Глава 7. Проводниковые материалы

Металлические материалы высокой проводимости. К материалам высокой проводимости относятся материалы с удельным объемным сопротивлением не более 0,1 мкОм.м (10^-7 Ом.м), наиболее распространенные из них - медь и алюминий.

Медь.

Положительные качества меди: малое  , довольно высокие механические свойства, стойкость к коррозии, хорошая технологичность (обрабатывается прокаткой, протяжкой, легкость пайки и сварки).

Медь получают из руд, содержащих сульфид меди Cu₂S. Процесс получения включает обогащение руды, многократную плавку с продувкой кислородом,затем следует электролитическая очистка. Плотность меди 8940 кГ/м³ .

После электролиза получают болванки 80-90 кГ. Холодной прокаткой из такой меди получают твердотянутую медь (марка МТ), которая жестка и слегка пружинит. После отжига при 300 С получают мягкую медь (марка ММ). Мягкая медь пластична,обладает меньшей твердостью и прочностью. Плотность ее ниже. Стандартная медь имеет  = 0,017241.10^-6 Ом.м. Проводимость проводниковых материалов оценивается во сколько раз их проводимость ниже или выше проводимость стандартной меди.

Проводниковая медь имеет марки М1 и М0. М1 содержит 99,90% меди, а М0 99,95% меди.Из марки М0 делают наиболее тонкую проволоку. Из примесей вреден кислород, который вызывает ломкость при горячей обработке.

Специальные сорта меди содержат до 99,97% (без кислорода) и до 99,99 % меди (последняя обладает высокой пластичностью и используется в электровакуумной технике).

В проводящих материалах примеси снижают проводимость, так 0,5% Zn, Cd, Ag снижает проводимость на 5%, а такое же количество Ni, Sn, Al снижают проводимость на 30%.

Отрицательное качество меди - ускоренное окисление при нагревании.

Сплавы меди: латунь (обозначается Л) и бронза (Бр). Например, ЛЖМц-59-1-1 означает латунь, содержащую 59% меди, 1% железа и 1% марганца, остальное - цинк. Латунь может содержать до 41% цинка. Чем больше цинка, тем выше прочность на разрыв, тем дешевле.

Медь имеет кристаллическую решетку ГЦК. У латуни решетка ОЦК, она более твердая, ее пластичность ниже.

Сплавы меди подразделяются на деформируемые (обрабатываются давлением) и литейные. С увеличением содержания цинка латунь становится дешевле, обрабатываемость резанием улучшается, лучше сопротивление износу, но ухудшается тепло- и электропроводность. Из латуни изготавливают сильфоны, трубопроводы, детали с низкой твердостью, а также снарядные гильзы. Изделия из латуни часто изготавливаются методом холодной пластической деформации. После деформирования твердость возрастает, после отжига - снижается.

- 59 -

Бронзы - сплавы с оловом, предельная растворимость которого в меди 15,8%. Обычно в бронзе до 10% олова. Для экономии олова добавляют цинк. Деформируемые бронзы содержат до 6-8% олова. По другим легирующим элементам

бронзы называются: алюминиевые, кремнистые. Бронза БрКН-3 используется для антифрикционных деталей. Бронза БрКМц3-1 используется для замены бериллиевых бронз в пружинах, мембранах, работающих в пресной и морской воде.

Алюминиевые бронзы (до 10% алюминия) дешевле оловянистых.Например, бронза БрАЖМц10-3-1,5 обладает высокими механическими, антифрикционными, антикоррозионными свойствами.

Бронзы хорошо паяются, хуже свариваются. Часто изделия из бронзы изготавливают методом литья. В марках медных сплавов буквы А-Al, Н - Ni, О - Sn, С - Pb, Ф - фосфор, Ж - Fe, К - Si, М - Mn, Б - бериллий, Ц - цинк.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится за буквой, обозначающей название. Например: ЛЦ40Мц3А - это латунь с 40% цинка, 3% марганца и 1% алюминия.

По способности к термической обработке сплавы меди делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Алюминий.

Алюминий имеет электросопротивление в 1,6 раза выше, чем медь, но он в 3,5 раза легче меди. В то же время отожженный Аl в 3 разе менее прочный,чем Сu. Al получают электролизом глинозема (Al₂O₃ ) в расплаве криолита Na₃AlF₆ при 950^ОС. Технический сорт содержит Аl 99,5% обозначают АЕ. его  =<0,026.10^-6 Ом.м. Алюминий высокой чистоты А97 содержит 99,97% Al, из него делают фольгу, электроды, корпуса конденсаторов.

Алюминий особой чистоты А999 содержит не более 0,001% примесей.У него   4.10^-6 Ом.м. Примеси 0,5% Ni,Si,Zn,Fe,As,Sb,Pb,Bi снижают проводимость на 2-3%. Примеси Cu,Ag,Mg снижают проводимость на 5-10%.

При температуре жидкого азота Al лучше проводит,чем медь.

Алюминий обычно покрыт окисью и не паяется, поэтому применяются специальные флюсы или УЗ-паяльники. Если специальной обработкой получить более толстый слой Al₂O₃ , то дополнительная изоляция не нужна, однако этот слой гигроскопичен,поэтому дополнительно покрывается лаком. Оксидная изоляция используется в электролитических конденсаторах. В местах контакта Al с Сu начинается гальваническая коррозия, особенно сильно в присутствии влаги, поэтому такие контакты нуждаются в защите от влаги. Пленки из алюминия часто наносят для контактов и соединений в вакууме напылением.

Сплавы высокого сопротивления.

Сплавы высокого сопротивления те, у которых 0,3 мкОм.м. Такие сплавы применяются в электроизмерительных приборах, реостатах, электронагревательных приборах.

Основное требование к сплавам высокого сопротивления - малый

ТК (температурный коэффициент изменения сопротивления), малое

- 60 -

термо-ЭДС относительно меди, длительная работоспособность до 1000^ОС (при использовании в нагревательных приборах).

Сплавы на медной основе (для приборов):

Манганин - сплав 86%Сu, 12%Мn, 2%Ni. Применяется в резисторах, электроизмерительных приборах. Из него делают проволоку толщиной до 0,02 мм и ленты до 0,01 мм. Обладает малым ТК =5-30.10^-6 К^-1 . Работоспособен до 100-200^ОС. Термо ЭДС = 1-2 мВ. =0,42 - 0,48 мкОм.м.

Константан (содержит 60% меди и 40% никеля); =0,48-0,52 мкОм.м. ТК = - (5-25).10^-6 К^-1 . Используется до 450-500^ОС. Окисел является изолятором, поэтому проволоку из константана можно плотно наматывать виток к витку в реостатах.

Хромо-никелевые сплавы - нихромы. Используются как нагревательные элементы в виде проволоки до 0,02 мм толщиной. Применяются до 1000^ОС. Марки Х15Н60 (примеси железа, 1,5%% Мn ) имеет =1-1,2 мкОм.м. Марка Х20Н80 - для резисторов, интегральных микросхем.

Сплавы для термопар.

Копель (56%Сu, 44%Ni) (применяется в паре с медью до 350^ОС)

Алюмель (95%Ni, также Al,Si,Mn) (используется в паре с с хромель до 900-1000^ОС)

Хромель (90%Ni, 10%Cr). Платинородий (90%Pt,10%Rh) (применяется в паре с платиной до 1600^ОС). В термопарах также используют пары железо-константан, железо-копель и хромель-копель (ХК) до 600^ОС.

В названиии термопары первая буква относится к элементу ,от которого в холодном спае идет ток ко второму. В горячем спае - наоборот.

Наиболее точные термопары - Pt - Pt-Rh.

Тугоплавкие металлы (с температурой плавления более 1700^ОС) - это вольфрам, молибден, тантал, ниобий.

Благородные металлы. Золото Au - используется как контактный материал, из него делают коррозионноустойчивые резонаторы СВЧ, волноводы. Часто используют в виде пленок, покрытий. В последнем случае лучше применять подслой из хрома (для лучшей адгезии).

Серебро - наиболее электропроводящий материал. Серебро в комнатных условиях стойко к окислению. Оно применется в контактах. Электроды из серебра наносят вжиганием, напылением в вакууме. Слоем серебра покрывают волноводы. Особенность Ag - склонность к соединению с серой, склонность к миграции. Поэтому не рекомендуется применять серебро рядом с эбонитом, резиной.

Платина не соединяется с кислородом, стойка к химикатам. Используется для термопар, с контактах в сплавах с иридием.

Палладий дешевле платины в 4-5 раз,заменяет платину. Как контактный материал используется в сплавах с серебром, медью, обладает хорошими

механическими свойствами. Палладий, как и платина используется в

- 61 -

автомобильных фильтрах - как катализаторы для дожигания горючих и вредных в экологическом отношении, газов.

Припои. Различают мягкие припои с Т_ПЛ <300^О С, оловянно-свинцовые (ПОС) (например, ПОС-90 содержит 10% олова) , твердые припои ПМЦ (медь с цинком) и серебро-содержащие, например ПСр с добавками.

Вспомогательные материалы - флюсы. Удаляют окислы, защищают

поверхности во время пайки, улучшают растекаемость припоя.

Активные кислотные флюсы обычно содержат HCl. Из-за содержания хлора их нельзя применять для радио- и электронных приборов.

Бескислотные флюсы содержат канифоль или канифоль со спиртом, а также глицерин.

Активированные флюсы - соляно-кислотные на основе, например, анилина, удаляет окислы.

Неметаллические проводящие материалы: углеродистые материалы - графит, сажа (технический углерод), композиционные материалы на полимерной основе с наполнителями из углерода, графита, металлических порошков .

Контактолы - проводящие клеи, их использование позволяет заменить пайку склеиванием и установить контакт при низких температурах. Изготавливают из серебра, никеля с полимерным связующим, например с эпоксидной смолой.

Керметы - металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим. Применяются,например, в тонкопленочных резисторах.

Проводящие прозрачные оксиды - SnO₂ имеет =10^-5 Ом.м. Образует устойчивое электропроводящее покрытие, работоспособное до 240^ОС. Наносят на внутренних поверхностях электровакуумных приборов, передающих телевизионных трубках, преобразователях и усилителях изображения, используют как электроды в жидко-кристаллических индикаторах. В тех же целях используют оксид индия .

Ковар - сплав 20%Ni, 17%Со, 54%Fe. Сплав имеет коэффициент термического расширения ТК = 5.10^-6 К^-1 , что близко к ТК стекла, поэтому используется для впаивания в стекло вместо молибдена или вольфрама. С этой же целью используется платинит - сплав железа и никеля, содержащий 42% никеля.

Сверхпроводники.

Сверхпроводимость возникает тогда, когда электроны притягиваются друг к другу. Это происходит в случаях, когда есть положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы отталкивания между элек-тронами, при этом электроны с противоположно направленными спинами связываются в пары. Один электрон взаимодействует с решеткой, возбуждает ее и меняет свой импульс, другой электрон взаимодействует с решеткой и переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой

- 62 -

импульс. В результате электроны обмениваются фононами. Обменное фононное взаимодействие вызывает силы притяжения между электронами. Расстояние между электронами около 10^-7 м. Таким образом, получаются конденсированные электроны.

Конденсированные в пары электроны обладают очень высокой проводимостью, так как при своем движении они не сталкиваются с ядрами и их энергия не рассеивается.. Интересно, что теплопроводность конденсированные электроны не обеспечивают, поэтому при возник-новении сверхпроводимости теплопроводность падает.

Магнитное поле не проникают в толщу сверхпроводников. В поверхностном слое СП при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, так как СП идеальный диамагнетик с магнитной проницаемостью =0. (k_m = 1); возникающее поле вытал-кивает СП из магнитного поля и может удерживает грузы на весу (эффект Мейснера).

Сверхпроводящие материалы. Примером используемых на практике СП материалов являются сплавы ниобия Nb₃Sn, композиты из металлов Nb₃Sn и меди. Делают также тонкие нити ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагревании Sn диффундирует в ниобий, образуя Nb₃Sn.

На эффекте нарушения сверхпроводимости при воздействии магнитного поля построены криотроны - магнитометры для измерения слабых полей.

Сверхпроводимость возникает во многих металлах вблизи абсолютного нуля, при так называемых гелиевых температурах (4-8К), требующих для своего создания использование жидкого гелия как охладителя.

В настоящее время разработаны так называемые высокотемпе-ратурные сверхпроводники (ВТСП) - иттриевая или висмутовая керамика (Т_Кюри =80К и 107К соответственно): YBa₂Cu₃O₇ , Bi₄Sr₃Ca₃Cu₄O_х . При использовании высоко-температурной керамики для охлаждения требуется лишь жидкий азот ( 77К ), производство которого относительно дешево.

С использованием ВТСП изготовлены генераторы - накопители энергии по мощности равные небольшим гидростанциям, которые используются как источники энергии в моменты пиковых нагру-зок. Такие накопители имеют диаметр 3-4 м и вращаются с большой скоростью без трения - на магнитной сверхпроводящей подвеске, не касаясь какой-либо опоры. Сооружены и линии электропередачи на несколько сот км, эксплуатируемые в опытном порядке. ВТСП используются также в мощных, но малогабаритных магнитах для определения ядерного магнитного резонанса в веществах, в том числе в медицине - в томографах для обследования пациентов с целью обнаружения опухолей.

- 63 -