5.3. Перспективы развития проводниковых материалов.

Одной из проблем проводникового материаловедения является замена дефицитных и дорогостоящих материалов на недефицитные. Была предпринята попытка изготовления обмоточных проводов и кабелей из цинка в Германии еще во время первой мировой войны. Многочисленные аварии, происходившие вследствие низкого сопротивления изделий к длительным статическим нагрузкам, склонности к грубой кристаллизации и связанной с ней хрупкости при незначительных нагревах, а также в результате склонности к интеркристаллической коррозии заставили отказаться от использования цинка для изготовления проводов. Однако легирование цинка алюминием снимает указанные недостатки. Так как электросопротивление его сплавов с алюминием примерно в три раза больше электросопротивления алюминия, эти сплавы применяются только как материал для электрических шин.

В качестве проводникового материала перспективно использование щелочных и щелочноземельных металлов. В результате малой плотности они обладают наименьшим значением массового элект­рического сопротивления. Однако из-за высокой химической активности использование их в электротехнике требует специальных конструктивных решений. Так, было осуществлено несколько различных конструктивных вариантов использования натрия в стальных или свинцовых трубах. Наиболее удачным оказалось заключение натрия в полиэтиленовую оболочку. Для присоединения к обычному электрооборудованию провод с натриевой жилой должен быть снабжен специальным герметическим наконечником. Попытки использовать натрий и щелочноземельные металлы будут, очевидно, расширяться, так как эти металлы гораздо дешевле меди.

Другим заменителем меди и алюминия, применяющимся в качестве проводникового материала для голых неизолированных проводов, служит малоуглеродистое железо. Удельное электрическое сопротивление технического железа в 7 – 8 раз выше, чем меди, стоимость в среднем в 7 – 8 раз ниже стоимости меди, прочность в 2 – 3 раза выше таковой для меди. Поэтому в неответственных изделиях малоуглеродистое железо вытесняет медь. Например, в качестве воздушных проводов обычно используется телеграфная проволока из низкоуглеродистой стали с удельным электросопротивлением при 20°C около 0,133 Ом • мм²/м.

Железо является коррозионно неустойчивым проводниковым материалом. Во влажном воздухе при обычной температуре оно покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃ • nН₂0). Из-за пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу, поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. Для того чтобы эксплуатация проводников из малоуглеродистой стали была достаточно длительной, используются проволоки крупных сечений или сталь покрывается слоем цинка.

Никель и его сплавы широко используются в качестве проводникового материала в электротехнической и электровакуумной промышленности в изделиях, подвергающихся действию высоких температур.

Благодаря жаростойкости и химической стойкости эти сплавы получили широкое распространение в электротехнике. Особый интерес представляет использование в качестве проводника сплавов на основе никеля и кобальта (Со - 40%, Cr -20%, Мо - 7,0%, Mn - 2,0%, ост, Ni, Si) с повышенными упругими характеристиками. Такие сплавы устойчивы к действию физиологического раствора и могут использоваться в качестве проводников кардиостимуляторов, вживлённых в организм человека.

Перспективным проводниковым материалом является бериллий. Обычно электропроводность этого элемента принимают равной 40% от электропроводности меди. Плотность бериллия составляет 1,82г/см³, температура плавления 1280°С. Эти качества делают проводниковый материал из бериллия особо необходимым в случае снижения веса проводников и повышения их теплостойкости. Однако этот металл хрупок, технология изготовления проводников из него сложна.

В электротехнике предприняты попытки использовать бериллий, охлажденный до температуры ниже 150К, в качестве криопроводника для электромашин. При указанной температуре бериллий имеет преимущества по сравнению с натрием, медью и алюминием, для которых более выгодно охлаждение до гелиевых температур.

В электротехнике широко используются благородные металлы: золото, серебро, палладий, платина. Их высокая стойкость к окислению обеспечивает надежный электрический контакт в местах разрыва электрической цепи – разъемах, контактах.

Перспективность композиционных проводниковых материалов заключается в том, что снижение электропроводности в случае композиционного строения ограничивается уменьшением только на величину, пропорциональную объему упрочняющей фазы. Это в основном меньше тех потерь электропроводности, которые наблюдаются при сплавлении металлов. Такими же преимуществами композиционных материалов обладают поли- и биметаллические проводниковые материалы.

В поли- или биметаллическом проводнике используют два или более разнородных металла или сплава в одной конструкции. Это позволяет сохранять положительные свойства каждого компонента и по возможности исключить отрицательные.

Широко используются биметаллическая сталемедная проволока для наведения линий электропередач, упрочнения жил монтажных проводов и т.п.

Покрытие медной проволоки никелем обеспечивает теплостойкость и коррозионную стойкость проводников. Покрытие медной проволоки оловом сообщает монтажным проводам, токопроводящие жилы которых выполнены из медной проволоки, устойчивую и качественную пайку. Медно-алюминиевая проволока сочетает положительные свойства меди и легкость алюминия. Для радиочастотных кабелей удачно используется медная посеребренная проволока. Интересным направлением развития проводникового материаловедения является разработка проводников из графитизированных волокон.

Перспективны также металлокерамические и гранульные сплавы, в которых упрочняющим элементом являются мелкие керамические зерна или окисные пленки, включенные в основную матрицу. Они легко могут быть дополнительно легированы порошками тугоплавких соединений, так как исключают технологическую операцию плавления. К указанным материалам относятся сплавы типа САП (спекаемого алюминиевого порошка). Недостатком такого рода сплавов является малая технологичность из-за трудности деформирования и сложность получения проволоки. Проводники из этих сплавов применяются в том случае, когда они должны в процессе эксплуатации длительно сохранять высокотемпературную твердость.