Электротехнические материалы

УДК 621.315.5/.6(078) Б48

Рецензенты:

канд. техн. наук О.А. Косолапов (Пермский военный институт внутренних войск

МВД РФ)

д-р техн. наук, проф. В.Я. Беленький (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Береснев, Г.А.

Б48 Электротехнические материалы : конспект лекций / Г.А. Береснев, Д.Л. Долинов, И.Л. Синани. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 78 с.

ISBN 978-5-398-01477-8

Даны основы материаловедения проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Приведены их состав, свойства, способы получения и область применения.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей как дополнительная часть раздела «Материаловедение» в курсе лекций дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

УДК 621.315.5/.6(078)

3

Человек образованный – тот, кто знает, где найти то, чего он не знает.

Георг Зиммель

ЛЕКЦИЯ 1

МАТЕРИАЛЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

Электропроводность материалов в твердом состоянии определяется электронным строением их атомов и возможностью перемещения электронов на более высокие энергетические уровни в условиях кристаллического или аморфного строения материала.

Ватомах металлов валентная энергетическая зона заполнена электронами не полностью (Cu, Ag, Au, Al), либо имеются не заполненные электронами подуровни 3D-зоны, перекрывающиеся заполненной электронами валентной зоной 4s (Fe, Ni). При сближении атомов на межатомные расстояния зоны энергетических подуровней перекрываются, и перемещение электронов на более высокие энергетические подуровни происходит даже при небольшом внешнем электрическом поле.

Внеметаллах с ковалентной и молекулярной межатомной связью валентные зоны атомов заполнены электронами полностью

иотделены от энергетической зоны проводимости зоной запрещенных энергий. В некоторых из таких материалов при нагреве часть

валентных электронов преодолевает зону запрещенных энергий, и появляется электропроводность – это полупроводники.

Материалы с особыми электрическими свойствами разделяют по значению удельного электросопротивления на проводники (10 8…10 5 Ом м), полупроводники ( 10 5…10 8 Ом м) и диэлек-

трики ( 10 8…10 16 Ом м), а ширина их запрещенной зоны 0…0,05; 0,05…3 и более 3 эВ соответственно.

Электросопротивление проводников зависит от длины свободного пробега электронов, движущихся под действием внешнего

4

электрического поля. Сопротивление движению электронов возрастает при увеличении амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки, а также при повышении плотности дефектов кристаллического строения и содержания атомов примесей.

Кроме электрических свойств проводниковых материалов (удельное электросопротивление , удельная электропроводность1 ), важны их тепловые свойства (удельная теплоемкость , Тпл,

температурный коэффициент электросопротивления d t), механические свойства, коррозионная стойкость, технологические свойства. По назначению проводниковые материалы можно разделить на группы:

материалы высокой проводимости;

материалы высокого электросопротивления;

материалы для электроконтактов;

материалы для электровакуумных приборов.

1.1. Материалы высокой электропроводности

К группе материалов высокой электропроводимости (1 мкОм м) относят Cu, Al, Ag, Au, Fe, Pt.

Медь используется в виде проволоки, прокатного профиля, ленты, фольги, полос, прутков. Наиболее чистая медь марки М00б (бескислородная, суммарное содержание примесей 0,01 %), М0б (примесей 0,03 %) и М1 (0,1 % примесей). Медь отожженная ММ ( В = 220…250 МПа и нагартованная) МТ ( В = 340…390 МПа).

К недостаткам меди относятся:

сильная зависимость от примесей и температуры;

большая плотность (8,9 г/см3);

дефицитность;

недостаточная прочность и твердость.

Поэтому в отдельных случаях медь заменяют латунями, бронзами, железом и другими проводниками. Например, кадмиевая бронза БрК1 сопротивляется истиранию в 3 раза лучше, чем медь, поэтому ее применяют для токоведущих элементов, работающих на

5

трение (троллейбусные провода, коллекторные пластины и др.). Проволока и лента из бериллиевой бронзы применяются для изготовления пружин, пружинящих контактов и других немагнитных элементов приборов.

Алюминий в электротехнике применяется высокочистый АД0ч (0,02 % кремний) и технической чистоты АД000, АД00, АД0 (0,2; 0,3 и 0,5 % примесей). Алюминий в 3,3 раза легче меди, но при равном электросопротивлении с медью вес его провода лишь в 2 раза меньше медного. Он обладает высокой коррозионной стойкостью, но хуже паяется. Алюминий пластичен, из него изготавливают тонкую проволоку и фольгу, а также шины, кабельные изделия, провода линий электропередач обмоточные провода, оболочки кабелей вместо дефицитного свинца.

К недостаткам алюминия следует отнести его низкую механическую прочность и трудность обеспечения хорошего электрического контакта при пайке. Повышение прочности проводникового алюминия достигается введением упрочняющих элементов кремния и магния. Для линий воздушных электропередач широко применяется сплав альдрей, который содержит 0,3–0,5 % Mg; 0,4–0,7 % Si; 0,2–0,3 % Fe.

Прочность этого сплава достигает В = 36 кгс/мм2, а электропроводность равна 90 % от электропроводности чистого алюминия.

Техническое железо имеет значительно большее удельное электрическое сопротивление, чем медь и алюминий, тем не менее оно нашло применение в качестве проводникового материала благодаря низкой стоимости, недифицитности, высокой прочности и хорошим технологическим свойствам.

Проводниковая сталь (0,1–0,15 % С, В = 300…700 МПа)

применяется для проводов телефонных и телеграфных линий, распределительных шин, тросов заземляющих устройств, рельсов трамваев и железных дорог. Сечение провода определяется не электропроводностью, а прочностью железа.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты.

6

Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи повышенной частоты вследствие скин-эффекта распространяются по наружному слою провода. Сердцевина из стали воспринимает силовую нагрузку. Покрытие создается гальваническим способом или плакированием. Наружный медный слой предохраняет железо от атмосферной коррозии.

Биметаллический провод используют в линиях связи и электропередачи. Кроме того, из биметаллического материала изготавливают шины для распределительных устройств, различные токопроводящие части электрических аппаратов.

1.2. Материалы высокого электросопротивления

По назначению материалы высокого электросопротивления подразделяются на группы:

материалы для точных (прецизионных) электроизмерительных приборов и образцовых сопротивлений;

материалыдля резисторов (реостатов) различногоназначения;

материалы для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.

Ко всем данным материалам предъявляются следующие требования:

большое значение удельного электросопротивления;

низкое значение температурного коэффициента;

хорошая технологичность;

высокая коррозионная стойкость;

недифицитность.

Сплавы для точных резисторов, образцовых мер, измерительных приборов и вычислительных машин должны отличаться исключительно высокой временной и температурной стабильностью параметров и обладать малой термоэдс в паре с медью во избежание погрешности от дополнительного источника ошибок.

7

Одним из наиболее стабильных сплавов является классический манганин марки МНМц 3-12, выпускаемый в виде проволоки диаметром от 0,05 мм и более, а также в микропроводах диаметром 3–10 мкм в стеклянной изоляции.

Манганин применяют в образцовых сопротивлениях, в магазинах, уравновешенных мостах для добавочных сопротивлений и шунтов электроизмерительных приборов высокого класса. Новые манганины или радиоманганины отличаются в 3–5 раз большим удельным сопротивлением, нулевым или отрицательным температурным коэффициентом и термоэдс, благодаря чему могут использоваться в качестве компенсирующих и стабилизирующих элементов цепей.

Константан относится к менее прецизионным сплавам. Его применяют для изготовления реостатов, потенциометров, самолетных нагревательных устройств (антиобледенителей, обогревателей приборов и аккумуляторов, костюмов экипажей и т.д.).

Важной особенностью константановой проволоки является получение на ней оксидной изоляции при специальной термообработке, что позволяет изготавливать обмотку реостатов без дополнительной электрической изоляции. Взамен константана в ряде случаев применяют более дешевый нейзильбер, содержащий около

20 % Zn.

Важнейшее требование к материалам нагревательных элементов высокая жаростойкость (стойкость к газовой коррозии до 800– 1200 С). Широко применяемыми сплавами для высоких температур являются сплавы Ni Cr Fe; Cr Ni; Fe Cr Al (ферронихромы, нихромы и хромали).

На качество этих сплавов существенное влияние оказывает содержание хрома, придающего сплаву высокую тугоплавкость. Несмотря на хорошее сочетание свойств нихромов, они в последнее время все чаще заменяются более дешевыми сплавами на основе железа (фехрали, хромали).

При температурах выше 1200 С (в вакуумных печах) используют сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Ta). Для из-

8

готовления нагревателей электрических печей (до 1500 С) применяют также керамические материалы, например силитовые стержни, которые спекают из карбида кремния. Силит является полупроводниковым материалом и имеет высокое электросопротивление. Раcпространены также нагреватели из дисилицида молибдена

(MoSi2).

Применяются эти материалы для изготовления нагревательных элементов электропечей, бытовых и других приборов, а также в нагрузочных реостатах и датчиках деформации.

Никелевые сплавы применяют в датчиках измерения температуры (термопарах). В термопарах используют, как известно, эффект Зеебека, заключающийся в том, что в замкнутой цепи из последовательно соединенных разнородных проводников возникает термоэдс, если температуры контактов различны.

Наибольшее распространение для этих целей получила пара хромель копель (90 % Ni и 10 % Cr 56 %Cu и 44 % Ni), которая может работать до температуры 600 С. Для измерения более высоких температур применяются термопары хромель алюмель (95 % Ni, остальное Al, Si, Mn), работающие до температур 1200 С,

иплатина платинородий для температур до 1600 С.

1.3.Контактные материалы

Взависимости от характера работы электрические контакты подразделяются на следующие группы:

неподвижные (зажимные и цельнометаллические);

разрывные (реле, контакторы);

подвижные (регуляторы напряжений, движки потенциометров, скользящие контакты).

Неподвижные контакты применяют для длительного соединения двух или нескольких проводников и могут быть цельнометаллическими (сварные, паяные) и зажимными (клеммы, винтовые

идругие соединения).

9

Основными материалами, образующими цельнометаллические контакты, являются припои и сварочные присадки. Особенности припоев: низкая температура плавления, высокая смачивающая способность, способность к диффузии для увеличения прочности контакта, достаточная механическая прочность паяного шва, низкое электросопротивление и высокая коррозионная стойкость.

Соединение сваркой осуществляется местным расплавлением соединяемых поверхностей или спеканием их под давлением ниже температуры плавления.

Сплавы, используемые при пайке металлов высокой проводимости припои, должны обеспечивать небольшое переходное электросопротивление (сопротивление контакта). Различают два вида припоев мягкие и твердые. Мягкие припои легкоплавкие металлы или их эвтектические сплавы, имеющие температуру плавления 60–300 С. Они жидкотекучи и обеспечивают плотное герметичное соединение, но обладают невысокой прочностью.

Для получения хорошего соединения припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем металл, подвергающийся пайке; в расплавленном состоянии припой должен хорошо смачивать поверхности. Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть близки. Для этих целей используют припои на основе олова, свинца, цинка, серебра, имеющих хорошую электрическую проводимость. Сплавы этих металлов образуют эвтектические смеси, электросопротивление которых мало отличается от металлов, образующих сплав.

В приборостроении для низкотемпературной пайки применяют оловянно-свинцовые и оловянно-цинковые припои.

Сплавы олова и свинца эвтектического типа (61 % Sn и 39 % Pb) имеют низкую температуру плавления (183 С) и хорошую жидкотекучесть, что обеспечивает качественное формирование шва и высокие механические свойства. Такой сплав обозначают ПОС-61. Применяют также сплавы доэвтектического ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50 и заэвтектического ПОС-90 составов. Цифра в марке указывает на содержание олова. Припои такого типа имеют

10