ЗАНЯТТЯ 10. ВИЗНАЧЕННЯ СКЛАДУ І ВЛАСТИВОСТЕЙ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ ПО ЇХ МАРКІРОВЦІ (4 години)

10.1. Постановка завдання

Вивчити основні типи електротехнічних матеріалів і навчитися визначити їх хімічний склад і властивості по маркіровці.

10.2. Необхідний мінімум знань для виконання завдання

При вивченні основних типів кристалічних решіток і визначенні їх кількісних характеристик студент повинен знати: з курсу «Фізика» - розділи «Електропровідність напівпровідників», «Магнітне поле в речовині».

10.3. Професійно-орієнтоване застосування отриманих знань

Відомості, отримані при вивченні основних типів кристалічних решіток, використовуються: в курсі «Системи приладового устаткування».

10.4. Теоретичні відомості

Напівпровідникові матеріали

Приклад маркіровки германію і кремнію, використовуваних для виготовлення дискретних приладів (діоди, транзистори і тому подібне) - ГДГ0, 75/0,5, КЭФ7, 5/0,5 (таблиця. 24), де перша буква означає назву матеріалу (Г - германій, До - кремній), друга - тип електропровідності (Э - електронний, Д - дірковий), третя - назва легуючої домішки (Г - галій, З - сурма, Ф - фосфор, Би - бор). Чисельник дробу вказує середнє значення питомого електричного опору , знаменник - дифузійну довжину неосновних носіїв заряду L (0,5 мм).

Таблиця 24

Елемент	Тип провідності	Легуючий елемент	Марка	·102, Ом·м	L, мм
герма-ний Ge	п	—	ГЭ40/3,0	36	3,0
	р	галлий Ga	ГДГ5/1,0	4,2–5,7	1,0
	п	сурьма Sb	ГЭС 10/1,0	8–12	1,0
кремний Si	п	—	КЭ 150/0,3	100–200	0,3
	р	—	КД40/0,2	30–50	0,2
	п	фосфор Р	КЭФ7,5/0,5	6–9	0,5
	р	бор В	КДБ7,5/0,5	6–9	0,5

Монокристалічний кремній залежно від типу провідності, значення питомого електричного опору і діаметру ділять на групи і підгрупи. Епітаксіальні кремнієві структури, що отримуються орієнтованим осадженням кристалів кремнію на підкладку, позначаються, наприклад таким чином: ЭКДБ-1а, ЭКЭФ-11г, де буква Э вказує на те, що структура епітаксіальна, До - монокристалічний кремній, Д або Э - тип электропроводимости, Би, Ф або З - назва легуючої домішки (Г - галій, З - сурма, Ф - фосфор, Би - бор), цифра вказує на номер групи, рядкова буква - підгрупу.

Промисловість випускає селен марок СЧ- 1 і СЧ- 2, що містять відповідно до 99,998 і 99,992% селену з питомим електричним опором 1010 Ом·м. Для синтезу напівпровідникових з'єднань застосовують особливо чистий селен ОСЧ-А із змістом домішок 10-5.10-6%, який отримують ректифікацією селену СЧ- 1.

Провідникові матеріали

Срібло - метал з найменшим питомим опором при нормальній температурі

Чисте срібло маркірується таким чином: ставляться букви Ср, за яким йдуть цифри, наприклад Ср999 - це срібло чистотою не менше 99,9%, а Ср999, 9 - це срібло чистотою 99,99%.

У електротехніці застосовуються сплави срібла з іншими металами: міддю, платиною та ін.

Сплави з міддю позначаються таким чином: СрМ970, що відповідає змісту срібла 97,0%, решта - мідь.

Сплави з платиною позначаються СрПл12, де цифри вказують на зміст платини у відсотках.

Фізичні властивості міді залежать від її стану, який позначається позначається таким чином, :

МТ - тверда (холоднотягнута) мідь, що має щільність 8960 кг/м3, межа міцності при розтягуванні 340 - 480 МПа, температуру плавлення 1080°З, відносне подовження при розтягуванні до 4%;

ММ - м'яка (що відпалює) мідь, що має щільність 8900 кг/м3, межа міцності при розтягуванні 250 - 300 МПа, температуру плавлення 1083°З, відносне подовження при розтягуванні 18-50%.

Електротехнічна промисловість випускає також марки міді МВЧк, М1у, М1, М0б, М1б, М00б, М00к, М0ку, М0к, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2 і М3. Позначення розшифровуються таким чином: М - мідь, ВЧ - висока чистота, до - катодна, би - безкиснева, р - що розкислює, ф - з обмеженням змісту фосфору, у - уточнений склад домішок. Цифри вказують на міру хімічної чистоти, що убуває в такому порядку, : 00, 0, 1, 2, 3.

Фізичні властивості алюмінію залежать від його стану, який позначається позначається таким чином, :

АТ - твердий (неотожженный) алюміній, що має межу міцності при розтягуванні 150 - 170 МПа, відносне подовження перед розривом 12-14%;

АМ - м'який (що відпалює) алюміній, що має межу міцності при розтягуванні 80 - 90 МПа, відносне подовження перед розривом 30-33%.

Відповідно до кількісного змісту контрольованих домішок вітчизняна промисловість випускає алюміній особливої чистоти (не більше 0,001%), високої чистоти (не більше 0,05%) і технічної чистоти (не більше 1,0%). Марка електротехнічного алюмінію починається з букви А, потім коштує цифра, що визначає відсотковий вміст алюмінію, наприклад алюміній марки А97 містить 99,97% алюмінію, решта - контрольовані домішки.

Припої позначаються таким чином:

Припої типу ПОС (олов'яно-свинцеві) утворюють діаграму стану евтектичного типу з твердими розчинами обмеженої розчинності. Сплав евтектичного типу (склад 61% Sn і 39% Pb) має низьку температуру плавлення 183°З і хорошу рідкотекучість, що забезпечує якісне формування шва і високі механічні властивості. Такий сплав означають ПОС- 61. Застосовують також сплави доевтектичного ПОС- 18, ПОС- 30, ПОС- 40, ПОС- 50 і заевтектичного ПОС- 90 складів. Цифра в марці вказує на зміст олова.

У олов'яно-свинцеві припої можуть входити присадки міді, кадмію, сурми та ін. Наприклад, припій ПОС61М містить 61% олова, ~1% міді, решта - свинець. Припій ПОСК50- 18 містить 50% олова, 18% кадмію, решта - свинець.

Сплави олова і цинку також утворюють діаграму евтектичного типу. Найкращим припоєм є сплав ПОЦ- 90, що відповідає евтектичному складу, : 90% Sn і 10% Zn. Сплав має найнижчу температуру плавлення 199 °Із з усіх сплавів цієї системи. Сплави ПОЦ- 70, ПОЦ- 60, ПОЦ- 40, так само як і ПОЦ- 90, використовують для пайки алюмінію і його сплавів.

У тих випадках, коли вимагається дуже низька температура (<100°С) нагріву, для пайки використовують сплави вісмуту зі свинцем, оловом, кадмієм. В процесі сплаву метали утворюють між собою легкоплавкі потрійні і складніші евтектики, ніж і пояснюється низька температура плавлення сплавів. Слід зазначити, що такі припої не забезпечують високої міцності з'єднання. Крім того, сплави з вісмутом крихкі.

Як високотемпературні припої використовують мідь, мідно-цинкові і мідно-фосфористі припої, а також припої, що містять срібло. Мідно-цинкові припої ПМЦ- 36, ПМЦ- 48, ПМЦ- 54 (цифра вказує зміст міді). Застосування мідно-фосфористих припоїв ПМФ7 (цифра вказує відсотковий вміст фосфору) дозволяє вести пайку міді без флюсу, що практично зручніше і простіше.

Припої, що містять срібло, дуже технологічні, оскільки мають хорошу розчинність і змочуваність; придатні для пайки будь-яких металів і сплавів, забезпечують з'єднання з хорошими механічними властивостями і мають невисокий перехідний опір. Окрім срібла, зміст якого вказує цифра в марці, припій обов'язково містить мідь або мідь з цинком. У припоях ПСр- 72, ПСр- 61, ПСр- 45, ПСр- 10 міститься відповідно до 72, 61, 45 і 10% срібла, решта мідь або мідь з цинком. Окрім цього, в срібні припої можуть вводитися кадмій Кд, сурма Су, фосфор Ф, олово О, свинець З, цинк Ц. Запис ПСрМО68- 27-5 означає припій із змістом срібла 68%, мідь - 27%, олова - 5%.

Компоненти контактних матеріалів позначаються таким чином: Пл - платина, Пд - паладій, І - іридій, Рд - родій, Ру - рутеній, Ср - срібло, Зл - золото, М - мідь, Г - графить, Н - нікель, Кд - кадмій. Розшифровка позначень контактних матеріалів залежить від їх хімічного складу.

Контактні матеріали позначаються таким чином:

хімічно чисті метали платинової групи (платина, паладій, іридій, рутеній, родій) Пл99, 8 - платина чистотою 99,8%;

сплави на основі металів платинової групи, золота і срібла :

ПлИ- 10 - іридій 10%, платина 90%;

ПлН- 4,5 - нікель 4,5%, платина 95,5%;

ПдСр- 20 - срібло 20%, паладій 80%;

СрПд- 20 - паладій 20%, срібло 80%;

ЗлПл- 7 - платина 7%, золото 93%;

хімічно чисте золото Зл999 - золото чистотою 99,9%;

сплави на основі золота з сріблом ЗлСр750- 250 - 75% золота, 25% срібла, ЗлСрМ580- 300 - 58% золота, 30% срібла, решта мідь;

композиції з порошків міді або срібла з невеликою добавкою графіту (МГ3, МГ5, СГ3, СГ5). Цифра в марках вказує на зміст графіту у відсотках.

Усі мідно-нікелеві сплави з високим опором маркіруються буквами МН з вказівкою змісту нікелю (з кобальтом) і додаткових легуючих елементів у відсотках.

Манганін МНМц3- 12 - це мідно-нікелевий сплав, що містить в середньому 2,5...3,5% нікелю (з кобальтом), 11,5...13,5% марганцю, 85,0...89,0% міді.

Константан МНМц40- 1,5 містить ті ж компоненти, що і манганін, але в інших співвідношеннях: нікель (з кобальтом) 39...41%, марганець 1...2%, мідь 56,1...59,1%.

Нейзільбер МНЦ- 15-20, у складі якого 18...22% цинку, 13,5...16,5% нікелю (з кобальтом) і решта - мідь.

Жаростійкі сплави на основі нікелю

Нихромы - Х20Н80 - ніхром, що містить 20% хрому і 80% нікелю.

Нихромы із залізом називають ферронихромами, наприклад, сплав Х15Н60, що містить 25% Fe. Приклад розшифровки марок нихромов : Х10Н85 - ферронихром, що містить 10% хрому, 85% нікелю, інші 5% - залізо.

Сплави систем залізо - хром - алюміній

Жаростійкі сплави фехрали (наприклад, Х13Ю4) і шкутильгали (наприклад, Х23Ю5). Для позначення марок хромалюминиевых сплавів використовується традиційна система з букв і чисел для чорних сплавів. Наприклад, позначення Х23Ю5 відповідає сплаву із змістом 23% хрому і 5% алюмінію решта - залізо.

Сплави для термопар

Між двома різними провідниками (чи напівпровідниками) при їх зіткненні виникає контактна різниця потенціалів, яка обумовлена різницею значень роботи виходу електронів з різних металів. Відповідно до електронної теорії металів контактна різниця потенціалів між провідниками 1 і 2

U1 _{- 2}=U2 - U1+(RT/q) ln(n01/n02)

де U1 і U2 - потенціали дотичних металів; n01 і n02 - концентрація електронів в провідниках 1 і 2; R=1,38·10-23 Дж/До - постійна Больцмана; q - абсолютна величина заряду електрона.

Якщо температури «спаїв» однакові, то в замкнутому ланцюзі торба різниці потенціалів дорівнює нулю. Колі ж рівність температур не дотримується, між провідниками виникає ТЕРМОЕДС

E=U_1–2+U_2–1=C(T_г–Т_х),

Рис. 20. Схема термопары

де С=(RT/q)ln(n01/n02) - коефіцієнт, що характеризує цю пару, мкВ/К. Залежність ТЕРМОЭДС від різниці температур спаїв не завжди лінійна і, отже, необхідно коригувати коефіцієнт відповідно до значень температур Тг і Тх. Два ізольовані провідники, сполучених між собою з допомогою

пайки або зварювання, називаються термопарою (мал. 20) і застосовуються для виміру температури. Для виготовлення термопар використовуються провідники, що мають великий і стабільний коефіцієнт ТЕРМОЭДС.

Для термопар найширше застосовуються наступні сплави: копель (56% Cu і 44% Ni), алюмель (95% Ni, решта - Al, Si і Mn), хромель (90% Ni і 10% Cr), платинородий (90% Pt і 10% Rh). Матеріали, що утворюють термопару, підбираються так, щоб в діапазоні вимірюваних температур вони мали максимальне значення ТЕРМОЭДС. При цьому погрішність у визначенні температури істотно знижується.

Магнитомягкие матеріали

Електротехнічні стали

Електротехнічні сталі поставляють з гарантованими магнітними властивостями для електротехнічної промисловості. Промисловість випускає сталі різного сортаменту, у тому числі тонкий лист (таблиця. 25).

Таблиця 25

Сталь	Нc, А/м	max, мГн/м	B (Тл) при Н=30 кА/м
10895, 20895	95	3,8	2,05
10864, 20864	64	5,6	2,05
10848, 20848	48	6,0	2,05

Перша цифра в марці вказує спосіб виготовлення : гарячекатана сталь (1), холоднокатана ізотропна (2). Друга цифра 0 вказує на низький зміст кремнію (не більше 0,03%). Третя цифра визначає основну властивість, яка гарантує завод-виготівник, а саме: цифра 8 означає коэрцитивную силу Hc, а її значення (у А/м) показують дві останні цифри.

Крем'яниста електротехнічна сталь маркірується чотирма цифрами: перша означає структурний стан і вид плющення (1 - гарячекатана ізотропна, 2 - холоднокатана ізотропна, 3 - холоднокатана анізотропна з ребровою текстурою); друга - зразковий зміст кремнію у відсотках: 0 - зміст <0,4 %; 1 - (0,4-0,8 %); 2 - (0,8-1,8 %); 3 - (1,8-2,8 %); 4 - (2,8-3,8 %); 5 - (3,8-4,8 %); третя - основні нормовані характеристики [0 - питомі втрати при магнітній індукції 1,7 Тл і частоті 50 Гц (Р1_{, 7/50}), 1 - при індукції 1,5 Тл і частоті 50 Гц (Р1_{, 5/50}); 2 - при індукції 1 Тл і частоті 400 Гц (Р1/₄₀₀); 6 - магнітна індукція в слабких магнітних полях при напруженості поля 0,4 А/м (В0_{, 4}); 7 - магнітна індукція в середніх магнітних полях при напруженості поля 10 А/м (B10)]. Разом перші три цифри означають тип стали, четверта - порядковий номер типу стали.