Проводниковые материалы

По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на газообразные, жидкие и твердые. К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в .том числе и пары металлов. К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул. Твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление  < 0,1 мкОм  м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление  > 0,3 мкОм  м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).

Упругость - это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

Вязкость - это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром.

Пластичность - это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности электрорадиоматериалов используют относительное удлинение образца при разрыве l/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца s/s.

Температурный коэффициент линейного расширения при данной температуре ТКl = l/lT. Значение ТКl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления.

Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е разрушение образца происходит при равенстве предела текучести _т, и предела прочности при растяжении _В . Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю. К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.

Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия (растяжения) на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами.

Усталость - это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины. Под действием многократных повторно-переменных (изменяющихся только по значению) и знакопеременных нагрузок (сжатие и растяжение) металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности, т.е. наступает усталость. Свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных или знакопеременных напряжений называется выносливостью.

К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.

Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением , удельной электрической проводимостью , температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТК и коэффициентом теплопроводности.

Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы [Ом • м] где R - сопротивление образца, Ом; S - площадь поперечного сечения образца, м²; l - длина образца, м. Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению , называют удельной электрической проводимостью (Ом/м):

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления [1/град]: где  - элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры T.

Если через пластину площадью S и толщиной l за время t проходит тепловой поток энергией , то между поверхностями противоположных граней создается разность температур T, связанная с  соотношением . Параметр  называют коэффициентом теплопроводности.

К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств материала проводят соответствующие лабораторные испытания.

МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являются цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде.

Основным является требование максимальной удельной проводимости материала.

Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термической обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.

Медь. Свойства:

- малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);

- высокой механической прочностью;

- удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);

- хорошей паяемостью и свариваемостью;

- хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).

Медь получают чаще всего в результате переработки сульфидных руд.

В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и М0. Медь марки Ml содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно быть не более 0,08%. Медь марки М0 содержит примесей не более 0,05%, в том числе кислорода не более 0,02%.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).

После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270 °С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3...5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая проводимость такой меди равна 58 мкОм/м, соответственно  = 0,017241 мкОмм при значении ТК = 4,310^-3К^-1.

Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами. Состав кадмиевой бронзы 0,9 % Cd, остальное Сu; бериллиевой - 2,25 % Be, остальное Сu; фосфористой 0,1 % Р, 7% Sn, остальное Сu. При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь. Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. Например, бериллиевая бронза Бр.В2.

Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%). Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют пониженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец. В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозначение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие легирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 E9 % меди Си, 1 % свинца РЬ, остальное цинк Zn).

Алюминий и его сплавы. Алюминий. Алюминий относится к так называемым легким металлам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м3). Алюминий обладает следующими особенностями:

- удельное электрическое сопротивление  алюминия (при содержании примесей не более 0,05 %) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

- алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

- из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавления требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавление такого же количества меди;

- даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках стоимость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако использование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

- алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов; - алюминий менее дефицитен, чем медь;

- существенным недостатком алюминия как проводникового материала является низкая механическая прочность, для ее повышения алюминий подвергается механической обработке;

- прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди; - примеси значительно снижают проводимость алюминия.

Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001...0,01%) марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких пленок. Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03 %) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алюминиевой фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок: АТП - твердая повышенной прочности, AT - твердая, АПТ - полутвердая, AM - мягкая.

Сплав альдрей (0,3 ... 0,5 % меди Сu, 0,4...0,7 % кремния Si, 0,2...0,3 % железа Fe, остальное алюминий Аl) обладает следующими свойствами:

- повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия, приближаясь к твердотянутой меди 0 = 350 МПа);

- сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению ( = 0,0317 мкОмм);

- более высоким пределом вибрационной прочности по сравнению с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных линий электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плотностью. Применяется для изготовления стрелок различных электрорадиотехнических приборов.

Силумин относится к группе литейных сплавов с повышенным содержанием кремния, меди и марганца. Он обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, большой плотностью и повышенной прочностью по сравнению с алюминием и широко применяется для корпусов воздушных конденсаторов.

Дюраль принадлежит к деформируемым сплавам алюминия с медью, магнием и марганцем. Медь и магний улучшают механические свойства сплава, а марганец увеличивает твердость и коррозионную стойкость, которая является недостаточной по сравнению с другими коррозионными сплавами. Для защиты от коррозии его покрывают лаками, красками или слоем алюминия.

В обозначениях дюралей после буквы Д стоят цифры, указывающие на наличие легирующих добавок, например Д1 (3,8% меди Сu, 0,4...0,8% магния Mg, марганца Мn).

Железо и его сплавы. Железо обладает следующими свойствами:

- более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное электрическое сопротивление ( примерно 0,1 мкОмм), что ограничивает возможности применения железа как проводникового материала;

- высокий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК;

- высокая механическая прочность;

- дешевизна и доступность материала;

- большая магнитная проницаемость и высокая индукция насыщения;

- технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).

Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электровакуумных приборах как материал для анодов, экранов и других элементов, работающих при температурах до 500 °С. Как ферромагнитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.

Стали. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0.05% принято называть техническим железом, с содержанием углерода 0,05... 1,35%) - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.

В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода всегда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1 ...0,37 %); марганец Мn (0,2...0,8 %); сера S (0,03...0,06 %); фосфор Р (0,03 ... 0,07%).

По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкционную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.

В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова «Сталь» ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь 10 (содержание углерода 0,1 %).

Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, называются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значительной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.