Электротехнические материалы

удельное электросопротивление = 0,14…0,21 мкОм м и применяются для пайки очень тонких проводов из меди и медных сплавов, а также в тех случаях, когда недопустим высокий нагрев в зоне пайки.

Сплавы олова и цинка также образуют диаграмму эвтектического типа. Наилучшим припоем является сплав ПОЦ-90, отвечающий эвтектическому составу: 90 % Sn и 10 % Zn. Сплав имеет самую низкую температуру плавления из всех сплавов этой системы, равную 199 С. Сплавы ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40, так же как

иПОЦ-90, используют для пайки алюминия и его сплавов.

Втех случаях, когда требуется очень низкая температура на-

грева ( 100 С), для пайки используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием.

Припои для высокотемпературной пайки обеспечивают более прочное соединение, чем для низкотемпературной, так как вследствие высокой температуры нагрева происходит взаимная диффузия элементов основного металла и припоя. Переходное электросопротивление таких припоев ниже, чем низкотемпературных припоев. В качестве высокотемпературных припоев используют медь, медноцинковые и медно-фосфористые припои, а также припои, содержащие серебро. Медно-цинковые припои ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54 (цифра указывает содержание меди) имеют удельное сопротивление в пределах 0,03…0,04 мкОм м; температура плавления их при увеличении содержания меди возрастает от 825 до 880 С. Применение медно-фосфористых припоев ПМФ7 (цифра указывает процентное содержание фосфора) позволяет вести пайку меди без флюса, что на практике удобнее и проще.

Припои, содержащие серебро, очень технологичны, так как обладают хорошей растворимостью и смачиваемостью; они пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое переходное электросопротивление. Кроме серебра, содержание которого указывает цифра в марке, припой содержит медь или медь с цинком. В припоях ПСр-72, ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10 удельное

11

электросопротивление возрастает от 0,022 до 0,065 мкОм м, температура плавления соответственно изменяется от 779 до 920 С.

Недостатком твердых припоев является необходимость применения вместо паяльника более мощных нагревательных устройств (паяльных ламп, газовых горелок, электропечей и др.).

Флюсы восстановители или кислотные вещества, образующие растворимые соли. Они предназначены для удаления окислов с соединяемых поверхностей и улучшения смачиваемости. При пайке мягкими припоями в качестве флюса применяется канифоль или стеариновая кислота, для твердых припоев борная кислота, бура, расплавленные хлориды и др.

Контактное сопротивление зависит от способности соединения образовывать реальные контактные участки, что определяется контактным давлением и способностью материала контакта к пластической деформации. Поэтому для зажимных контактов применяют пластичные материалы (медь, алюминий, серебро и др.). Для защиты контактов от коррозии их часто покрывают более мягкими материалами: оловом (лужение меди), серебром, кадмием, цинком.

Алюминиевые контакты сильно окисляются, что увеличивает их контактное сопротивление. Для предотвращения окисления

вразъемы алюминиевых кабелей помещается паста, состоящая из 50 % вазелина и 50 % цинкового порошка. Цинк, являясь анодом по отношению к алюминию, предохраняет провод от окисления.

Вразрывных, периодически замыкающихся и размыкающих-

ся контактах во время работы возникают электрические разряды

вформе искр или дуги, ведущие к усиленному физическому или химическому износу. Трение в этих условиях способствует механическому износу.

Материалы разрывных контактов должны обладать высокой электро- и теплопроводностью, эрозионной и коррозионной стойкостью, несвариваемостью и механической прочностью. Сплавы ме-

таллов платиновой группы (платина, палладий, иридий, серебро) лучшие материалы для слаботочных (маломощных) контактов, где

12

электрическая дуга не возникает и главным требованием является высокая коррозионная стойкость.

Всредне- и сильнонагруженных контактах главной причиной разрушения являются разряды. Исследования показали, что чем выше температура плавления, твердость и скрытая теплота испарения, тем более стойкими являются контакты.

Поэтому для мощных разрывных контактов (свыше 1 кВт) применяются композиции из тугоплавких (W, Mo) и высокопроводящих (Cu, Ag) металлов, изготовленных методом порошковой металлургии.

Вольфрам, благодаря своей тугоплавкости, хорошо сопротивляется электроэрозионному изнашиванию. Несмотря на окисление, вольфрам имеет невысокое и устойчивое переходное электросопротивление, так как он достаточно электропроводен, а оксидная пленка вольфрама при работе контакта разрушается. Кроме того, такие контакты не свариваются при эксплуатации, поэтому их применяют при частых переключениях. Такое же назначение имеют сплавы вольфрама с молибденом. Содержащие 40–50 % Мо, эти сплавы обладают высоким сопротивлением электроэрозионному изнашиванию, но вследствие образования непрерывного ряда твердых растворов их переходное и общее электросопротивление велики. Сплавы обладают пониженным сопротивлением газовой коррозии, так как молибден и вольфрам образуют легко испаряющиеся оксидные пленки. Такие сплавы можно использовать для мощных контактов, но в среде инертных газов или в вакууме. Сплавы вольфрама с 45 % Мо используют также для нитей накаливания электрических ламп

икатодов.

Внаиболее мощных контактах используют спеченные композиции вольфрама с серебром или медью либо спекают пористый вольфрам, который затем в вакууме пропитывают жидкой медью или серебром.

Разработан способ обработки серебряно-медных контактов метод внутреннего окисления. Сплав СОМ-10, содержащий 10 % Cu, подвергают длительному (50 ч) окислению при 700 С на возду-

13

хе. Благодаря большой растворимости и скорости диффузии кислорода в серебре (в -фазе) он проникает в металл и окисляет менее благородную медь ( -фазу). В результате такой обработки получается композиционный материал: в серебряной матрице равномерно распределены оксиды меди. Наличие оксидов меди повышает сопротивление свариванию и стойкость против электроэрозионного изнашивания. Такие сплавы применяют в тяжелонагруженных контактах. Кроме того, такие материалы можно использовать в скользящих контактах.

Кподвижным контактам относятся движки потенциометров

искользящие контакты между щеткой и коллектором электрических машин.

Движки потенциометров должны обладать большой износостойкостью, коррозионной стойкостью и электропроводностью. При малом контактном давлении, когда окисные пленки не разрушаются, используют материалы с высокой коррозионной стойкостью. Это сплавы на основе элементов платиновой группы (платина с иридием, платина с никелем). Для контактов с большим давлением (когда окисные пленки разрушаются) используются менее кор- розионно-стойкие материалы (серебро, серебро с палладием и др.).

Скользящие контакты служат для обеспечения электрического соединения между подвижными и неподвижными частями электрических машин и включают электрощетки и коллекторные сегменты (кольца). К материалам скользящих контактов предъявляются следующие требования: высокая электропроводность, хорошая износостойкость, неискрящаяся коммутация, коррозионная стойкость, малый коэффициент трения. Наиболее распространенными материалами скользящих контактов электрических машин

являются: для коллекторов и колец твердотянутая электролитическая медь, кадмиевая латунь и бериллиевые бронзы (ЛС59-1, ЛМц58-2, БрКд1, БрБ2 и т.д.), серебро (для точных машин); для щеток композиции на основе естественного или синтетического графита (угольно-графитовые, электрографитированные и металлографитовые).

14

1.4. Сверхпроводники

Особой группой материалов с высокой электрической проводимостью являются сверхпроводники. С понижением температуры удельное электросопротивление всех металлов монотонно падает (рис. 1). Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение резко падает до нуля материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и у около 1000 сплавов.

Рис. 1. Изменение удельного электросопротивления в металлах (1) и сверхпроводниках (2) в области низких температур

Сверхпроводящие свойства имеют многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз ( -фаза, фаза Лавеса и т.д.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой. В результате этого электроны с противоположно направленными спинами спариваются (куперовские пары). Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. Все электронные пары располагаются на низких энергетических уровнях, где они перестают испытывать тепловые рассеяния, так как энергия, которую пара может получить от взаимодействия с ионами решетки, слишком мала, чтобы вызвать это рассеяние.

15

При повышении температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры Тк все куперовские пары распадаются, и состояние сверхпроводимости исчезает.

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К ( 263,83 С). Практическое применение нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ

и35БТ. Сплав 65БТ содержит 22–26 % Ti; 63–68 % Nb; 8,5–11,5 Zr

иимеет критическую температуру перехода 9,7 К ( 263,3 С). Для

Т= 4,2 К критические значения плотности тока и напряженности

магнитного поля составляют 2,8 106 А/м2 и (6…7,2) 106 А/м соответственно. Проволоку из сплава 35 БТ состава 60–64 % Ti; 33,5– 36,5 % Nb;1,7–4,3 % Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу (рис. 2).

Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитовбольшоймощности(например, поезда намагнитной подушке).

Способность сверхпроводников, являющихся диамагнетиками, «выталкивать» магнитное поле (эффект Майснера Оксенфельда) используют в магнитных насосах, позволяющих генерировать магнитные поля колоссальной напряженности, а также в криогенных гироскопах. Якорь гироскопа, изготовленный из сверхпроводника, «плавает» в магнитном поле. Отсутствие опор и подшипников устраняет трение и повышает долговечность гироскопа.

В 1986 г. было обнаружено, что такие вещества, как La2 xMxCuO4 (М = Ва, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. Позже в сплавах YBa2Cu3O7 переход в сверхпроводящее состояние происходил при температуре 173 С и выше. Такие вещества, названные

высокотемпературными сверхпроводниками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTiO3) и представляют собой керамику с характерным расположением атомов. Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора.

16

Рис. 2. Сечение сверхпроводникового кабеля: 1 чистая медь; 2 упрочняющая проволока; 3 сверхпроводящая жила (Ni3Sn); 4, 5 бронзовая оболочка; 6 припой

Сверхпроводящие свойства системы Y Ba Cu O зависят от соотношения двухвалентной и трехвалентной меди Cu2+/Cu3+; изменяя это соотношение, можно регулировать сверхпроводящие свойства. Получены сверхпроводники, имеющие температуру перехода от 168 С до 163 С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 104 А/см2, что меньше, чем для металлических «традиционных» сверхпроводников.

Разрабатываются новые материалы, обладающие бóльшей плотностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi2Sr2Ca2Cu3Ox, температура перехода которых достигает 158 С.

Криопроводники. К их числу относятся материалы, которые при сильном охлаждении (ниже 173 С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. Это объясняется тем, что при низкой температуре удельное сопротивление проводника обусловлено, как правило, наличием примесей и физическими дефектами решетки. Поскольку состав-

17

ляющая удельного сопротивления, обусловленная рассеиванием энергии за счет тепловых колебаний решетки, пренебрежимо мала, для криопроводников необходимо применять хорошо отожженный металл высокой чистоты, который обладает минимальным удельным сопротивлением врабочем диапазоне температур от 240 до 190 С.

Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота, самого дешевого хладагента, обладает бериллий. Однако он отличается плохой технологичностью, дорог, высокотоксичен, особенно в пылевидном состоянии. У бериллия сильно выражен магниторезистивный эффект. Использование алюминия в качестве криопроводящего материала более рационально, так как он более доступен, дешев и имеет низкие значения удельного электрического сопротивления в рабочем диапазоне температур. Например, алюминий марки А999, содержащий примесей не более 0,001 %, при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более

(1…2) 10 6 мкОм м.

Криопроводники применяются в основном для изготовления токоподводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких водорода ( 252,6 С), неона ( 245,7 С) и азота

( 195,6 С).

Образование – это то, что остается, когда все выученное забыто.

Б.Ф. Скиннер

ЛЕКЦИЯ 2

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1.Строение и свойства полупроводниковых материалов

Кполупроводниковым относятся материалы, обладающие

удельным электросопротивлением в пределах 10 5 10+8 Ом м. К этим материалам относятся 12 элементов (табл. 1), представляю-

18

щие простые полупроводники, а также многие химические соединения элементов различных групп Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева (табл. 2).

Таблица 1 Ширина запрещенной зоны Е полупроводниковых элементов

Таблица 2

Ширина запрещенной зоны Е и структура сложных полупроводниковых фаз

Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний. Германий и кремний элементы IV группы, имеют кристаллическую решетку алмаза с ковалентным типом межатомной связи. В такой решетке каждый атом расположен в центре правильного тетраэдра и имеет четырех соседей, с которыми он вступает в ковалентную связь, достраивая свою валентную зону до восьми электронов. В результате каждый валентный элек-

19

трон становится «общим» для двух атомов и валентная зона каждого атома оказывается заполненной.

Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока. Для такого перехода электроны должны пройти зону запрещенных энергий Е (рис. 3, а), для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты. При нагреве увеличивается концентрация носителей электрического тока, а электросопротивление полупроводника уменьшается.

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так, у кремния ширина запрещенной зоны существенно больше, чем у германия, поэтому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электросопротивления до больших температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.

На месте электронов, ушедших в зону проводимости, в валентной зоне остаются свободные места «электронные дырки». Место этих дырок будут занимать другие (соседние) электроны валентной зоны.

Таким образом, перемещение электронов в одном направлении, а дырок в противоположном определяет собственную электропроводность полупроводника, поскольку носители тока (электроны и дырки) принадлежат собственным атомам полупроводника.

Наиболее ярко два механизма электропроводности полупроводников (электронная и дырчатая) проявляются под влиянием примесей, которые могут создавать значительное преобладание одного их этих механизмов над другим. Под примесями следует понимать специально вводимые в полупроводник инородные атомы, увеличивающие электронную или дырчатую проводимость.

20