Контактні матеріали

Контакти – струмопровідні деталі, які служать для замикання, розмикання та перемикання електрорадіотехнічних кіл. Контакти – відповідальні елементи апаратури, які повинні забезпечувати високу надійність, малий перехідний електричний опір, виключати ерозію (обгорання), приварювання.За умовою експлуатації вони можуть неперервно з різною частотою спрацьовувати – переходити з одного положення в інше, а також тривалий час знаходитись як в замкнутому, так і в розімкнутому стані.

Відповідно до вимог різних типів контактів (залежно від потужності кола, сили струму, напруги, додаткових вимог) застосовується широка номенклатура матеріалів.

Для контактів зі слабкими струмами використовують благородні і тугоплавкі метали, переважно: срібло, платину, паладій, золото, вольфрам і сплави на їх основі. Більшість дорогоцінних металів (крім срібла) звичайно застосовують для контактів, як гальванічне покриття.

Для контактів з великою силою струму крім міді, срібла та деяких їх сплавів застосовують композиційні матеріали, що складаються з двох або більше компонентів, що відрізняються між собою тугоплавкістю. Найширше застосування композицій: срібло – оксид магнію, срібло – нікель, срібло – вольфрам, срібло –молібден, мідь – вольфрам та інші.

Для ковзаючих контактів використовують тверду мідь, берилієву бронзу, а також матеріали системи Ag – CdO.

Методи порошкової металургії застосовують тоді, коли не можна отримати вироби із сплавів надто тугоплавких металів або із сплавів надто чистих металів, або коли необхідно отримати вироби із сплаву металів з неметалами. Крім того, методи порошкової металургії дають змогу отримувати вироби з точно заданими розмірами без наступної механічної обробки. В результаті цього різко знижуються втрати у вигляді відходів металу. В електротехнічному виробництві методи порошкової металургії широко застосовуються для виготовлення електровугільних виробів, деяких видів магнітних матеріалів і великострумових електричних контактів.

Порівняно з металевими контактами із срібла, міді, вольфраму і сплавів металів металокерамічні контакти характеризуються великою стійкістю, допускають великі сили стиску і мають стійкість проти ерозії. В електричних апаратах низької напруги широко застосовуються контакти з металокерамічного матеріалу на основі порошків срібла й оксиду кадмію (СdO ≈ 15 %). Вони мають усі характерні властивості металокерамічних виробів. Крім того, можуть надійно працювати в умовах тропічного клімату.

Як дугорозмикаючі контакти використовують металокерамічні деталі, що виготовляють з порошків срібла, вольфраму (40—50 %) і нікелю (2—3 %). Металокерамічні деталі цього складу мають пластичність і допускають усі види механічної обробки.

Металокерамічні контакти, які виготовляють з порошків міді та графіту, характеризуються високою стійкістю проти зварювання при розмиканні великих струмів (30 000 — 10 000 А). Це досягається не тільки складом і структурою металокерамічного матеріалу на основі порошків міді та графіту (3—5%), а й наявністю в матеріалі 10—15 % пор. В виробництві металокерамічних виробів кількість пор у них можна змінювати у широких межах. У металокерамічних контактах на невеликі струми пористість не повинна перевищувати 2—5 %. Це досягається повторним пресуванням металокерамічних виробів з наступною тепловою обробкою — відпалюванням.

Разом з металами і металевими сплавами як резистивні, контактні і струмопровідні елементи достатньо широко використовуються різні композиційні матеріали, деякі оксиди, і провідні модифікації углецю. Як правило, ці матеріали мають вузькоспеціалізоване призначення.

Вуглецеві матеріали.

Серед твердих неметалічних провідників найширше застосування в електротехніці отримав графіт — одна з аллотропных форм чистого вуглецю. Разом з малим питомим опором цінними властивостями графіту є значна теплопровідність, стійкість до багатьох хімічно агресивних середовищ, висока нагрівостійкість, легкість механічної обробки. Для виробництва електровугільних виробів використовують природний графіт, антрацит і піролітичний вуглець.

Природний графіт є кристалічним матеріалом з дуже високою температурою плавлення (порядку 3900°С). При вільному доступі кисню і високій температурі він окислюється, утворюючи газоподібні оксиди СО і СО₂.

Графіт широко використовується в технології напівпровідникових матеріалів для виготовлення різного роду нагрівачів і екранів, тиглей, касет і т.п. У вакуумі або захисних газових середовищах вироби з графіту можуть експлуатуватися при температурах до 2500°С.

Особливою модифікацією графіту є стекловуглерод, одержуваний полімеризацією органічних полімерних смол типу бакеліту, що проводиться в атмосфері нейтральних газів протягом довгого часу. Вироби, що виготовляються, мають блискучу поверхню, стеклоподібний вигляд. Стекловуглерод відрізняється від звичайного графіту підвищеною хімічною стійкістю.

Композиційні провідні матеріали. Композиційні матеріали є механічною сумішшю провідного наповнювача з діелектричною зв'язкою. Шляхом зміни складу і характеру розподілу компонентів можна в достатньо широких межах управляти електричними властивостями таких матеріалів. Особливістю всіх композиційних матеріалів є залежність провідності і старіння при тривалому навантаженні. У ряді випадків помітно виражена нелінійність електричних властивостей.

Як компоненти провідної фази використовують метали, графіть, саджу, деякі оксиди і карбіди. Функції зв'язуючої речовини можуть виконувати як органічні, так і неорганічні діелектрики.

Серед різноманіття комбінованих провідних матеріалів найбільшої уваги заслуговують контактоли і керметы.

Контактоли, що використовуються як струмопровідні клеї, фарби, покриття і емалі, є пастоподібні полімерні композиції. Як зв'язуюча речовина в них використовують різні синтетичні смоли (епоксидні, фенолформальдегідні, кремнійорганічні і ін.), а струмопровідним наповнювачем є порошки металів (срібла, нікелю, паладію). Необхідна в'язкість контактолів перед їх нанесенням на поверхню забезпечується введенням розчинників (ацетон, спирт і т. п.).

Велику роль у формуванні контактів між частинками металів в композиції грають внутрішні напруги, що виникають при затвержденні в результаті усадки через випаровування розчинника і полімеризації зв'язуючої речовини. Внутрішні напруги приводять до появи контактного тиску між частинками наповнювача, що обумовлює різке зменшення контактних опорів.

Контактоли використовують для отримання контактів між металами, металами і напівпровідниками, створення електродів на діелектриках, екранування приміщень і приладів, для комунікації, на діелектричних підкладках, в гнучких хвилеводах і інших виробах електронної промисловості.

Керметами називають металодіелектричні композиції з неорганічним зв'язуючим. Вони призначені для виготовлення тонкоплівкових резисторів. Істотною перевагою керметных плівок є можливість змінювати їх питомий опір в широких межах. Найбільше розповсюдження отримала мікрокомпозиція Cr — SiO, тонкі плівки якої виготовляють методом термічного випаровування і конденсації у вакуумі з подальшою термообробкою для стабілізації властивостей. При термообробці за рахунок взаємодії компонентів відбувається витіснення окисного прошарку між зернами з утворенням фази Cr₃Si. В результаті опір ізоляційних прошарків між зернами замінюється опором контакту.

В толстоплівкових мікросхемах використовують резистори, одержувані на основі композиції скла з паладієм і сріблом. Для цієї мети скло розмелюють в порошок до розміру зерен 3—5 мкм, змішують з порошком срібла і паладію, допоміжною органічною зв'язкою і розчинником. Одержувану пасту наносять на керамічну підкладку і спекают в звичайній атмосфері. Питомий опір плівок залежить від процентного змісту провідних компонентів і режиму спекания.