Сплави з великим опором План викладу матеріалу розділу

1	Матеріали для виготовлення постійних резисторів
2	Матеріали для виготовлення нагрівальних приладів
3	Тугоплавкі метали
4	Легкоплавкі метали

Провідникові метали високого опору повинні задовольняти такі вимоги: мати високий питомий опір, часову стабільність, малий ТКρ і малу термо-е.р.с. в парі сплаву з міддю. Сплави для нагрівальних елементів повинні тривалий час працювати на повітрі при високих температурах. Бажано, щоб матеріали були технологічні, дешеві, не містили дефіцитні компоненти.

Залежно від призначення і умов експлуатації як резистивний матеріал використовують сплави на основі міді (манганін, константан), сплави на нікелевій основі, на основі кремнію та інші матеріали.

Манганін – сплав на основі міді (85% -Сu, 12% - Mn, Ni – 3%) – є основним для виготовлення еталонних резисторів (рис.1), шунтів (рис.2), додаткових резисторів для вимірювальних приладів, резистивних датчиків тиску. Спеціальною термічною обробкою можна забезпечити високу стабільність опору в часі.

Манганін має високий питомий опір (0,42-0,48 мкОм·м), дуже малий ТКρ, малу термо-е.р.с. в парі з міддю, міцний, технологічний, добре паяється, емалюється, протягується в провід діаметром 0,02 – 5 мм. Випускається різних марок, що відрізняються складом, властивостями (термообробкою), ізоляцією.

Константан – сплав міді та нікелю (60% - Сu, Ni – 40%). Назва підкреслює стабільність опору при зміні температури. Застосовується для виготовлення резисторів (рис.3), реостатів (рис.4), термопар і електронагрівальних елементів, які працюють при Т < 450 ⁰С.

Константан має високий питомий опір (0,48-0,52 мкОм·м), дуже малий ТКρ, високу міцність, хорошу технологічність; проте висока термо-е.р.с. відносно міді обмежує його використання в вимірювальній техніці, за винятком приладів для вимірювання температури, в яких використовуються термопари мідь-константан, залізо-константан.

Кремнієві резистивні сплави. Це багатокомпонентні сплави, що спеціально розроблені для виготовлення тонкоплівкових резисторів (рис5, рис.6, рис.7). Плівки одержують шляхом термічного вакуумного випаровування з наступною конденсацією плівок на діелектричну основу. Питомий поверхневий опір плівок різних сплавів товщиною близько мікрометра складає від десятків ом до десятків кілоом.

Рис.6. Зовнішній вигляд і зображення резисторів

Рис.7. Резистори для поверхневого монтажу

Ніхром - сплав нікелю і хрому, що має високий електричний опір (ρ=0,5-1,2 мкОм·м) і жаростійкість, що визначило його подальшу долю, як основу електронагрівних елементів. Високі ціни на нікель обумовлють високі ціни на "ніхромові" дроти і стрічки і породили логічну тенденцію на зниження відсоткового вмісту нікелю в ніхромі. Гонитва за ціною примушує знижувати зміст нікелю і хрому в "ніхромах", замінюючи їх на дешеве залізо. Внаслідок чого "ніхромовий" дріт і стрічка стають менш пластичними і допускають намотування в спіраль тільки при високих температурах (більше 300⁰С). . Залізо сильніше схильне до корозії - терміни зберігання "ніхромових" проволікав і смуг із сплавів із змістом нікелю менше 80% зменшуються.

Основний недолік сплавів системи Fe-Ni-Cr– нестійкість до різких перепадів температури, що руйнують захисну оксидну плівку Застосовуються для виготовлення елементів електронагрівальних приладів та, як матеріал для плівкових резисторів інтегральних схем.

Фехра́ль - сплав, що складається з наступних елементів, : Cr (12-15 %); Al (3,5-5,5 %); Si (1 %); Mn (0,7 %); решта Fe. Сплави Fe - Cr - Al широко використовуються з 30-х років минулого століття (рис.8).

Високі експлуатаційні властивості фехралей обумовлені самою природою хімічно інертного, щільного поверхневого захисного шару оксиду алюмінію. На відміну від нікельвмісних сплавів, фехралі допускають використання в окислювальних, сірковмісних і інших агресивних середовищах. Крім того, допустимі робочі температури фехралей вищі, ніж у ніхромів і досягають 1400 С.

Фехра́лі мають в порівнянні з "ніхромами" такі поліпшені характеристики:

- вища температура застосування;

- більший термін служби при високих температурах;

- меншу питому щільність сплаву;

- меншу вартість.

Рис.8. Ніхром та фехраль

Проте широкому застосуванню "фехралю" замість "ніхрому" довгий час перешкоджали погані механічні властивості, а саме, низька пластичність в початковому стані (що важливо при виготовленні резистивних елементів), а також різке зменшення пластичності сплаву при експлуатації (що важливо при роботі і ремонті резистивних елементів).Тому проводи і стрічки з них виготовляють з більшим поперечним перерізом, які відповідно застосовують в нагрівальних елементах великої потужності ( рис.9).

Багатокомпонентні сплави (база Fe - Cr - Al, легуючі елементи: Si, Y, La, Ce, Zr, Ti.), відомі під назвами фірм виробників : Kanthal, Rescal, Aluchrom, та ін. . Хоча хімічний склад цих сучасних сплавів і близький до класичних "фехралів", проте матеріал має ряд істотних відмінностей. За рахунок легування різними елементами, а також технологічним особливостям виготовлення виробникам вдалося позбавитися від основних недоліків, властивих класичним "фехралям". Істотно підняти пластичність, запобігти сильному зростанню зерна і руйнуванню сплавів при підвищених температурах,та зберігти основні достоїнства цього класу сплавів.

Чудові властивості цих матеріалів обумовлені, зокрема, тим, що на їх поверхні утворюється високоміцна плівка Al2O3 світло-сірого кольору яка є відмінним ізолятором і ефективніше запобіже корозії в порівнянні з оксидом хрому (Cr2O3), що утворюється на поверхні нихромов. Плівка оксиду хрому менш стійка, швидше відшаровується і випаровується (випар при 1100 'З), що призводить до скорочення терміну служби нагрівача. Багатокомпонентні сплави широко використовується в електронагрівачах для багатьох галузей промисловості. У більшості промислово розвинених країн світу доля цих сплавів в загальному споживанні сплавів опору складає понад 80%.

Тугоплаві метали

Тугоплавкі метали мають температуру плавлення вище температури плавлення заліза (1539⁰С). До тугоплавких металів відносять титан, цирконій, гафній, ванадій, ніобій, тантал, хром, молібден, вольфрам, реній, а також метали платінової групи (рутеній, родій, осмій, іридій, платина)

Вольфрам не тільки самий тугоплавкий метал t_пл= 3400 °С. У чистому виді він має колосальну міцність: його опір розриву досягає 40 тонн на квадратний сантиметр, значно перевищуючи міцність кращої сталі. І такі характеристики метал зберігає навіть при 800°С. Висока міцність металевого вольфраму сполучається з гарною пластичністю (рис. 10), з нього можна витягнути найтонший дріт, 100 кілометрів якої важать усього 250 грамів!Широке застосування в техніці знаходять катодні промені, які являють собою потік електронів, що вириваються з поверхні металевого катода у вакуумі («електронна емісія»).

Як показала практика, одним із кращих матеріалів для катодів виявився вольфрам (рис.11). Вольфрам застосовується для виготовлення ниток розжарення (рис.12), електродів, контактів. Завдяки тугоплавкості і великій механічній міцності при підвищених температурах вольфрам можна використовувати при температурах, вищих за 2000С, але лише у високому вакуумі або в атмосфері інертних газів.

Н іобій хімічний елемент V групи періодичної системи, ясно-сірий тугоплавкий метал, густина 8,57 г/см³, t_пл=2477°С, температура переходу в надпровідний стан 9,28 К. Хімічно ніобій досить стійкий, що обумовлює його застосування в галузях хімічної промисловості, що вимагають високої корозійної стійкості устаткування. Застосування і виробництво ніобію швидко зростають, що обумовлено поєднанням таких його властивостей, як тугоплавкість, здатність утворювати жароміцні, надпровідні та ін. сплави, корозійна стійкість і зварюваність. Ніобієм легують сталі для віддання їм високій корозійній стійкості. Ніобієм і його сплавами покривають тепловиділяючі елементи ядерних реакторів.

З ніобію і сплавів, що містять ніобій виготовляють різне корозійностійке устаткування (наприклад, для виробництва високочистих кислот) рис.13. чистого ніобію і його сплавів виготовляють деталі літальних апаратів, контейнери і труби для рідких металів, деталі електричних конденсаторів рис.14, арматуру електронних і потужних генераторних ламп (аноди, катоди, сітки та ін.).

Рис.13.Змійовики з ніобію

Станід (Nb₃Sn), германід (Nb₃Ge), сплави ніобію з оловом (Sn), титаном (Ti) і цирконієм (Zr) використовують для виготовлення надпровідних соленоїдів (Nb₃Ge - надпровідник з температурою переходу в надпровідний стан 23,2 К). Ніобій використовують у кріотронах- елементах обчислювальних машин.

Нітрид ніобію NbN (рис.15). використовують при виготовленні мішеней передавальних телевізійних трубок, для виробництва тонких і ультратонких надпровідних плівок з критичною температурою від 5 до 10 До з вузьким переходом, близько 0,1 К .

Рис14. Будова конденсатора Рис.15. Кристал NbN

Оксиди ніобію — компоненти вогнетривких матеріалів, керметов, стекол з високими коефіцієнтами заломлення. Ниобаты використовуються в акусто- і оптоелектроніці, як лазерні матеріали.

Тантал хімічний елемент V групи періодичної системи, ясно-сірий із блакитним відливом метал (рис.16)., важкий й тугоплавкий; густина 16,6 г/см3, t_пл=3014 °С. Хімічно стійкий у природі зустрічається разом з ніобієм

Використовується в металургії (компонент жароміцних і твердих сплавів), у ядерній енергетиці, хімічному машинобудуванні, електроніці (рис.17). Танталові конденсатори (рис.18), які відносяться до класу конденсаторів з|із| оксидним діелектриком, характеризуються найбільш високими питомим зарядом і питомою ємкістю|місткістю|, великими значеннями одиничної|поодинокої| ємкості.

Рис.16. Танталові злитки Рис.17 Області використання танталу Рис.18.Конденсатори

Молібден тугоплавкий t_пл =2620 ⁰С пластичний сріблястий метал; широко застосовується в електровакуумній техніці при нижчих температурах, ніж вольфрам; а також для виготовлення електричних контактів.

Завдяки тугоплавкості й низькому коефіцієнту теплового розширення цей метал широко застосовують в радіоелектроніці, техніці високих температур. З нього ж виготовляють багато деталей радіоламп, рентгенівських трубок. Молібденові спіралі служать нагрівачами в потужних вакуумних електропечах опору, де розвиваються досить високі температури.

Різноманітне застосування знайшли з'єднання молібдену. Молібденові барвники використовують у виробництві кераміки й пластичних мас. Для виготовлення електротехнічних контактів використовують сплави цього елемента з міддю й сріблом. Серед тугоплавких металів молібденн має найменший питомий опір (рис.19).

Рис.19. Залежність питомого опору тугоплавких металів від температури

Найважливіші властивості ренію, що визначають його застосування|вживання| це: дуже висока температура| плавлення, стійкість до хімічних агентів, каталітична активність (у цьому він близький до платиноїдів|).

Реній використовується при виготовленні вольфрам-ренієвих термопар що дозволяють вимірювати температури до 2200 °C.Крім того, з ренію роблять електричні контакти, що самоочищуються. При замиканні і розриві ланцюга завжди відбувається електричний розряд внаслідок чого метал контакту окислюється. Точно також окислюється і реній, але його оксид Re₂O₇ летучий при низьких тепературах (температура кипіння — всього 362,4 °C) і тому при розрядах він випаровується з поверхні контакту. Тому ренієві контакти служать дуже довго.

Легкоплавкі метали

До легкоплавких металів належать метали з Т_пл < 500°С. В електроніці широко використовують такі метали як свинець, олово, цинк, кадмій, індій, галій, ртуть.

Свинець - химічний елемент IV групи періодичної таблиці, звичайно має грязно-сірий колір, хоча свіжий його розріз має блакитний відлив і блищить. Однак блискучий метал швидко покривається тьмяно-сірою захисною плівко оксиду. Щільність свинцю (11,34 г/см³) у півтора разу більше, ніж у заліза, учетверо більше, ніж в алюмінію. Свинець дуже легко плавиться - при 327,5°С, кипить при 1751°С и помітно летучий при 700°С. Свинець - один із самих м'яких металів. Він легко дряпається нігтем і прокочується в дуже тонкі аркуші. Свинець сплавляється з багатьма металами. По хімічних властивостях свинець - малоактивний метал. З’єднання свинцю отруйні.М'який і пластичний свинець, що не іржавіє в присутності вологи, - незамінний матеріал для виготовлення оболонок електричних кабелів. Важкий свинець добре затримує згубні для людини випромінювання й тому свинцеві екрани використаються для захисту працівників рентгенівських кабінетів, у свинцевих контейнерах зберігають і перевозять радіоактивні препарати. Свинець містять також, "м'які" припої. У електротехніці його використовують в плавких запобіжниках та свинцевих акумуляторах.

Олово - хімічний елемент ІV підгрупи періодичної системи елементів, м'який сріблисто-білий пластичний метал (може бути прокачаний у дуже тонку фольгу - станіоль) з невисокою температурою плавлення (температура плавлення, 231,9°С). Кипить при температурі 2270°С. Олово має дві аллотропні модифікації: α-Sn (сіре олово) із гранецентрованими кубічними кристалічними ґратами й β-Sn (звичайне біле олово) з объемноцентованими тетрагональними кристалічними ґратами. Фазовий перехід α - β прискорюється при низьких температурах (-30⁰С) і в присутності зародків кристалів сірого олова; відомі випадки, коли олов'яні вироби на морозі розсипалися в сірий порошок ("олов'яна чума").

Чисте олово має низьку механічну міцність при кімнатній температурі (можна зігнути олов'яну паличку, при цьому чується характерний тріск, обумовлений тертям окремих кристалів друг об друга) і тому рідко використається. Однак воно легко утворює сплави з більшістю інших чорних і кольорових металів. Сплави мають прекрасні антифрикційні властивості в присутності змащення, тому широко використовуються як матеріал підшипників.

П ри кімнатній температурі олово хімічно інертно до кисню й води. На повітрі олово поступово покривається захисною оксидною плівкою, що підвищує його корозійну стійкість.Олово знайшло широке застосування завдяки своїй легкоплавкості, м'якості, ковкості, хімічній стійкості і здатності давати високоякісні сплави. Використовується для виробництва білої жерсті і фольги. До основних галузей споживання олова належать: харчова (40 %), авіаційна, автомобільна, суднобудівна і радіотехнічна промисловість, а також гальванопластика, скляна і текстильна промисловість. Олово - важлива складова частина припоїв. Олово – парамагнетик.

Тонкі шари двоокису олова мають цінну оптичну властивість - високу прозорість у видимій та інфрачервоній частинах спектра. Власне поглинання плівок SnO₂ товщиною до 2мкм у видимій частині спектру не перевищує 3%. Поєднання високої оптичної прозорості і підвищеної електричної провідності плівок двоокису олова обумовлює застосування їх як покриттів на внутрішніх стінках скляних балонів електровакуумних приладів, електродів електролюмінесцентних конденсаторів і рідкокристалічних індикаторів (рис.20), передавальних телевізійних трубок, перетворювачів і підсилювачів зображення та ін.

Індій-сріблясто-білий м’який метал з температурою плавлення Т_пл=157⁰С і температурою кипіння 2000°С. У напівпровідниковій техніці індій використовується як акцепторна домішка і контактний матеріал у виробництві транзисторів і напівпровідникових діодів.

Основна стаття споживання|вжитку| індію –| виготовлення тонких електропровідних плівок на основі оксиду індію|. Завдяки пластичним і антикорозійним властивостям, низький летучості і маленькій температурі плавлення, індій використовується для отримання|здобуття| різних легкоплавких сплавів і припоїв. Для збільшення опору зносу индієм| покривають вістря контактів різних вимикачів, графітових щіток і так далі. Припої на основі індію| використовуються, наприклад, для зварки|зварювання| металу з|із| склом. Індієвиє покриття володіють прекрасною|чудовою| здатністю відбивати світло|здібністю|відбивати від|відбиває|, і застосовуються у виготовленні високоякісних дзеркал/

Галій - м’який метал сріблясто-білого кольору, що плавиться майже при кімнатній температурі Т_пл=29,9⁰С. При звичайній температурі стійкий на повітрі, не взаємодіє з водою. Застосовують в напівпровідниковій техніці як легуючу домішку для германію та кремнію і як складову арсеніду галію GaAs- важливого напівпровідника.

Найбільш перспективне застосування|вживання| галію у вигляді хімічних сполук типу|типа| GaAs|, GAP|, GaSb|, що володіють напівпровідниковими властивостями. Вони можуть застосовуватися у високотемпературних випрямлячах і транзисторах, сонячних батареях, а також в приймачах інфрачервоного випромінювання. Галій можна використовувати для виготовлення оптичних дзеркал, що відрізняються високою відбивною здатністю|здібністю|.

Ртуть — метал сріблясто-білого кольору. Це єдиний метал, що знаходиться при кімнатній температурі в рідкому стані,  t_пл = — 39°С. При кімнатній температурі ртуть хімічно стійкий метал, починає окислюватися тільки при температурах, близьких до температури кипіння. Застосовується в газорозрядних лампах (Рис.21), (пари ртуті мають нижчий потенціал іонізації, чим звичайні і інертні гази), для ртутних контактів (рис.22), як рідкий катод у ртутних випрямлячах, ігнітронах (Рис.23). У ртуті розчиняються лужні, лужноземельні метали, а також Аu, Ag, Pt, Mg, Al, Zn, Sn, Pb, Cd, утворюючи розчини, звані амальгамою. Тому прилади, що містять ртуть, мають бути виготовлені з металів, що не розчиняються в ртуті, — це вольфрам, залізо і тантал. При кімнатній  температурі ртуть — діамагнетик. t_пл = 4.153 К. Ртуть, її сполуки та пара дуже отруйні.

Таблиця 1. Фізичні характеристики легкоплавких металів

Властивість Pb Sn In Ga Hg

Температура плавлення Тпл, 0С 327,5 231,9 157 29,9 -38.72

Температура кипіння Ткіп, 0С 1751 2270 2000 2230 357

Контрольні питання

1. Які провідникові матеріали відносяться до матеріалів з великим опором?

2. Які матеріали використовують для виготовлення постійних резисторів?

3. Які метали є тугоплавкими?

4. Які метали є легкоплавкими?

Лекція 5