Матеріали високої провідності. Сплави та неметалеві провідники

МАТЕРІАЛИ ВИСОКОЇ ПРОВІДНОСТІ. СПЛАВИ ТА НЕМЕТАЛЕВІ ПРОВІДНИКИ
Житомир 2009

1.Прості матеріали високої провідності та їх сплави
До матеріалів високоїпровідності відносяться мідь, алюміній, натрій металевий, срібло, золото,платина, залізо. З них найбільш розповсюдженими в радіоелектронній таелектротехнічній апаратурі є мідь та алюміній.
Мідь: метал жовто-червоного кольору.
Переваги міді:
Найменший, післясрібла, питомий опір, ρ = 0,017 [мк Ом ּм];
достатньо високамеханічна міцність;
задовільна стійкістьдо корозії (інтенсивне окислення відбувається тільки при підвищенихтемпературах);
висока технологічністьв обробці (з міді прокатуються листи, стрічки і протягуються дроти товщиноюдолів міліметра);
відносна легкістьпайки та зварювання.
Отримання міді: здійснюється шляхом переробки сульфіднихруд. Після декількох плавок руди та відпалювань з інтенсивним обдуванням, мідь очищуютьелектролітичним шляхом. Отримані при цьому катодні пластини переплавляють взаготовки масою 80–90 [кг], які прокатують та протягують до необхідногопоперечного перерізу. Для виготовлення дроту, спочатку шляхом гарячогопрокатування, виготовляють «катанку» діаметром 6,5 ÷ 7,2 [мм], якупротравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти для зняття з її поверхніоксиду міді СuO, що виникає при нагріванні, а потім протягують без підігріванняв дріт потрібного діаметру до 0,03÷0,02 [мм].
Марки міді:
В якостіпровідникового матеріалу використовують мідь марок М1 та М0.
Склад міді:
марки М0 – 99,95% міді(Cu), 0,05% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,02%;
марки М1 – 99,9% міді(Cu), 0,1% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,08%. Присутністькисню погіршує механічні властивості міді.
При холодномупротягуванні отримують тверду мідь (МТ), яка має високу межу міцності прирозтягуванні, мале подовження перед розривом, твердість та пружність привигинанні. Дріт з твердої міді здатний пружинити.
При випалюванні міді(здійснюється її підігрів до декількох сотень градусів з наступнимохолодженням) отримують м’яку мідь (ММ). Відпалювання міді виконують вспеціальних печах без доступу повітря, з метою уникнення процесу окислення.М’яка мідь характеризується пластичністю, малими твердістю та міцністю, але длянеї є характерним велике подовження перед розривом та більш висока питомапровідність.
Сплави міді з оловом, кремнієм, фосфором, берилієм,хромом, магнієм, кадмієм – називаються бронзами. Бронзи мають більш кращімеханічні властивості ніж чиста мідь. Бронзу використовують для створенняпружинних контактів. Введення в мідь кадмію значно підвищує її міцність татвердість, при незначному зменшенні питомої провідності. Кадмієву бронзувикористовують для виготовлення колекторних пластин. Ще більшою міцністюволодіє берилієва бронза.
Сплав міді з цинком носить назву латуні, якахарактеризується достатньо високим відносним подовженням при підвищеній, упорівнянні з чистою міддю, межі міцності при розтягуванні. Деталі з латуні, упорівнянні з мідними більш краще штампуються та витягуються.
Алюміній – другий за значенням після мідіпровідниковий матеріал. Відноситься до легких металів (питома щільністьалюмінію становить 2,6 [Мг/м3], а прокатаного 2,7 [Мг/м3]).Алюміній в 3,5 рази легший ніж мідь. Температурний коефіцієнт розширення,питома теплоємність та теплота плавлення алюмінію більші ніж у міді, атемпература плавлення навпаки менше. Алюміній має нижчі у порівнянні з міддюмеханічні та електричні характеристики. Його питомий опір ρ=0,028 [мкОм·м]в 1,63 рази більший ніж у міді ρ=0,0172 [мкОм·м]. Тому поперечнийпереріз дроту з алюмінію повинен бути в 1,63 рази більший, ніж у дроту з міді,для забезпечення однакового з ним електричного опору, тобто діаметралюмінієвого дроту повинен бути в /> разибільший ніж у мідного. Тому якщо в конструкції існують габаритні обмеження,краще застосовувати мідний дріт. Однак при однакових довжині та електричномуопорі алюмінієвий дріт в 2 рази легший за мідний. Тому для виготовлення дротіводнієї і тієї ж провідності при даній довжині, алюміній буде вигідніше міді втому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонни міді не більше ніж у два рази.Алюміній менш дефіцитний за мідь.
В електротехніцівикористовують алюміній марки А1, що містить ≤ 5% домішок. Длявиготовлення алюмінієвої фольги, електродів та корпусів оксидних конденсаторів,використовують алюміній марки АВОО кількість домішок в якому ≤ 0,03%.Алюміній марки АВОООО містить домішок ≤ 0,004%. Наявність домішок зменшуєпитому електричну провідність алюмінію. Прокатування, протягування тавідпалювання алюмінію аналогічні операціям над міддю. З алюмінію є можливість,прокатуванням, отримати фольгу товщиною 6÷7 [мкм], яка використовуєтьсяв якості електродів паперових та плівкових конденсаторів.
Алюміній активноокислюється, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, з великим електричним опором.Ця плівка захищає алюміній від подальшої корозії, але створює великийперехідний опір в місцях контакту алюмінієвих дротів і унеможливлює пайку алюмініюзвичайними методами. Для пайки алюмінію використовують спеціальні пасти –припої або ультразвукові паяльники. У місці з’єднання алюмінію та міді виникаєгальванічна корозія. У разі зіткнення місця контакту з вологою, виникає місцевагальванічна пара з доволі високим значенням ЕРС, причому полярність цієї пари єтакою, що на зовнішній поверхні контакту струм протікає від алюмінію до міді, врезультаті чого алюміній піддається значній корозії. Тому місця з’єднаннямідних провідників з алюмінієвими повинні бути якісно захищені від вологи.
Алюмінієві сплави – мають підвищену механічнуміцність.
Альдрей: 0,3÷0,5% магнію (Мg), 0,4÷0,7%кремнію (Si), 0,2÷0,3% заліза (Fe), решта алюміній (Аl). Високімеханічні якості альдрей отримує після особливої обробки (закалювання катанки –охолодження у воді при температурі 510÷5500С, волочіння тавитримка при температурі близько 150 0С). В альдреї утворюютьсяз’єднання Мg2Si, яке забезпечує високі механічні властивості сплаву.У вигляді дроту альдрей має:
щільність – 2,7 [Мг/м3];
межу міцності при розтягуванні – σρ= 350 [МПа];
відносне подовження перед розривом– ∆ℓ/ℓ=6,5%;
температурний коефіцієнт лінійногорозширення провідника – αl=23·10–6 [K–1];
питомий опір – ρ = 0,0317[мкОм ·м];
температурний коефіцієнт питомогоопору – αρ= 0,0036 [K–1].
Альдрей є легшим за алюміній та близькимдо нього за питомим опором, при цьому за механічними властивостями він більшнаближений до твердотягнутої міді.
Сталеалюмінієвий дріт – широко використовується велектротехніці для побудови ліній електропередач. Це скручений стальний дріт залюмінієвими жилами. Механічні властивості забезпечує сталь, а електричніалюміній. В цьому дроті, при високих напругах, небезпека виникнення коронногорозряду є меншою ніж у мідному, завдяки меншій величині напруженостіелектричного поля на його поверхні, яка визначається більшим зовнішнімдіаметром.
Залізо (сталь) – найбільш дешевий та доступний звисокою механічною міцністю метал, однак навіть чисте залізо у порівнянні зміддю та алюмінієм характеризується великим питомим опором ρ = 0,1 [мкОм·м]. У сталі за рахунок вуглецю опір є ще більшим. У сталі при змінному струміпроявляється поверхневий ефект, тому активний опір стальних провідниківзмінному струму є більшим за омічний опір постійному струму. У якостіпровідникового матеріалу, як правило застосовують м’яку сталь із вмістомвуглецю 0,1÷0,15%. Для неї є характерними наступні параметри:
межа міцності прирозтягуванні – σρ=700÷750 [МПа];
відносне подовженняперед розривом – ∆ℓ/ℓ=5÷8%;
питома провідність (γ) в 6–7 разів менша ніж уміді.
Застосування м’якоїсталі є вигідним для виготовлення дротів повітряних ліній, призначених дляпередачі невеликих потужностей (невеликого струму), оскільки при малій силіструму, переріз дроту визначається не електричним опором, а насамперед його механічноюстійкістю. Сталь, як провідник застосовується у вигляді шин, рейок трамваїв таелектричних залізних доріг (у тому числі «третя рейка» метро). Для осердьсталеалюмінієвих дротів повітряних ліній електропередачі застосовуєтьсяособливо міцний сталевий дріт з параметрами: σρ=1200÷1500[МПа], ∆ℓ/ℓ=4÷5%.
Звичайна сталь єнестійкою до корозії, навіть при нормальній температурі, особливо в умовахпідвищеної вологості вона швидко ржавіє. Для запобігання корозії стальпокривають цинком. Залізо характеризується високим температурним коефіцієнтомпитомого ТКρ
Біметал – це сталь, зовнішня поверхня якоїпокрита міддю, причому обидва метали з’єднані один з одним міцно та безперервнопо всій поверхні їхнього зіткнення.
Способи виготовленнябіметалу:
гарячий – стальназаготовка ставиться у форму, а проміжок між заготовкою та формою заливаєтьсярозплавленою міддю, після чого вже біметалічну заготівку прокатують тапротягують;
холодний – мідьелектролітично осаджують на сталевий дріт, пропускаючи його крізь ванну з розчиноммідного купоросу.
Біметал має механічніта електричні властивості проміжні між властивостями суцільних мідного тасталевого провідників того ж перерізу. Конструкція, в якій мідь розташовуєтьсяв зовнішньому шарі, а сталь всередині забезпечує:
більш високупровідність всього дроту при змінному струмові;
захист сталі відкорозії.
Біметалевий дрітхарактеризується наступними параметрами: зовнішній діаметр від 1 до 4 [мм];відносний склад міді не менше 50%; межа міцності при розтягуванні σρ≥550÷700[МПа]; відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ≤2%; опір1 [км] дроту постійному струму при 20 0С в залежності від діаметравід 60 (при 1 [мм]) до 4 [Ом/км] при 4 [мм].
Біметалевий дрітзастосовується для ліній зв’язку та електропередачі, з нього виготовляютьсяшини для розподільчих пристроїв, різноманітні струмоведучі частини електричнихапаратів.
Натрій металевий – отримується шляхом електролізурозплавленого хлористого натрію NaCl. Питомий опір натрію у 2,8 рази більше ніжу міді і у 1,7 рази більше ніж у алюмінію. Завдяки дуже малій щільності (вінлегше води; його щільність в 9 разів менша за щільність міді) дріт з натріюзначно легше за дріт з будь-якого іншого металу. Однак натрій є хімічноактивним матеріалом – він інтенсивно окислюється на повітрі та бурно реагує зводою, крім того, натрій є дуже м’яким матеріалом та має малу межу міцності прирозтягуванні та інших деформаціях. Тому дріт з натрію повинен бути захищенимгерметичною оболонкою, яка повинна також надавати дроту необхідні механічнуміцність та електричну ізоляцію. Натрієві дроти та кабелі виготовляють впластмасових (поліетиленових) оболонках.
2. Надпровідники такріопровідники
В 1911 р.нідерландський фізик Х. Камерлінг – Оннес, при дослідженні електропровідностіметалів при «гелієвих» температурах (температура переходу гелію в рідкий стан,при нормальному тиску, 4,2 [К]) зробив відкриття, що опір кільця з замороженоїртуті, стрибком зменшується до мізерного значення, яке дуже важко виміряти.Таке явище отримало назву надпровідності.
Температура, приохолодженні до якої, речовина переходить в надпровідний стан, називаєтьсятемпературою надпровідного переходу ТН. Речовини, які здатні переходити внадпровідний стан, називаються – надпровідниками. Явище надпровідності носитьзворотній характер, а саме при підвищенні температури надпровідність зникає іречовина переходить в нормальний стан з кінцевим значенням питомої провідностіγ. Відомо 35 надпровідникових металів та більше тисячі сплавів та хімічнихз’єднань різноманітних елементів. Явище надпровідності пов’язане з тим, щоелектричний струм одного разу наведений в надпровідному контурі, буде тривалийчас (роками) циркулювати по цьому контуру без будь-якого підведення енергіїззовні (без урахування витрат енергії на роботу пристрою охолодження, який маєпідтримувати температуру контуру нижче значення ТН, характерного дляданого надпровідного матеріалу). Такий надпровідний контур створює в просторімагнітне поле, подібне постійному магніту. Однак на практиці виготовитипрацюючий надпровідниковий електромагніт, який здатний створити в просторімагнітне поле з достатньо великими значеннями напруженості магнітного поля Н тамагнітної індукції В виявилося проблематично. З’ясувалося, що надпровідністьпорушується не тільки при підвищенні температури до значень, що перевищують ТНале і при виникненні на поверхні надпровідника магнітного поля з магнітноюіндукцією, що перевищує індукцію переходу ВН. Кожному значеннютемператури ТН матеріалу, який знаходиться у стані надпровідності,відповідає відповідне значення індукції переходу ВН. Найбільшаможлива температура переходу ТН0 (критична температура) даногонадпровідникового матеріалу відповідає критичній магнітній індукції ВН0і навпаки.

/>

Параметри надпровідниковихматеріалівНадпровідник
ТН0, [К]
ВН0, [Тл] Елементарні І роду: Ірідій Ir 0,14 0,002 Алюміній Al 1,2 0,01 Олово Sn 3,7 0,031 Ртуть Hg 4,2 0,046 Тантал Та 4,5 0,083 Cвинець Pb 7,2 0,08 Елементарні ІІ роду: Ніобій Nb 9,4 0,195 Ванадій V 5,3 0,13 Складні сплави ІІ роду: 50% Nb +50% Ті 8,7 12 50% Nb +50% Zr 9,5 11 З’єднання ІІ роду:
Галід ванадію V3Ga 14 50
Станнід ніобію Nb3Sn 18 22
/>В 1933 році німецькі фізики В. Майснерта Р. Оксенфельд зробили нове фундаментальне відкриття: надпровідники припереході з нормального в надпровідний стан стають ідеальними діамагнетиками,тобто їх відносна магнітна проникність стрибком зменшується від кінцевихзначень (для більшості надпровідників приблизно дорівнює 1) до µr=0.Тому зовнішнє магнітне поле не може проникнути в надпровідниковий матеріал –надпровідники здатні відштовхувати його.
Розрізняютьнапівпровідники:
І роду – перехід устан надпровідності, при охолодженні, відбувається стрибком;
ІІ роду – перехід устан надпровідності при охолодженні, відбувається поступово; також у них існуєпроміжній стан між нижнім ВНниж. та верхнім ВНверх. значеннямикритичної магнітної індукції переходу, що відповідають значенням температур Т
У порівнянні з надпровідникамиІ роду надпровідники ІІ роду мають більш високі значення, як критичноїтемператури переходу ТН0так і критичної магнітної індукції ВН0. Останній фактор євизначальним для широкого застосування надпровідників в сучасних електричнихапаратах.
/>


Перспективнимнапрямком, є пошук так званих «теплих» надпровідників, з більш високоютемпературою переходу у стан надпровідності ТН, що зменшить складність тавартість апаратури охолодження.
Кріопровідники («кріос» – з грецького холод).
Крім явищанадпровідності в сучасній електротехніці все ширше використовується явищекріопровідності, тобто поступове (без стрибків) досягнення металами малогопитомого опору, при кріогенних температурах, без переходу їх в надпровіднийстан. Такі метали називаються кріопровідниками. Питомий опір кріопровідника приробочій температурі може бути меншим за питомий опір цього ж провідника принормальній температурі в сотні, а в деяких випадках і в тисячі разів.
Кріопровідність це – особливий випадок нормальноїелектропровідності металів при кріогенних температурах. Найчастіше, в якостікріопровідників використовуються: алюміній при температурі рідинного водню таберилій при температурі рідинного азоту. Застосування кріопровідників замістьнадпровідників приводить до спрощення та зменшення вартості виконання тепловоїізоляції пристроїв, зниження витрат потужності на їх охолодження. Крім того, внадпровідному контурі з великим струмом накопичується значна кількість енергіїмагнітного поля (W=L·I2/2, де L – індуктивність, [Гн]; I – силаструму, [А]). При випадковому підвищенні температури або магнітної індукціївище значень, що відповідають переходу надпровідника в нормальний стан хоча б вмалій частині надпровідного контуру, надпровідність буде порушена, що приведедо швидкого вивільнення великої кількості енергії. Для кріопровідника такоїнебезпеки не існує, оскільки підвищення температури може вплинути тільки напоступове, плавне збільшення його опору. Для отримання високоякіснихкріопровідників необхідні виключно висока чистота металу (відсутність домішок)та відсутність наклепу (виникає при відпалюванні).

3.Сплави високого опору та спеціальні сплави. Контактні матеріали. НеметалевіпровідникиСплави високогоопору мають при нормальній температурі питомий опір ρ ≥ 0,3 [мкОм·м]
Привикористанні сплавів високого опору:
у вимірювальних приладах та в якостізразкових резисторів, вони повинні мати:
високийпитомий опір;
високустабільність питомого опору в часі;
малийтемпературний коефіцієнт питомого опору αρ;
малийкоефіцієнт термо – е.р.с. у парі з міддю.
в електронагрівальнихелементах:
повиннібути здатними працювати тривалий час у повітряному середовищі при високихтемпературах до 1000 0С.
Бажано,щоб сплави, які використовуються для приладів, що виготовляються у великихкількостях були дешевими і не містили дефіцитних компонентів.
Манганін – найбільш широко використовується длявиготовлення зразкових резисторів. Склад: мідь (Cu) – 85%; марганець (Mn) – 12%;нікель (Ni) – 3%.
Назвапоходить від латинської назви марганцю – «manganum». Сплав має жовтуватий колірзавдяки вмісту великої кількості міді.
Параметриманганіну:
питомийопір ρ=0,42÷0,48 [мкОм·м];
температурнийкоефіцієнт питомого опору αρ=(5÷30)·10–6[К-1];
коефіцієнттермо-е.р.с. у парі з міддю складає 1÷2 [мкВ/K];
максимальнаробоча температура, при якій тривалий час він може експлуатуватися ≤ 200 0С;
щільність8,4 [Мг/м3];
межаміцності при розтягуванні σρ=450÷600 [МПа];
відноснеподовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=15÷30%.
Манганін можевитягуватися в тонкий дріт (діаметром до 0,02 [мм]). Для забезпечення малоготемпературного коефіцієнта питомого опору αρ тастабільного в часі питомого опору ρ – манганіновий дріт проходить термічнуобробку, шляхом її випалювання у вакуумі при температурі 550÷600 0Сз наступним повільним охолодженням. Намотані котушки іноді додаткововідпалюються при температурі 2000С.
Константан–сплав в склад якого входять: мідь (Cu) – 60%; нікель (Ni) – 40%. Назва «константан»пояснюється значною стабільністю його питомого опору при зміні температури.Стійкість до нагрівання у константану є вищою ніж у манганіну, тому перший можезастосовуватися для виготовлення реостатів, електронагрівальних елементів татермопар для вимірювання температури в межах декілька сотень градусів.
Параметриконстантану:
питомийопір ρ=0,48÷0,52 [мкОм·м];
температурнийкоефіцієнт питомого опору αρ=(5÷25)·10–6[К-1];
коефіцієнттермо-е.р.с. у парі з міддю складає 45÷55 [мкВ/K], що обмежує йогозастосування у вимірювальних схемах;
максимальнаробоча температура, при якій тривалий час він може експлуатуватися 450 0С;
щільність8,9 [Мг/м3];
межаміцності при розтягуванні σρ=400÷500 [МПа];
відноснеподовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=20÷40%.
Широкезастосування константану обмежує наявність в його складі дорогого тадефіцитного нікелю.
Сплавина основі заліза – застосовуються в основному для електронагрівальних елементів.Сплави системи Fe-Ni-Cr – називаються ніхромами, при підвищеному вмісті Fe – фероніхромами.Сплави системи Fe-Cr-Al – називаються фехралями та хромалями. Дляхарактеристики сплавів застосовуються умовні позначення, що складаються з буквта чисел. Букви позначають найбільш характерні елементи, що містяться в сплаві,причому вони можуть бути не першими у назві елемента (Б – ніобій, В-вольфрам, Г– марганець, Д – мідь, К – кобальт, Л – берилій, Н – нікель, Т – титан, Х –хром, Ю – алюміній), а число приблизний вміст даного компонента в сплаві.Марка сплаву Склад сплаву, %
Щільність,
Мг/м3 ρ, мкОм·м
αρ·10-6, K-1
tМАКС, 0С
σР,МПа ∆ℓ/ℓ, % Cr Ni Mn Аl Х15Н60 15÷18 55÷61 1,5 - 8,2÷8,3 1,1÷1,2 100÷200 1000 - - Х20Н80 20÷23 75÷78 1,5 - 8,4÷8,5 1,0÷1,1 100÷200 1100 - - Параметри хромалюмінієвих сплавів Х13Ю4 12÷15 0,6 0,7 3,5÷5,5 7,1÷7,5 1,2÷1,35 100÷120 900 700 20 Х23Ю5 22÷25 0,6 0,7 4,5÷5,5 6,9÷7,3 1,3÷1,5 65 1200 800 10÷15 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Решта%в складі сплавів містить залізо (Fe)
Великийвплив на термін експлуатації нагрівального елемента, що працює в повітряномусередовищі, мають властивості оксиду, що утворюється на поверхні сплаву. Чимменше оксид улітучується з поверхні металу, тим він краще захищає метал відподальшого окислення в умовах високих температур.
Спеціальнісплави
Сплавидля термопар
Для виготовлення термопарвикористовують наступні сплави:
копель: 56% Cu + 44% Ni;
алюмель: 95% Ni + Al,Si, Mg;
хромель: 90% Ni + 10% Cr;
платинородій: 90 Pt + 10 Rh(радій).
Термопариможуть використовуватися для вимірювання наступних температур:
платинородій– платина – до 1600 0С;
хромель– алюмель – до 900÷1000 0С
хромель– копель, залізо – копель, залізо – константан – 600 0С;
мідь –константан, мідь – копель – до 350 0С.
Найбільшутермо – е.р.с при заданій різниці температур розвиває термопара хромель –копель. В холодному спаї струм протікає від першого названого в парі матеріалудо другого, в гарячому спаї навпаки.
Тензометричнісплави – використовуються в перетворювачах деформації різноманітнихконструкцій під дією механічних зусиль (як правило розтягування). Принцип діїзаснований на зміні опору при деформаціях тензометричного елемента. Коефіцієнттензочутливості визначається за формулою.
/>,
де ΔR – зміна опору R при зміні Δl довжини елемента l. Значення d може бутирозраховано за формулою:
/>,
де Δρзміна питомого опору ρ матеріалу тензоперетворювача, під впливоммеханічного навантаження F, S – площа поперечного перерізу дроту перетворювача,Е – модуль Юнга, μ – коефіцієнт Пуасона матеріалу дроту. Основним матеріаломдля тензометричних перетворювачів є константан.
Контактніматеріали
Матеріали для розривних контактів,що використовуються для розмикання електричних кіл при значних струмах танапругах, повинні забезпечити високу надійність, при малому перехідномуелектричному опорі контакту в замкнутому стані (унеможливлення обгоряння контактуючихповерхонь, а також приварювання їх один до одного під дією електричної дуги, щовиникає при розмиканні контакту).
В якості контактних матеріалівнайбільш поширений матеріал системи Ag – CdO при вмісті оксиду кадмію12÷20%. Такий матеріал отримується при нагріванні в окислювальнійатмосфері сплаву срібло – кадмій. Для розривних контактів в установках великоїпотужності застосовуються композиції: сріла Ag з кобальтом Со, нікелем Ni,хромом Cr, вольфрамом W, молібденом Mo та танталом Ta; міді Сu з вольфрамом Wта молібденом Mo; золота Au з вольфрамом W та молібденом Mo. Матеріали длярухомих контактів повинні мати високу стійкість до стирання. Цим вимогамвідповідають тверда мідь, берилієва бронза, а також матеріали системи Ag – CdO.
Припої – це спеціальнісплави, які використовують при пайці. Пайка – це створення механічно міцногошва з малим перехідним опором. При пайці місце з’єднання та припоюнагрівається. Температура плавлення припою є значно меншою за температуруплавлення металів, які паяються.
Розрізняютьприпої двох груп: м’які та тверді.
Дом’яких відносяться припої з температурою плавлення до 400 0С дотвердих більше 500 0С. М’які припої мають межу міцності прирозтягуванні σρ=50÷70 [МПа], а тверді до 500 [МПа],м’які припої в основному є олов’яно – свинцеві (марка ПОС) з вмістом олова від18% (ПОС – 18) до 90% (ПОС – 90). Питома провідність цих припоїв становить9÷13% питомої провідності стандартної міді, а температурний коефіцієнтлінійного розширення αℓ = 26·10-6 [К –1].Існують також м'які припої з добавками алюмінію та срібла. Там де необхіднапонижена температура плавлення застосовують легкоплавкі припої, в склад якихвходять вісмут та кадмій, але їх механічна міцність є дуже незначною.
Найбільшпоширеними твердими припоями є мідно – цинкові від ПМЦ-36 (Сu 36%, Zn 64%) доПМЦ-54 (Сu 54%, Zn 46%) та срібні від ПСр-25 (Ag 25%, Zn 35%, Cu 40%) до ПСр-70(Ag 70%, Zn 4%, Cu 26%).
Флюси – це допоміжніматеріали для отримання надійної пайки, вони повинні:
розчинятиоксиди з поверхні металів, які паяються;
захищати поверхню металу тарозплавлений припой від окислення;
зменшувати поверхневе натягуваннярозплавленого припою та змочування ним поверхонь, що приєднуються.
Задією, яку спричиняють на метал, що паяється флюси, вони поділяються на:
1)Активні або кислотні флюси – виготовляються на основі активних речовин:соляної кислоти, хлористих та фтористих з’єднань металів, тощо. Ці флюси здатніінтенсивно розчиняти оксидні плівки на поверхні металу, завдяки чомузабезпечується добра адгезія, а відповідно і висока механічна міцністьспаювання. Оскільки залишки флюсу здатні викликати корозію, як основного металутак і місця спаювання, такі флюси можна застосовувати, якщо є можливістьпромивки місця спаювання та повного видалення залишків флюсу.
2)Безкислотні флюси – так називають каніфоль і флюси на його основі з додаваннямнеактивних речовин (спирту та гліцерину).
3)Активовані флюси – це флюси на основі каніфолі з добавкою активаторів – невеликоїкількості солянокислого або фосфорнокислого аніліну, саліцилової кислоти,солянокислого діетиламіну. Висока активність деяких активованих флюсів дозволяєвиконувати спаювання без попереднього видалення оксидів після обезжирювання.
4) Антикорозійні флюси – це флюси на основі
фосфорноїкислоти з добавками різних органічних сполук і розчинників, а також флюси наоснові органічних кислот. Залишки таких флюсів не викликають корозії.
Зчисла твердих неметалевих провідників найбільше значення мають матеріали наоснові – вуглецю (електровугільні). З вугілля виготовляють контакти дляелектричних машин та генераторів, електроди для прожекторів, електроди длядугових електричних печей, високоомні резистори, розрядники для телефоннихмереж. В якості сировини для електровугільних виробів використовують сажу,графіт або антрацит.
Вугільніелектроди, які працюватимуть при високих температурах обробляються притемпературі 3000 0С. Вугільні електроди, як і інші вугільні виробимають негативний температурний коефіцієнт питомого опору.
Щіткипризначені для утворення рухомого контакту між нерухомою частиною електричноїмашини та частиною, що обертається та підведення (відведення) струму доколектора або контактних кілець. Розрізняють щітки вугільно-графітні (УГ),графітні (Г), електрографітовані (ЕГ), щітки з домішками міді (М та МГ). Ціщітки мають малий питомий опір.
Вугільнийпорошок для мікрофонів виготовляють з антрациту. Питомий опір порошку залежитьвід розмірів зерен, режиму обпалювання та щільності завантаження. Мікрофонніпорошки бувають двох типів: дрібнозернисті, (проходять крізь сито з 52 отворамина 1 [см2]) та крупнозернисті (проходять крізь сито з 45 отворами на1 [см2]). Обпалювання порошків, яке приводить до зростання їхелектричного опору здійснюють при температурі 6000С. Порошки неповинні спресовуватися на протязі певного часу та злипатися під дією підвищеноївологості.
Недротянірезистори, які відрізняються від дротяних меншими габаритами та високоюверхньою межею номінального опору виготовляють з природного графіту, сажі,піролітичного вуглецю, боровуглецевої плівки, а також з високоомних сплавівметалів, тощо.
Природнийграфіт – одна з модифікацій чистого вуглецю з великою анізотропією, якелектричних так і механічних властивостей.
Піролітичнийвуглець отримують шляхом піролізу (термічного розкладання без доступукисню) газоподібних вуглеводнів (металу, бензину, гептану) в камері дезнаходяться керамічні або скляні основи заготівок резисторів.
Боровуглецевіплівки – можуть бути отримані піролізом борорганічних з’єднань В(С3Н7)3або В(C4H9)3. Ці плівки характеризуються малимтемпературним коефіцієнтом питомого опору. Використовуються для виготовленнярезисторів МЛТ.
4. Характеристикаінших металів
Вольфрам – надзвичайно важкий та твердийметал сірого кольору. З усіх металів має найбільшу температуру плавлення. Йогоотримують з руд різного складу; проміжним продуктом є вольфрамова кислота H2WO4,з якої відновленням воднем при нагріванні до 9000С отримуютьметалевий вольфрам у вигляді порошку. З цього порошку при високому тискупресують стрижні, які обробляють при високій температурі в атмосфері водню (длязапобігання окисленню), після чого перетворюють процесами кування та волочінняв дріт діаметром до 0,01 [мм] або прокатуванням в листи.
Для вольфраму єхарактерним слабкий зв’язок між окремими кристалами, тому при зернистійструктурі вироби з нього є досить крихкими та легко ламаються. Після кування таволочіння вольфрам стає волокнистим, гнучким та міцним, його межа міцності прирозтягуванні σρ приймає значення приблизно від 500÷600[МПа] для стрижнів діаметром 5 [мм] до 3000÷4000 [МПа] для тонких ниток,причому відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ для нитокстановить менше 2%. Нитки вольфраму знайшли широке застосування у якостіелементів розжарювання в електронно-вакуумних приладах, завдяки здатностівольфраму витримувати температури більше 20000С. При цьомузастосування вольфраму можливе тільки в умовах високого вакууму або в атмосферіінертних газів тому, що в повітрі він сильно окислюється. Вольфрам застосовуютьтакож для виготовлення контактів.
До перевагвольфрамових контактів можна віднести:
cтійкість у роботі;
незначне механічнезношування;
здатність протистоятидії електричної дуги та не приварюватися один до одного;
низька схильність доерозії (утворення кратерів та наростів в місцях перегріву та плавлення металу).
Для контактів звеликими значеннями потужності, що комутується, використовують металокерамічніматеріали. Заготовку пресують з порошку вольфраму під великим тиском, спікаютьв атмосфері водню, отримуючи міцну, але пористу основу, яку пропитуютьрозплавленим сріблом або міддю для збільшення провідності.
До недоліків вольфрамуможна віднести:
складність обробки;
утворення ватмосферних умовах оксидних плівок;
необхідність у великихтисках для забезпечення малих значень електричного опору контакту.
Молібден – широко використовується велектровакуумній техніці, але при менших температурах ніж вольфрам. Можеексплуатуватися тільки в вакуумі або інертному газі. Механічна міцністьмолібдену в дуже великій степені залежить від механічної обробки матеріалу,виду виробу, діаметру стрижнів або дроту та наступної термообробки. Його межаміцності при розтягуванні σр може приймати значення від 350 до2500 [МПа], а відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓстановить від 2% до 55%. Щільність молібдену приблизно вдвічі менша ніж увольфраму.
Застосуваннямолібдену:
в електровакуумнійтехніці. Найбільш розповсюдженими є марки МЧ (молібден чистий) та МК (молібденз кремнієм). Остання марка має високу механічну міцність при високихтемпературах;
в якості матеріалу дляконтактів.
Благородні метали
Золото – метал жовтого кольору, який маєвисоку пластичність.
Параметри: межаміцності при розтягуванні σρ=150 [МПа]; відноснеподовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=40%.
Застосовується в якості:контактного матеріалу для корозійно – стійкого покриття, електродівфотоелементів, вакуумного напилення плівкових мікросхем, тощо.
Срібло – білий блискучий метал, стійкий доокислення при нормальній температурі. Має найменший питомий опір з усіх металів– ρ= 0,016 [мкОм·м].
Параметри срібногодроту: межа міцності при розтягуванні σρ=200 [МПа];відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=50%.
Застосовується вякості: контактного матеріалу, обкладинок керамічних та слюдяних конденсаторів(срібло наноситься безпосередньо на матеріал діелектрика).
Недоліками срібла є:
схильність до міграціїпо поверхні та всередину діелектрика, на який його наносять, при високихвологості та температурі;
але найгіршу хімічнустійкість у порівнянні з іншими благородними металами.
Платина – хімічно стійкий метал, якийпрактично не з’єднується з киснем. Добре піддається механічній обробці, здатнийвитягуватися в тонкі нитки або стрічки. Параметри: межа міцності прирозтягуванні σρ = 150 [МПа], відносне подовження передрозривом ∆ℓ/ℓ=30÷35%. Застосовується для виготовленнятермопар для вимірюванні температур до 16000С. Внаслідок низькоїтвердості платина не використовується самостійно, але служить основою дляконтактних сплавів. Так сплави платини з іридієм стійкі до окислення та зносу,мають високу твердість і допускають велику частоту включень, однакхарактеризуються високою вартістю, що обмежує їх широке застосування.
Паладій – метал забагатьма властивостями близький до платини, іноді служить її замінником.Параметри: межа міцності при розтягуванні σρ = 200 [МПа], відноснеподовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=40%. Застосовується велектровакуумній техніці для поглинання водню; сплави паладія зі срібломвикористовуються для виготовлення контактів.
Нікель – сріблясто – білийметал, що широко використовується в електровакуумній техніці. Його достатньолегко можна отримати в дуже чистому вигляді (99,99% Ni). Параметри: межаміцності при розтягуванні σρ=400÷600 [МПа], відноснеподовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=35÷50%. Гарнообробляється навіть в холодному вигляді (кується, пресується, прокатується,штампується), є стійким до окислення. Використовується для захисту виробів ззаліза.
Кобальт – отримуютьметалургійним шляхом з подальшим очищенням та відновленням оксидів кобальтуводнем. Параметри: межа міцності при розтягуванні σρ=500 [МПа],відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ більше 50%. Хімічноне активний. Використовується в якості складової магнітних та жаростійкихсплавів, а також сплавів з малими температурними коефіцієнтами лінійного розширення.
Цинк – світло-сірийметал. Отримують металургійним шляхом з подальшою електролітичною очисткою.Цинк марки ЦВ (високоочищений) має 99,99% Zn та 0,01% домішок. При нормальнійтемпературі крихкий. При нагріванні до 1000С стає пластичним татягучим, а при подальшому підвищенні температури до 2000С – зновкрихким. Використовується в якості захисного покриття, для виготовленняфотоелементів, електродів гальванічних елементів, для металізації паперу вмалогабаритних метало-паперових конденсаторах.
Ртуть – єдиний метал, який принормальній температурі знаходиться в рідинному стані. Її добувають з кіновари HgSшляхом термічного розкладання при температурі 5000С, після чогопіддають багатократному очищенню, яке закінчується вакуумною перегонкою притемпературі 2000С. Ртуть легко випаровується та має значний тискпарів при кімнатній температурі. Пари ртуті відрізняються більш низькоюнапругою іонізації, у порівнянні з іншими звичайними та інертними газами, щообумовлює застосування ртуті в газорозрядних приладах. Ртуть окислюється наповітрі тільки при температурах, близьких до температури її кипіння. Магній,алюміній, цинк, олово, свинець, кадмій, платина, золото та срібло розчиняютьсяв ртуті, створюючи амальгами. Слабо розчиняються в ртуті мідь та нікель. Зовсімне розчиняються в ртуті вольфрам, залізо або тантал. Ртуть застосовується вякості рідинного катоду в ртутних випрямлячах, ртутних лампах та газорозряднихприладах, лампах денного світла, а також в якості ртутних контактів в релетощо. Ртуть її з’єднання та пари є дуже шкідливими для організму людини.