Материалы высокой проводимости

Главные требования, предъявляемые к материалам высокой проводимости, - это высокая электропроводность, доступность и технологичность. Основные материалы, которые по совокупности удовлетворяют этим требованиям, это медь, алюминий и их сплавы. Такой проводящий материал, как золото (проволока диаметром 5¸10 мкм), широко используется, например, в электронной промышленности при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Медь и ее сплавы

Промышленностью в качестве материалов высокой проводимости используется как чистая медь, так и сплавы на ее основе: латуни и бронзы.

Важнейшим из металлов высокой проводимости является медь, что обусловлено совокупностью характерных для нее свойств:

- минимальное удельное электросопротивление r (только серебро имеет r примерно на 5 % меньше, чем чистая медь;

- высокая для большинства случаев практического применения механическая прочность;

- удовлетворительная стойкость к воздействию окружающей среды;

- хорошая технологичность (благодаря сочетанию прочности и высокой пластичности медь перерабатывается в фольгу, ленты, листы, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);

- относительная легкость пайки и сварки, что особенно важно при монтажных работах.

Основной недостаток меди – ее относительная дефицитность, обусловленная относительно малой распространенностью в природе.

Наименьшим удельным электросопротивлением обладает чистая медь, примеси снижают ее электропроводность

Латуни – сплавы на основе меди, где главным легирующим элементом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокой механической прочностью и повышенным удельным электро­сопро­тивлением. Латуни стойки к атмосферной коррозии, однако многие сплавы, содержащие более 20¸30 % Zn, склонны к растрескиванию из-за одновременного действия остаточных напряжений в изделии и коррозионного воздействия аммиака, а также сернистого газа во влажной атмосфере. Это явление называется сезонной коррозией латуни, так как наблюдается оно в месяцы с повышенной влажностью. Растрескивание предотвращают, проводя отжиг при 250¸350 °С для снятия остаточных напряжений.

Латуни широко применяются для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования.

Бронзы – сплавы на основе меди, где главный легирующий элемент (за исключением цинка (латуни) и никеля (медно-никелевые сплавы)) определяет название бронзы. По сравнению с медью они обладают повышенными электросопротивлением, механической прочностью, твердостью, упругостью (как при нормальной, так и при повышенных температурах), стойкостью к истиранию. Для электротехники наибольший интерес представляют те бронзы, которые сочетают высокую удельную электропроводность g (бериллиевая бронза) с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронзы). Из проводниковых бронз изготавливаются контактные провода для электрического транспорта, коллекторные пластины, контактные ножи, скользящие контакты, токоведущие пружины, упругие контактные элементы, щеткодержатели, электроды, зажимы и т.п.

Из литейных оловянных и безоловянных бронз изготовляются литые токоведущие детали сложной формы с удельной проводимостью, составляющей ~10 % от проводимости чистой меди.

Алюминий и его сплавы

Вторым после меди техническим проводником по значению удельной электрической проводимости при нормальных условиях является алюминий. При пониженной температуре < 70 К его удельная электропроводность становится даже больше, чем у меди. Дополнительное достоинство алюминия в том, что он самый распространенный в природе металл. С учетом дефицитности меди роль алюминия как проводникового материала высокой проводимости неуклонно возрастает.

Достоинства алюминия: легкость (в 3,3 раза легче меди); высокая удельная электропроводность; пластичность; хорошая технологичность; коррозионная стойкость. Однако алюминий существенно уступает меди в механической прочности.

Наличие примесей увеличивает удельное электросопротивление алюминия, поэтому в проводниковом алюминии содержание примесей не должно превышать 0,5 %. Для применения в электротехнических изделиях предусмотрены специальные марки А5Е (АЕ) и А7Е, удельное электросопротивление которых нормируется. Для изготовления прессованных токопроводящих жил используются специальные марки алюминия А75К, А8К, А8КУ. В последних пяти марках резко ограничено содержание примесей Ti, V, Mn, Cr, которые резко снижают проводимость алюминия.

Оксидная, защищающая от коррозии пленка на поверхности алюминия обладает электроизоляционными свойствами, создавая большое контактное сопротивление в месте соединения. Поэтому пайка алюминия обычными методами невозможна. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои и ультразвуковые паяльники, разрушающие оксидную пленку. Для соединения алюминиевых проводов применяется и холодная сварка - пластическое обжатие контакта, при котором пленка окисла растрескивается и выдавливается из зоны контакта, а очищенные поверхности металла прочно соединяются.

Алюминий применяется для изготовления электрических проводов, кабельных, тонкопленочных и других токопроводящих изделий, конденсаторов, конденсаторной фольги, электродов в разрядниках, катодов в ионных рентгеновских трубках, в выпрямителях тлеющего разряда, электродов (диафрагм и отклоняющих пластин) в электронно-лучевых трубках и т.п.

Для алюминиевых сплавов характерно сочетание легкости с повышенной, по сравнению с алюминием, прочностью. Электрические, механические и технологические свойства алюминиевых сплавов регулируются различными добавками.

Углеграфитовые материалы

Из неметаллических материалов высокой электропроводностью обладает графит. Это объясняется заменой у четырехвалентного углерода ковалентных связей вдоль вертикальной оси в гексагональной структуре на ван-дер-ваальсовы силы, в результате чего появляются свободные носители электрического тока. Такое различие химической связи в структуре графита (в базисных плоскостях (0001) – прочные ковалентные связи, а между плоскостями – связи на основе сил Ван-дер-Ваальса) приводит к существенной анизотропии свойств.

Обладая высокой электропроводностью, графит обладает и высокой теплопроводностью, а также термостойкостью и химической стойкостью. Благодаря своим элект­рическим и механическим свойствам (ван-дер-ваальсовы связи легко разрушаются) углеродистые материалы применяются в электротехнике и радиодеталестроении в качестве электропроводящих материалов. Из них изготавливают резисторы, разрядники для телефонных сетей, электроды (для прожекторов, дуговых электропечей, электролитических ванн), аноды гальванических элементов, нагреватели, щетки для электродвигателей и другие электроугольные изделия. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления.

Контактные материалы

Электрический контакт определяется как место перехода тока из одной токоведущей детали в другую, способное обеспечить надежное соединение двух проводников с минимальным и стабильным электрическим сопротивлением. Таким образом, понятие электрического контакта включает два элемента: поверхность соприкосновения, обладающую высокой проводимостью, и конструктивное приспособление, обеспечивающее такое соединение.

Контакты по условиям работы подразделяются на три типа: неподвижные, коммутирующие (разрывные) и скользящие (скольжение без отрыва). При этом большинство электрических контактов содержит элементы разных типов, но в замкнутом состоянии они должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к неподвижному контакту.

По значению коммутируемого тока контакты подразделяют на слаботочные (сила тока I £ 1А) и сильноточные (сила тока I > 1А).

Материалы для коммутирующих контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- быть устойчивыми против коррозии;

- быть стойкими против электрической эрозии и износа;

- не свариваться; обладать высокой механической износо­стой­костью, особенно на истирание;

- легко обрабатываться металлорежущим инструментом и прирабатываться друг к другу;

- обладать высокой проводимостью и большим коэффициентом теплопроводности;

- иметь низкую стоимость.

Для изготовления слаботочных контактов используются благородные и тугоплавкие металлы (Ag, Pt, Pd, Au, W, Mo) и сплавы на их основе в виде твердых растворов, в том числе дисперсионно-твердеющих и диффузионно-окисленных.

Сильноточные (мощные) разрывные контакты изготовляются главным образом из металлокерамических композиций (псевдосплавов), получаемых методами порошковой металлургии. Композиции изготовляют из меди, серебра и их сплавов с небольшими примесями некоторых других элементов и веществ (W, Ni, C, CdO, CuO).

Скользящие контакты работают примерно в таких же условия, что и разрывные, однако специфическим требованием для них является повышенная стойкость к механическому износу и трению. Скользящие контакты применяются в устройствах токосъема электротранспорта, в электрических машинах (между щетками и коллектором или контактными кольцами), в реостатах, ползунковых переключателях и других конструкциях. Значительный износ скользящих контактов возникает при сухом трении, если оба контакта изготовлены из одного материала или при неудачном выборе пар. Высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов. Для изготовления скользящих контактов широко применяются бронзы и латуни, отличающиеся высокой механической прочностью, упругостью и износостойкостью, антифрикционными свойствами, стойкостью к атмосферной коррозии.

Из неметаллических материалов для скользящих контактов наибольшее распространение получили различные углеродные материалы. Так, для изготовления щеток, служащих для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины (для подвода или отвода тока к коллектору или контактным кольцам), используются угольно-графитовые, графитовые, электрографитированные (подвергнутые термической обработке - графитированию) и медно-графитные материалы.

Припои и контактолы

Припоями называют присадочные металлы или сплавы, применяемые при пайке для заполнения зазора между соединяемыми поверхностями с целью получения монолитного паяного шва. Припои обладают более низкой температурой плавления, чем соединяемые металлы.

Припои подразделяют на две группы: мягкие - с температурой плавления < 300 ^оС (сплавы на основе Sn, Pb с добавками Cd, Bi и др.); твердые - с температурой плавления > 300 ^оС, отличающиеся высокой прочностью (сплавы на основе Cu, Ag, Ni, Zn). Мягкие припои имеют s_в = 16¸100 МПа, а твердые - s_в = 100¸500 МПа.

Припой выбирают в соответствии с типом паяемого металла или металлов (если они разнородны), с требуемой удельной проводимостью, механической прочностью, коррозионной стойкостью и его стоимостью.

Для создания токопроводящего контакта при склеивании используются электропроводящие клеи и покрытия (так называемые контактолы). Они представляют собой маловязкие либо пастообразные композиции, в которых в качестве связующего используются различные синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем служат мелкодисперсные порошки металлов или графита. Выбор связующего определяется технологическими и физико-механическими свойствами контактола. Электрические свойства контактола зависят в основном от свойств дисперсного наполнителя (проводимость, форма и размер частиц, концентрация).

Резистивные материалы

К материалам высокого сопротивления, применяемым для токоведущих частей электроизмерительных приборов, образцовых и добавочных резисторов, предъявляются особые требования:

- высокое удельное электросопротивление r (для уменьшения размеров и массы);

- малый температурный коэффициент удельного электросопротивления ТКr (для обеспечения температурной стабильности r);

- малая удельная термо-эдс в паре с медью a_1Cu (для уменьшения ошибок измерения вследствие возникновения паразитных термо-эдс);

- хорошая технологичность (для получения тонкой гибкой проволоки и других полуфабрикатов).

Для изготовления переменных резисторов, особенно низкоомных, необходимо, чтобы резистивный материал имел малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с применяемым материалом скользящего контакта.

В зависимости от номинального сопротивления резистора, его назначений и условий эксплуатации в качестве резистивного материала используют металлы и сплавы с высоким удельным электросопротивлением, оксиды металлов, углерод, керметы (металлокерамические материалы), композиционные материалы. Резистивный материал в зависимости от типа резистора может применяться в виде объемного элемента, проволоки различного диаметра или пленки, осаждаемой на диэлектрическую поверхность.

Медно-никелевые сплавы

В наибольшей степени удовлетворяет перечисленным выше требованиям к резистивным материалам медно-никелевый сплав манганин двух марок: МНМц3-12 и МНМцАЖ3-12-0,3-0,3. Легирование марганцем приводит к малому температурному коэффициенту удельного электросопротивления ТКr в интервале температур –100¸100 °С, что также обеспечивается применением стабилизирующего отжига при температуре 400 °С. Повышение содержания никеля снижает удельную термо-эдс манганина в паре с медью a_1Cu. Добавки алюминия и железа оказывают стабилизирующее влияние на удельное электросопротивление, существенно снижая температурный коэффициент.

Хорошая технологичность позволяет изготавливать из манганина проволоку, полосы, фольгу. Проволока, в частности, выпускается либо твердой (МНМц3-12), либо мягкой (МНМц3-12 и МНМцАЖ3-12-0,3-0,3).

Хорошие электрические и механические характеристики имеет константан, который также широко применяется в электротехнике. Он сочетает высокую механическую прочность с пластичностью, что позволяет получать из него тончайшую проволоку, фольгу, ленты, полосу. По нагревостойкости константан превосходит манганин, поэтому его используют в реостатах и нагревательных элементах, работающих при температуре ниже 500 °С.

Однако у константана очень большая термо-эдс в паре с медью, что не позволяет применять его в высокоточных измерительных системах и приборах, зато обеспечивает широкое использование для изготовления медно-константановых термопар.

Нейзильбер марки МНЦ15-20 применяется для изготовления реостатов, контактных пружин, лент и др. Он дешевле константана, но существенно уступает ему в электрических свойствах.