Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
4.5.1. Криопроводники
Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления ρ, ко-
торое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление
при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами,
называют криопроводниками (гиперпроводниками). Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в
криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность
тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование
в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются
высокие требования по надежности и взрывобезопасности.
Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п.
имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками. Если
в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам — жидкому водороду или даже жидкому
азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства.
Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают
при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.
В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.
4.5.2. Сверхпроводники
При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается, и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю. В 1911 году при
охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский
ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление р
кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое
состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой
происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют темпе-
171
ратурой сверхпроводимого перехода, или критической температурой перехода
. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повыше-
Т
кр
нии температуры до Т
материал возвращается в нормальное (непроводящее)
кр
состояние.
Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный
в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом
без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному
магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.
В 1933 году немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили,
что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся
идеальными диамагнентиками, т.е. их магнитная проницаемость µ скачком па-
дает от µ = 1 до µ = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверх-
проводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника
(рис. 4.1).
Рис. 4.1. Магнитное поле с введенным в него
сверхпроводником
Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Т
. Поэтому устройства, в которых используются сверхпровод-
кр
ники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура
сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и
удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.
Кроме ртути, сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам
(химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям.
Однако такие металлы, как серебро и медь при самых низких температурах, до-
172
стигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние
не удалось.
Возможности использования явления сверхпроводимости определяются
значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Т
ской напряженности магнитного поля Н
кр
.
и критиче-
кр
Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.
К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением
ниобия, ванадия, теллура.
Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля Н
кр
.
В радиотехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку
сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.
К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых
сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия, и до настоящего
времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники [1].
Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:
– при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит
не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;
– некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно
высокие значения критической температуры перехода Т
высокие значения критической магнитной индукции В
кр
, но и относительно
кр
;
– при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;
– имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;
– зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.
По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:
– сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать
проволоку и ленты (ниобий, сплавы ниобий-титан [Nb-Ti], ванадий-галлий [V-Ga]);
173
– трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получа-
ют изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).
Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло
металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала
сверхпроводника при случайном повышении температуры. В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число
тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.
Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:
– критическая температура перехода Т
вышает Т
объемных материалов;
кр
в ряде случаев значительно пре-
кр
– большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник I
меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее со-
кр
стояние.
Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и
трансформаторов малых масс и размеров с высоким коэффициентом полезного
действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и
устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной
техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать
максимально возможные значения напряженности магнитного поля.
Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведены в таблице 4.5.
174
Основные свойства некоторых
Мягкие сверхпроводники
Твердые сверхпроводники
44 % Nb +
50 % Nb +
Наибольшее
магнитной индук-
сверхпроводниковых материалов
Таблица 4.5
Параметр
значение:
температуры
перехода Т
ции перехода В
Тл
кр0
, К
кр0
Al Hg Pb Nb
1,2 42 7,2 9,4 8,7 9,5 14 18
,
0,010 0,041 0,080 0,195 12 11 50 22
+ 56 % Ti
+ 50 % Zr
V3Ca Nb3Sn
4.6. Материалы высокого сопротивления
В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные
пленки, проводниковые композиции.
Материалы высокого сопротивления по назначению можно разделить
на проводниковые резистивные материалы, пленочные резистивные материалы,
материалы для термопар.
4.6.1. Проводниковые резистивные материалы
Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).
К проволочным резистивным материалам предъявляются следующие
требования:
– удельное электрическое сопротивление ρ при нормальной температуре
не менее 0,3 мкОм-м и высокая стабильность его значения во времени;
– малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью;
– малый температурный коэффициент удельного электрического сопро-
тивления ТК
;
ρ
– технологичность.
175
В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов),
Параметр
Манганин
Константан
Нихром
Плотность D, кг/м3
8400
8900
8200…8300
Удельное электрическое
Температурный коэффициент
Коэффициент термоЭДС
Предел прочности
Относительное удлинение
Рабочая температура Т
, °С
200
400
1000
резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с заметно деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов. Для получения проволоки разного диаметра, применяемой
для изготовления проволочных резисторов различного назначения, наибольшее
распространение получили сплавы на основе меди и никеля. Важнейшие электрические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения
меди и никеля.
Манганин — сравнительно пластичный сплав, получивший свое название
из-за содержания в нем марганца (от лат. manganum). Его примерный состав:
медь Сu — 85 % (большое содержание меди придает сплаву желтоватый цвет),
марганец Мn — 12 %, никель Ni — 3 %.
Основные свойства манганина приведены в табл. 4.6.
Таблица 4.6
Основные свойства проводниковых сплавов
с высоким сопротивлением
сопротивление ρ, мкОм⋅м
удельного электрического сопротивления ТКρ, К
-1
в паре с медью, мкВ/К
при растяжении σр, МПа
при разрыве ∆l/l, %
0,42…0,48 0,48…0,52 1,1…1,2
(6…50)⋅10-6 –(5…25)⋅10-6 (100…200)⋅10
1…2 45…55 –
450…600 – 650…700
15…30 20…40 25…30
-6
Для обеспечения малого значения температурного коэффициента удель-
ного электрического сопротивления ТК
ного электрического сопротивления ρ манганин подвергают отжигу в вакууме
раб
и стабильности коэффициента удель-
ρ
176
при температуре примерно 550–600 °С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждением. Иногда дополнительно отжигают намотанные катушки
при температуре 200 °С.
После прокатки и волочения из манганина можно получить проволоку
диаметром до 0,02 мм. При температуре 60 °С манганиновая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, повышенной нагрево- и
влагостойкостью.
Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов.
К недостаткам манганинового микропровода относят невысокую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции.
Константан представляет собой твердый раствор никеля и меди, получивший свое название за высокое постоянство коэффициента удельного электрического сопротивления ρ (константа) при изменении температуры. Вредной
примесью для константана является сера S, образующая с никелем эвтектику
с низкой температурой плавления. При этом связь между зернами сплавляемых
компонентов нарушается, и переработка слитков в проволоку становится невозможной. Эвтектика способствует развитию межкристаллитной коррозии.
Для устранения вредного влияния серы в состав сплава вводят марганец. После гомогенизации константановые слитки подвергают прокатке и волочению и
протягивают в проволоку диаметром до 0,02 мм. Ориентировочный состав константана: медь Сu — 58,5 %, никель Ni — 40 %, марганец Мn — 1,5 %. Основные свойства константана см. в табл. 4.6.
Нагревостойкость константана выше, чем манганина, предельно допустимая температура при длительной работе достигает 500 °С. При нагревании
до высоких температур (примерно 900 °С) константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан
для изготовления реостатов, резисторов и электронагревательных элементов
без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает сравнительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство
константана позволяет использовать его в паре с медью или железом для изготовления термопар. Константан применяют для изготовления потенциометров,
гасящих резисторов.
177
Широкому применению константана препятствует его повышенная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.
К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования:
– высокий коэффициент удельного электрического сопротивления ρ;
– малый температурный коэффициент удельного электрического сопро-
тивления ТК
;
ρ
– длительная работа на воздухе при высоких температурах (иногда
до 1 000°С и даже выше);
– технологичность;
– невысокая стоимость и доступность компонентов.
К нагревостойким сплавам относят сплавы на основе железа, никеля,
хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые
образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку.
Нихромы представляют собой твердые растворы никель-хром (Ni-Cr) или
тройные сплавы никель-хром-железо (Ni-Cr-Fe).
Железо вводится в сплав для обеспечения лучшей обрабатываемости и
снижения стоимости, но, в отличие от никеля и хрома, железо легко окисляется,
что приводит к снижению нагревостойкости сплава; содержание хрома придает
высокую тугоплавкость оксидам. Близость значений температурных коэффициентов линейного расширения ТКl этих сплавов и их оксидных пленок повышает
стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре воздуха. Растрескивание оксидных пленок происходит при резких сменах температуры. В результате кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и продолжает
процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении
электронагревательного элемента из нихрома он перегорает значительно быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения
срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку
помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью (магнезий Mg). Такие
нагревательные элементы применяют, например, в электрических кипятильниках, которые могут работать длительное время.
Нихромовая проволока применяется для изготовления проволочных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пленочных резисторов
интегральных схем.
178
Плавка нихромовых сплавов осуществляется в высокочастотных вакуум-
h
ρ
ТК
ных печах. Полученные после плавки отливки обжимаются до 12 мм, а затем
на волочильных станах изготавливают проволоку диаметром до 0,12 мм.
Как и константаны, нихромы содержат большое количество дорогого дефицитного никеля.
Хромоалюминиевые сплавы фехраль и хромель намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевле и менее дефицитны. Однако они менее технологичны, более твердые и хрупкие. Из них получают проволоку большего диаметра и ленты с большим поперечным сечением, поэтому
их используют в электронагревательных устройствах большей мощности и
промышленных электрических печах.
4.6.2. Пленочные резистивные материалы
Пленочные резистивные материалы получают из исходных материалов
в процессе получения самих резистивных пленок. Свойства таких резистивных
пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изоляционные основания (подложки) методом термического испарения в вакууме; катодным, реактивным и ионоплазменным
распылением, электрохимическим и химическим осаждением и др. В качестве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, слоистые пластики и др.
К материалам, применяемым для изготовления пленочных резисторов,
предъявляются следующие требования: возможность изготовления стабильных
во времени резисторов с низким температурным коэффициентом удельного
электрического сопротивления ТКρ, хорошая адгезия к подложкам, высокая
коррозионная стойкость и устойчивость к длительному воздействию высокой
температуры.
В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют
на металлопленочные и металлооксидные, композиционные, углеродистые.
Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резисторов
применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, палладий, рений,
вольфрам и сплавы на их основе.
Металлопленочные резисторы обладают следующими свойствами:
– толщина тонких резистивных пленок 1–10 мкм;
– повышенные значения удельного поверхностного сопротивления ρ
;
h
– низкие значения температурного коэффициента поверхностного электрического сопротивления
;
179
– температурный коэффициент удельного электрического сопротивления
ТКρ пленок толщиной менее нескольких нанометров отрицателен;
– мелкозернистая структура;
– удельное объемное сопротивление пленок зависит от толщины и боль-
ше, чем у исходных материалов.
В зависимости от толщины пленок и условий их нанесения параметры
металлопленочных резисторов можно регулировать в широком диапазоне.
Для повышения электрического сопротивления резистивных пленок из титана и
тантала их наносят реактивным распылением в атмосфере азота, кислорода или
углерода, т.е. совмещают процессы получения проводящих и диэлектрических
слоев в одном цикле с использованием одного и того же материала. При окислении на поверхности металлических пленок образуются оксиды титана и тантала, которые обладают хорошими диэлектрическими свойствами.
Пленочные резисторы из рения и вольфрама получают методом катодного распыления и защищают тонким слоем двуокиси кремния для стабилизации
электрического сопротивления. Такие пленочные резисторы обладают следующими свойствами: электрическое сопротивление в несколько тысяч Ом
на квадрат поверхности, низкий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ, высокая стойкость к окислению, способность
работать при высоких удельных нагрузках, способность работать при повышенных температурах.
В качестве резистивных материалов на основе металлов применяют многокомпонентные металлосилициевые сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, содержащие кремний Si. Для повышения удельного
электрического сопротивления в их состав вводят до 20 % лантаноидов. Исходные материалы в виде порошков тщательно перемешивают и помещают в испаритель установки термовакуумного напыления. При испарении происходит реакция между окислом лантаноида и кремнием, в результате которой получают
силицид лантаноида LaSi
и моноокись кремния SiO (испаряется одновременно
2
с металлосицилием).
Сплавы марки PC содержат кремний и легирующие компоненты (хром,
никель, железо). Их выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц
40–70 мкм и применяют для получения тонкопленочных, в том числе и прецизионных, микросхем общего и частного применения.
Сплавы марки МЛТ содержат кремний, хром, железо, никель, алюминий,
вольфрам, а некоторые из них — лантаноиды. Их выпускают в виде мелкозернистых порошков.
180