корозії в зоні контакту. Провідникової алюміній використовують для виготовлення жив обмотувальних, монтажних і настановних проводів, пресованих жив кабелів різного призначення [10].

К сплавів з підвищеним (?> 0,3 мкОм * м) і високим (?> 1 мкОм * м) питомим опором відносяться раніше названі мідно-нікелеві сплави: манганин, мельхіор, нейзильбер, константан; сплави з особливими властивостями - нікелеві, нікель-хромові, що йдуть для виготовлення різних резисторів (їх називають ще резистивні матеріали). До матеріалів з високою питомою опором можна віднести і матеріали для термопар.

Випускаються різні марки матеріалів з підвищеним і високим ?, А також сортамент у вигляді смуг, прутків, стрічок, дроту, трубок.

Основними вимогами до матеріалів для резисторів є низький ТК?, низька термоЕРС в парі з міддю, висока стабільність електричного опору в часі. Їх застосовують для виготовлення технічних (регулюючих, пускових реостатів, навантажувальних елементів) і прецизійних (зразкові резистори, елементи приладів, котушки опору, шунти, обмотки потенціометрів) компонентів схем і приладів. Продукція, що випускається для виготовлення резисторів з різних матеріалів з високим питомим опором дріт має діаметр від 0,009 ... 0,012мм і більш [4,9,10]. Сплави на основі благородних металів крім високої корозійної стійкості мають малу термоЕРС в парі з міддю. Основні параметри сплавів з підвищеним і високим опором наведені в таблиці 7.

Таблиця 7

Основні параметри провідникових матеріалів

 матеріал  ?, мкОм * м  ТК? * 10-6,оС-1  термоЕРС в парі з Сu, мкВ /оС  ?в, МПа  tраб, оС
 Матеріали високої провідності
 срібло  0,016      
 мідь  0,017      
 золото  0,024      
 алюміній  0,028      
 Матеріали з високим питомим опором
 нейзильбер МНЦ15-20  0,3 ... 0,32  14,4  350 ... 1100  
 манганін МНМц3-12  0,4 ... 0,52  -2 ... 10  1,0  400 ... 540
 константан МНМц40-1,5  0,45 ... 0,52  400 ... 640
 сплав Х15Н60  1,09 ... 1,12 -  
 Сплав Н80ХЮД-Ві  1,3 ... 1,35 -
 Сплав Х21Ю5ФМ-Ві  1,4 ... 1,5 -  > 800
 Платина-іридій ПЛІ-10  0,22..0,24  0,5 ... 5  350 ... 400  
 Паладій-вольфрам ПДВ-20  0,85 ... 1,1  0,5 ... 5  880 ... 1760  
 матеріали жаростійкі
 Ніхром Х20Н80  1,0 ... 1,1  - (110 ... 130) -
 Фехраль Х23Ю5Т  1,3 ... 1,4 -
 хромаль Х13Ю4  1,2 ... 1,35  100 ... 120 -

Жаростійкі проводять матеріали крім високої питомої опору мають високу робочу температуру (таблиця 7). Це сплави на основі Cr-Ni (ніхроми) і Fe-Cr-Al (Фехр, кульгали), що володіють підвищеною стійкістю до окислення при високих температурах за рахунок легування Al. Їх застосовують для виготовлення нагрівальних елементів, пускових реостатів, що працюють у важких умовах. Недолік фехралю, хромаль - низькі технологічні властивості.

Зі зниженням температури питомий опір в металах зменшується (рисунок 29). Однак є метали і сплави, у яких при критичній температурі значення ? різко падає до нуля - матеріал стає сверхпроводником(Рисунок 31).

 
 

 Перехід металу в надпровідний стан пов'язаний з фазовими перетвореннями. При температурах, близьких до абсолютного нуля, змінюється характер взаємодії електронів між собою і з іонами кристалічної решітки. Електрони з протилежними спинами спаровуються, утворюючи електронні (куперовские) пари. Результуючий спіновий момент стає рівним нулю, і надпровідник перетворюється в діамагнетик. У стані надпровідності куперовские пари мають велику енергію зв'язку, тому обміну енергетичними імпульсами між ними і гратами немає, т. Е. Електронні пари не розсіюються на вузлах кристалічної решітки. Опір матеріалу стає рівним нулю.

При підвищенні температури до значень, вище критичної Ткр, Куперовские пар розпадаються, і стан надпровідності зникає. Вона зникає також в сильних магнітних полях і при пропущенні великого струму (критичні значення поля і струму).

Сверхпроводниками є ніобій, сплави на його основі. Застосовуються надпровідники для виготовлення обмоток потужних генераторів, електромагнітів, тунельних діодів, пристроїв пам'яті, при створенні магнітних полів великої напруженості, в кріогенних гіроскопах з магнітним підвісом. В даний час отримані керамічні високотемпературні надпровідники, Що переходять в надпровідний стан при температурах мінус 160 ... 168оС, яка може бути отримана за допомогою рідкого азоту (температура близько мінус 195оC).

К кріопроводники відносяться матеріали, які при охолодженні до температур нижче мінус 170оЗ набувають високу електричну провідність, але не переходять в надпровідний стан. При низькій температурі питомий опір провідника обумовлено, в основному, наявністю домішок і дефектами кристалічної решітки, вираз (2). Тому кріопроводники повинні мати високий ступінь чистоти і відсутністю дефектів кристалічної будови, що можна забезпечити відпалом.

 
 

 На малюнку 32 наведена температурна залежність питомого опору особливо чисті Al, Cu, Be. Найменшим опором при температурі рідкого азоту володіє берилій.

Однак його використання в якості кріопроводники ускладнено внаслідок низький технологічності, дорожнечі і токсичності. Кріопроводники Al, Cu застосовують в основному для виготовлення струмопровідних жил кабелів і проводів, що працюють при температурах рідких газів водню (-252оС), неону (-246оС) і азоту (-196оС).

Матеріали для контактів. Електричні контакти поділяють на:

-разривние - Періодично замикають і розмикають електричний ланцюг;

-ковзаючі - Здійснюють передачу струму з рухомої частини приладу, електричної машини на нерухому;

-нерухомі - Забезпечують електричне з'єднання нерухомих провідників, наприклад, двох контактних проводів з використанням затискачів.

Матеріали для контактів повинні відповідати таким основним вимогам: мати малий перехідний опір Rпер, Високу корозійну і ерозійну стійкість, твердість, високу електро-і теплопровідність, хімічну стійкість, зносостійкість, не повинні зварюватись при роботі і інші.

Залежно від електричної потужності розривні контакти поділяють на слабонагруженном, Iраб<5A; середньо- і високонавантажені Iраб> (5 ... 15) А. слабонагруженном контакти виготовляють з благородних металів Au, Ag, Pt, Pd, їх сплавів, а також сплавів Pt + Ru, Pt + Rh, Cu + Ag та інших. Вони володіють низьким перехідним опором і підвищеною стійкістю проти окислення. Але у них низький опір ерозійного зношування, тому ці матеріали можна використовувати тільки в слабонавантажених контактах.

Середньо- і високонавантажені контакти часто виготовляють методом порошкової металургії на основі вольфраму, молібдену, срібло-оксид кадмію, срібло-оксид міді, мідь - графіт, срібло - графіт, срібло - нікель, а також Ag + Ni + C, Ag + W + Ni, Cu + W + Ni та інші. Мідна і срібна фази в цих композиціях забезпечують високу тепло- і електропровідність контакту, а тугоплавка композиція W, Мо - стійкість до механічного зносу, електричної ерозії і зварюваності.

Сплави на основі срібла і окисленої міді (СОМ-10), отримані за особливою технологією [1], є композиційним матеріалом, і мають високу стійкість до зварювання та електроерозійні зношування. Застосовуються в високонавантажених контактах, як розривних, так що ковзають.

ковзаючі контакти повинні мати високу стійкість до стираючих навантажень, особливо при сухому терті. Не слід використовувати один і той же матеріал в ковзної контактної парі, так як при цьому сильно збільшується знос.

Найбільш високими якостями володіють контактні пари, складені з металевого і графітсодержащего матеріалів на основі міді (мг3, мГ5 - відповідно 3 і 5% графіту) і срібла (Сг3, СГ5). Мідно-і серебрографітовие щітки застосовуються широко в електричних машинах.

У приладобудуванні в якості щіток ковзають контактів застосовують дріт з провідникових бронз, рідше латуней, що відрізняються високою механічною міцністю, зносостійкістю, пружністю, антифрикційними властивостями і стійкістю до атмосферної корозії (наприклад, латуні ЛМц58-2, бронзи БрБ2, БрКд1 і інші). Кадмієві бронзи по електропровідності близькі до електропровідності міді. Для виготовлення колекторних пластин і кілець використовують мідно-нікелеві сплави, тверду мідь, а також мідь, легированную сріблом.

Сплави, що використовуються для з'єднання металевих деталей за допомогою розплавленого додаткового матеріалу, називається припоями. Вони використовуються при пайку з метою отримання електричного або механічного з'єднання. Розрізняють припої двох типів: для низькотемпературної (tпл  400оС) і висотемпературной (tпл > 600оС) пайки. У приладобудуванні широке застосування для пайки металів високої провідності знаходять низькотемпературні припої, які повинні мати невелике перехідний електричний опір, забезпечувати хорошу змочуваність поверхні, близькі ТКЛР матеріалу деталей, що з'єднуються й зварювання. Цим вимогам відповідають припои на основі олово-свинець (припої ПОС) і олово-цинк (припої ПОЦ). Для пайки міді і її сплавів застосовують припій марок ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 і інші. Цифра показує процентний вміст олова. Евтектичних сплав ПОС-61 має tпл= 183оС, хорошу текучість і широко застосовується для пайки в ПС.

Для зниження температури пайки припой олово-свинець легируют кадмієм. Це припої марок ПОСК (tпл ~ 140 ... 160oС).

Для пайки алюмінію і його сплавів застосовують сплави на основі металів олово-цинк: ПОЦ90, ПОЦ60 і інші, затвердевающие при темпераурах tзатв ~ 199 ... 250oC, і мають діаграму стану евтектичного типу,

Для пайки виробів, що не допускають нагрівання до температури вище 100оС, використовують сплави вісмуту зі свинцем, оловом, кадмієм: сплав Вуда (tпл = 60оС), сплав Розе (tпл = 94оС) та інші.

При підвищених вимогах до електропровідності і механічної міцності з'єднання при пайку використовують припої, леговані сріблом: наприклад, ПСр1,5 (1,5% Ag) - температура плавлення і затвердіння у них залежить від процентного вмісту срібла і змінюється від 225 до 305оС.

 




Алюміній і його сплави | сплави магнію | Титан і його сплави | Берилій і сплави на його основі | Тема 8. Неметалічні конструкційні матеріали | Термопластичні і термореактивні пластмаси | Кераміка, скла, ситалли | теоретичні матеріали | Енергетичні зони твердого тіла | Поняття про електропровідності |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати