3.1.2. Материалы высокой проводимости

Алюминий - элемент III группы Периодической системы с температурой плавления 666^ОС и ГЦК - решеткой. Наиболее важной особенностью алюминия является его низкая плотность (у литого алюминия около 2,6∙10³, прокатанного - 2,7∙10³ кг/м³). Алюминий приблизительно в 3,3 раза легче меди и в 2,9 раза легче железа. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой тепло- и электропроводностью, а также большой скрытой теплотой плавления. Обладает высокой пластичностью как в холодном, так и горячем состояниях, но плохо обрабатывается резанием и имеет низкие литейные свойства (малую жидкотекучесть, большую усадку, склонность к образованию пористости).

Высокая пластичность и мягкость дают возможность получать из алюминия фольгу толщиной 6-7 мкм, которая по гибкости, плотности, устойчивости к коррозии не имеет себе равных как материал для радиоэлектроники.

Алюминий хорошо сваривается всеми видами сварки, но окисная пленка на его поверхности, хотя и предохраняет от коррозии, создает большое переходное сопротивление в местах контакта, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Поэтому для соединения алюминия используют специальные пасты - припои или применяют ультразвуковую пайку.

Алюминий достаточно стоек в атмосферных условиях и против действия концентрированной азотной кислоты. Однако он легко разрушается под действием большинства других минеральных кислот, а также щелочей. Примеси ухудшают коррозионную стойкость алюминия. Разные примеси по-разному снижают удельную проводимость. Добавки Ni, Si, Zn или Fe в количестве 0,5 % снижают удельную проводимость алюминия в отожженном состоянии не более чем на 2-3 %. Более заметное действие оказывают Cu, Ag и Mg, снижающие ее на 5-10% при том же содержании. Очень сильно снижают электропроводность добавки Ti и Mn.

Выпускается первичный алюминий особой чистоты (контролируется по величине остаточного сопротивления при температуре жидкого гелия) марки А999 с содержанием примесей не более 0,001%; высокой чистоты А995, А99, А97, А95 с содержанием алюминия соответственно 99, 995; 99,99; 99,97 и 99,95% и технической чистоты марок от А85 до АЕ с содержанием алюминия от 99,85 до 99,50%.

Технический алюминий изготавливается в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируется АДО и АДI. Основные примеси – Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: σ_В = 50 МПа, σ_0,2 = 15 МПа, ε = 50%, а технического АДМ: σ_В = 80 МПа, σ_0,2 = 30 МПа, ε = 35%. Модуль нормальной упругости 70 МПа. Холодная пластическая деформация повышает предел прочности технического алюминия АДН до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6%.

Технический алюминий АД и АДI применяют для изготовления элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие тепло- и электропроводность. Алюминий высокой чистоты предназначен для фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

Медь - химический элемент 1 группы Периодической системы с температурой плавления 1083^ОС, ГЦК решеткой и плотностью 8,94∙10³ кг/м³. Она обладает наибольшими (кроме серебра) значениями электропроводности и теплопроводности. Все примеси и наклеп понижают электропроводность меди.

В зависимости от чистоты применяют медь десяти марок: МОО (99,99% Cu), MO (99,95% Cu), MI (99,9% Cu), M2 (99,7% Cu), M3 (99,5% Cu) и др. Она выпускается в виде листов, лент нормальной и повышенной точности, проволоки от 0,03-10 мм, прутков разного сечения.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы:

1. Примеси, образующие с медью твердые растворы (Ni, Zn, Sg, Sn, Al, As, Fe, P и др.). Они (особенно Sb и As) резко снижают электропроводность и тепло-проводность меди. Поэтому для проводников применяют медь марок МО и М1, содержащую <0,002% Sb и <0,002% As. Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением;

2. Примеси Pb, Bi и др., практически нерастворимые в меди. Они образуют с медью легкоплавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением. При содержании >0,005% Bi медь разрушается при горячей обработке давлением и становится, кроме того, хладноломкой. На электропроводность такие примеси оказывают небольшое влияние;

3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu₂O и Cu₂S, входящие в состав эвтектики. Эти примеси лишь слабо влияют на электропроводность. Сера улучшает обрабатываемость меди резанием.

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Медь в литом состоянии имеет: σ_В = 160 МПа; σ_0,2 = 35 МПа; ε = 25 %; в горячедеформированном: σ_В = 240 МПа; σ_0,2 = 95 МПа; ε = 45 %. Путем холодного деформирования предел прочности может быть повышен до 450 МПа (проволока) при снижении относительного удлинения до 3 %. Модуль упругости меди Е = 115000МПа.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. В электротехнике, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную медь Моб (0,0015 О₂) и М1р (0,01% О₂).

Лучшими механическими свойствами обладает медь марки МО, из которой может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ). При отжиге получается мягкая (отожженная) медь (ММ). Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и т.п. Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она должна расходоваться весьма экономно.