14. Проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением

Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисле- ние меди происходит только при повышенных температурах .

4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в ли- сты, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5) относительная легкость пайки и сварки.

Получение меди. Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения.

Марки меди. В СССР в качестве проводникового материала используется медь марок .M1 и М0. Медь марки M1 содержит 99,9 % Сu, а в общем количестве примесей (0,1 %) кислорода должно быть не более 0,08 %. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки М0 может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение перед разрывом и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную проводимость. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

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 пр.). 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 (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: <т_р бронз может быть 800 —1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответствен- ного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (а_р —до 1350 МПа). Сплав меди с цинком — латунь обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводни- ковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойст- вами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 1.63 раза. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одногои того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5 % примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не более 0.03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВОООО имеет содержание примесей, не превышающее 0,004 %.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой ок- сидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обыч-ными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной меха-нической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3—0.5 % Mg. 0.4—0.7 % Si и 0.2—0.3 % Fe (остальное AI). В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение Mg₂Si из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние.. Таким образом, альдрей, практически сохраняя легкость алюминия и будучи довольно близким к нему по удельной проводимости, в то же время по механической прочности приближается к твердо-тянутой меди. В настоящее время разработаны алюминиевые сплавы типа альдрея, не требующие термической обработки.

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода.

Серебро - один из наиболее дефицитных металлов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике для высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов в электрических контактах. Серебро марки Ср999 - 999,9 должно иметь примесей не более 0,1%. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринелю - 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не более 200 МПа, относительное удлинение при разрыве - 50%. Часто применение серебра ограничивается его способностью диффундировать в материалы подложки.