Классификация и характеристика проводниковых материалов

Проводниковые материалы в зависимости от величины удельного сопротивления и применения подразделяют на следующие группы:

1. металлы и сплавы высокой проводимости;

2. сплавы с повышенным и высоким удельным сопротивлением;

3. жаростойкие проводящие материалы;

4. криопроводники;

5. сверхпроводники;

6. материалы для контактов;

7. припои.

Проводниковые материалы кроме высокой удельной проводимости (малого удельного сопротивления) должны иметь достаточную прочность, хорошие технологические свойства, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение в приборостроении находят химические чистые металлы Cu, Al, Ag, Au, Sn, Re, Pd, Bi и другие., используемые в качестве проводниковых материалов, покрытий и другие., а также сплавы на их основе: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы и другие.

Серебро среди всех проводниковых материалов обладает наименьшим удельным сопротивлением (ρ=0,016 мкОм*м), невысокой твердостью НВ25, прочность σ_в~200 МПа и 50%. К недостаткам Ag следует отнести пониженную химическую стойкость и относительно высокую диффузию в материал подложки, на которую оно нанесено. При высокой влажности и повышенной температуре диффузионные процессы усиливаются. Применяется серебро в электротехнике и электронике в качестве материала микропроводников, в контактах, при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов.

Медь является основным проводниковым материалом в приборостроении в силу своих свойств (см. соответствующий раздел темы «Конструкционные материалы»). Отметим, что механические и электрические характеристики меди зависят на только от ее химической чистоты, но существенно и от ее состояния. Твердотянутая медь марки МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность и твердость, чем отожженная медь марки ММ. В результате отжига прочность меди марок МТ снижается, но повышается проводимость (подробнее [1,9]). Основное применение меди – токопроводящие жилы обмоточных, монтажных и установочных проводов [10], контакты, детали токопроводящих устройств.

Алюминий, обладая большим сродством к кислороду, легко окисляется на воздухе и покрывается при этом прочной оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Это обуславливает его высокую коррозионную стойкость, но и создает значительные трудности при пайке. По отношению к большинству других металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал, что в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии в зоне контакта. Проводниковый алюминий используют для изготовления жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, прессованных жил кабелей различного назначения [10].

К сплавам с повышенным (ρ>0,3 мкОм*м) и высоким (ρ>1 мкОм*м) удельным сопротивлением относятся ранее названные медно-никелевые сплавы: манганин, мельхиор, нейзильбер, константан; сплавы с особыми свойствами– никелевые, никель-хромовые, идущие для изготовления различных резисторов (их называют еще резистивные материалы). К материалам с высоким удельным сопротивлением можно отнести и материалы для термопар.

Выпускаются различные марки материалов с повышенным и высоким ρ и сортамента в виде полос, прутков, лент, проволоки, трубок.

Основными требованиями к материалам для резисторов являются низкий ТКρ, низкая термоЭДС в паре с медью, высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Их применяют для изготовления технических (регулирующих, пусковых реостатов, нагрузочных элементов) и прецизионных (образцовые сопротивления, элементы электроизмерительных приборов, катушки сопротивления, шунты, обмотки потенциометров) изделий. Выпускаемая для изготовления резисторов из различных материалов с высоким удельным сопротивлением проволока имеет диаметр от 0,009…0,012 мм и более [4,9,10]. Сплавы на основе благородных металлов кроме высокой коррозионной стойкости имеют малую термоЭДС в паре с медью. Основные параметры сплавов с повышенным и высоким сопротивлением приведены в таблице 7.

Таблица 7

Основные параметры проводниковых материалов

Материал	ρ, мкОм*м	ТК ρ*10-6 ,оС-1	термоЭДС в паре с Сu, мкВ/оС	σв, МПа	tраб, оС
Материалы высокой проводимости
Серебро	0,016	4000
Медь	0,017	4300
Золото	0,024	3800
Алюминий	0,028	4200
Материалы с высоким удельным сопротивлением
Нейзильбер МНЦ15-20	0,3…0,32	360	14,4	350…1100
Манганин МНМц3-12	0,4…0,52	10…25	1,0	400…540	200
Константан МНМц40-1,5	0,45…0,52	-2	40	400…640	500
Сплав Х15Н60	1,09…1,12	14	–	900
Сплав Н80ХЮД-Ви	1,3…1,35	14	–	1000	150
Сплав Х21Ю5ФМ-Ви	1,4…1,5	14	–	>800	480
Платина-иридий ПлИ-10	0,22..0,24	133	0,5…5	350…400
Палладий-вольфрам ПдВ-20	0,85…1,1	75	0,5…5	880…1760
Материалы жаростойкие
Нихром Х20Н80	1,0…1,1	-(110…130)	–	700	1100
Фехраль Х23Ю5Т	1,3…1,4	65	–	800	1200
Хромаль Х13Ю4	1,2…1,35	100…120	–	700	900

Жаростойкие проводящие материалы кроме высокого удельного сопротивления имеют высокую рабочую температуру (таблица 7). Это сплавы на основе Cr-Ni (нихромы) и Fe-Cr-Al (фехром, хромали), обладающие повышенной стойкостью к окислению при высоких температурах за счет легирования Al. Их применяют для изготовления нагревательных элементов, пусковых реостатов, работающих в тяжелых условиях. Недостаток фехралей, хромалей – низкие технологические свойства.

С понижением температуры удельное сопротивление в металлах уменьшается (рисунок 29). Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение ρ резко падает до нуля – материал становится сверхпроводником (рисунок 31).

П ереход металла в сверхпроводящее состояние связан с фазовыми превращениями. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и с ионами кристаллической решетки. Электроны с противоположными спинами спариваются, образуя электронные (куперовские) пары. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверх проводник превращается в диамагнетик. В состоянии сверхпроводимости куперовские пары обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой нет, т.е. электронные пары не рассеиваются на узлах кристаллической решетки. Сопротивление материала становится равным нулю.

При повышении температуры до значений, выше критической Т_кр, куперовские пары распадаются, и состояние сверхпроводимости исчезает. Она исчезает также в сильных магнитных полях и при пропускании большого тока (критические значения поля и тока).

Сверхпроводниками являются ниобий, сплавы на его основе. Применяются сверхпроводники для изготовления обмоток мощных генераторов, электромагнитов, туннельных диодов, устройств памяти, при создании магнитных полей большой напряженности, в криогенных гироскопах с магнитным подвесом. В настоящее время получены керамические высокотемпературные сверхпроводники, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах минус 160…168^оС, которая может быть получена с помощью жидкого азота (температура порядка минус 195^оC).

К криопроводникам относятся материалы, которые при охлаждении до температур ниже минус 170^оС приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. При низкой температуре удельное сопротивление проводника обусловлено, в основном, наличием примесей и дефектами кристаллической решетки, выражение (2). Поэтому криопроводники должны обладать высокой степенью чистоты и отсутствием дефектов строения, что можно обеспечить отжигом.

Н а рисунке 32 приведена температурная зависимость удельного сопротивления особо чистых Al, Cu, Be. Наименьшим сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий.

Однако его использование в качестве криопроводника затруднено вследствие низкий технологичности, дороговизны и токсичности. Криопроводники Al, Cu применяют в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких газов водорода (-252^оС), неона (-246^оС) и азота (-196^оС).

Материалы для контактов. Электрические контакты подразделяют на:

разрывные –периодически замыкают и размыкают электрическую цепь;

скользящие –осуществляют передачу тока с подвижной части прибора, электрической машины на неподвижную;

неподвижные –обеспечивают электрическое соединение неподвижных проводников, например, двух контактных проводов с использованием зажимов.

Материалы для контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь малое переходное сопротивление R_пер, высокую коррозионную и эрозионную стойкость, твердость, высокую электро- и теплопроводность, химическую стойкость, износостойкость, не должны свариваться при работе и другие.

В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные, I_раб<5A; средне- и высоконагруженные I_раб>(5…15)А. Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов Au, Ag, Pt, Pd, их сплавов, а также сплавов Pt+Ru, Pt+Rh, Cu+Ag и других. Они обладают низким переходным сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления. Но у них низкое сопротивление эрозионному изнашиванию, поэтому эти материалы можно использовать только в слабонагруженных контактах.

Средне- и высоконагруженные контакты часто изготавливают методом порошковой металлургии на основе вольфрама, молибдена, серебро-оксид кадмия, серебро-оксид меди, медь – графит, серебро – графит, серебро – никель, а также Ag+Ni+C, Ag+W+Ni, Cu+W+Ni и другие. Медная и серебряная фазы в этих композициях обеспечивают высокую тепло- и электропроводность контакта, а тугоплавкая композиция W, Мо – стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариваемости.

Сплавы на основе серебра и окисленной меди (СОМ-10), полученные по особой технологии [1], являются композиционным материалом, и обладают высокой стойкостью к свариванию и электроэрозионному изнашиванию. Применяются в высоконагруженных контактах, как разрывных, так скользящих.

Скользящие контакты должны обладать высокой стойкостью к истирающим нагрузкам, особенно при сухом трении. Не следует использовать один и тот же материал в скользящей контактной паре, так как при этом сильно увеличивается износ.

Наиболее высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов на основе меди (МГ3,МГ5 – соответственно 3 и 5% графита) и серебра (СГ3, СГ5). Медно- и серебрографитовые щетки применяются широко в электрических машинах.

В приборостроении в качестве щеток скользящих контактов применяют проволоку из проводниковых бронз, реже латуней, отличающиеся высокой механической прочностью, износостойкостью, упругостью, антифрикционными свойствами и стойкостью к атмосферной коррозии (например, латуни ЛМц58-2, бронзы БрБ2, БрКд1 и другие). Кадмиевые бронзы по электропроводимости близки к электропроводности меди. Для изготовления коллекторных пластин и колец используют медно-никелевые сплавы, твердую медь, а также медь, легированную серебром.

Сплавы, используемые для соединения металлических деталей при помощи расплавленного дополнительного материала, называется припоями. Они используются при пайке с целью получения электрического или механического соединения. Различают припои двух типов: для низкотемпературной (t_пл 400^оС) и высотемпературной (t_пл > 600^оС) пайки. В приборостроении широкое применение находят для пайки металлов высокой проводимости низкотемпературные припои, которые должны иметь небольшое переходное электрическое сопротивление, обеспечивать хорошую смачиваемость поверхности, близкие ТКЛР материала соединяемых деталей и припоя. Этим требованиям отвечают припои на основе олово-свинец (припои ПОС) и олово-цинк (припои ПОЦ). Для пайки меди и ее сплавов применяют припой марок ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 и другие. Цифра показывает процентное содержание олова. Эвтектический сплав ПОС-61 имеет t_пл=183^оС, хорошую жидкотекучесть и широко применяется для пайки в ПС.

Для снижения температуры пайки припой олово-свинец легируют кадмием. Это припои марок ПОСК (t_пл ~ 140…160^oС).

Для пайки алюминия и его сплавов применяют сплавы на основе металлов олово-цинк: ПОЦ90, ПОЦ60 и другие, затвердевающие при темпераурах t_затв ~ 199…250^oC, и имеющие диаграмму состояния эвтектического типа,

Для пайки изделий, не допускающих нагрева до температуры более 100^оС, используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием: сплав Вуда (t_пл = 60^оС), сплав Розе (t_пл = 94^оС) и другие.

При повышенных требованиях к электропроводности и механической прочности соединения при пайке используют припои, легированные серебром: например, ПСр1,5 (1,5% Ag) – температура плавления и затвердевания зависит от процентного содержания серебра и изменяется от 225 до 305^оС.