Проводниковые материалы высокого сопротивления

Проводниковые материалы высокого сопротивления представляют собой сплавы металлов, обладающих большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом удельного сопротивления, что позволяет создавать из них термостабильные резисторы и другие изделия, сопротивление практически не зависит от температуры. Такими сплавами являются твердые растворы с неупорядоченной структурой. Основными представителями этой группы проводниковых материалов являются сплавы меди с никелем.

Манганин– сплав 84-86% меди, 2-3 % никеля и 12-13 % магния. В отожженном состоянии имеет=450-550 Мпа,=0,42-0,47мкОм.м; в твердом состоянии – 550-600 Мпа и 0,47-0,53 мкОм.м соответственно, ТКр-(1-6)10^-51/^оC.

Для увеличения в сплав вводят повышенное содержание магния до 60-67% и никеля – 16-30%, уменьшая содержание меди. При этомувеличивается до 1,5 – 2 мкОм.м.

Наибольшая допустимая температура для изделий из стабилизированных сортов манганина – 200^оС, для нестабилизированных – 60^оС. При превышении указанных температур происходит необратимое изменение свойств манганиновых изделий. Достоинством манганиновых изделий является малая зависимость электрического сопротивления от температуры и весьма малая термо-ЭДС в контакте с медью. Сопротивление манганиновой проволоки линейно возрастает с увеличением давления от 1 до 1 Гпа приблизительно на 2,5% от исходного при отсутствии давления. Это используется при изготовлении датчиков, измеряющих высокие гидростатические давления.

Из манганина изготавливают мягкие и твердотянутые проволоки диаметром 0,02 – 6 мм и ленты толщиной 0,08 мм, применяемые при производстве резисторов и потенциометров высоких классов точности.

Константан– сплав 58-60% меди, 32 –40 % никеля и 1- 2 % магния. ТКр=(0-6)10^-51/^оС, т.е. электрическое сопротивление многих составов константана при изменении температуры практически не изменяется.

Термо- ЭДС константана в паре с медью имеет большое значение (порядка 42,8 мкВ/⁰С), что не позволяет использовать проволоку и ленту из него в высокоточных измерительных приборах.

Из константана изготавливают проволоку диаметром 0,03…5 мм и ленту толщиной до 0,1 мм.

Изолированную константановую проволоку применяют в паре с медной проволокой для изготовления термопар.

Константановые изделия могут применяться до температур не выше 500^оС.

СПЛАВЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА.

Сплавы на основе железа применяют в основном для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно большого количества металлов, образующих при нагреве на воздухе практически сплошную окисную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий.

сплавы системы Fe-Ni-Crназываютнихромами:они содержат 15-23% хрома, никеля, 1-1,5% марганца и остальное- железо. Срок службы элементов из нихрома и других жаростойких сплавов зависит от свойств окисных пленок, образуемых на поверхностях, соприкасающихся с воздухом при высокой температуре. Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома может быть во много раз увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревателях проволоку из сплава с высоким сопротивлением помещают в трубках из стойкого к окислению металла, например- алюминия, а промежуток заполняют порошком с высокой теплопроводностью, например магнезиейMgO. При дополнительной протяжке этих трубок через фильеру, наружный диаметр трубки уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяют в электросамоварах, кипятильниках, плитках.

Нихром достаточно технологичен и имеет высокую рабочую (до 1000⁰С) температуру.

Хромоалюминиевые сплавы с высоким сопротивлением структуры Fe-Cr-Al(фехраль и хромаль) намного дешевле нихрома, но менее технологичным, т.к. они тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки более большего диаметра чем из нихрома. Поэтому из них изготавливают нагревательные элементы большей мощности, применяемые в электротермии.

Металлокерамические материалы.

Материалы, полученные прессованием из металлических порошков с последующим спеканием при температурах 1000-1400⁰С, называют металлокерамическими.

Исходные порошкообразные массы состоят из двух и более порошков различных металлов, одни из которых обладают более высокой температурой плавления. При высокотемпературной обработке – спекании - более легкоплавкий металл заполняет поры между частицами более тугоплавкого металла. В результате получаются монолитные металлокерамические изделия.

Иногда в исходную массу, состоящую из металлических порошков, вводят порошок неметалла, например, графита. Этим достигается получение необходимых свойств металлокерамических изделий.

К металлографитовым изделиям относятся меднографитовые щетки для электрических машин, контакты, отличающиеся высокой устойчивостью к свариванию при размыкании больших токов (до 100000 А). Меднографитовые изделия имеют очень малое удельное сопротивление (=0,02 – 0,05 мкОмм) и обладают высокой стойкостью к электрической дуге, технологичны и имеют хорошие эксплуатационные характеристики. Их применяют в электрических машинах с тяжелыми условиями работы – в токонесущих устройствах электровозов и троллейбусов.

Неметаллические проводниковые материалы.

Среди твердых неметаллических проводниковых материалов наибольше значение имеют материалы на основе углерода – электротехнические угольные изделия. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, дуговых электрических печей, электролитических ванн, аноды гальванических цепей.

Угольные порошки используют в микрофонах. Из угля делают высокоомные сопротивления, его применяют в электровакуумной технике.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий используют сажу, графит или антрацит. Изделия изготавливаются прессованием с последующим спеканием. При температурах обжига (~2000⁰С) углерод искусственно переводится в форму графита, вследствие чего процесс называют графитированием.

Угольные порошки для микрофонов изготавливают из антрацита, они имеют = 0,4 Омм.

Сажа представляет мелкодисперсный углерод с примесями смолистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента введена сажа, имеют малое удельное сопротивление.

Проводящие и резистивные пасты.

Для нанесения электродов керамических конденсаторов, изготовления проводников и резисторов толстопленочных микросхем широко используют проводящие и резистивные пасты. Пасты обычно наносят методом вжигания при температуре ~825^oC; толщина слоя пасты ~10мкм. Наиболее широкое применение нашли пасты для серебрения керамики на основе окиси серебраAg₂O₃и углекислого серебраAg₂CO₃. В микроэлектронике применяют пасты на основе и других благородных металлов – золота, платины, палладия, а также кадмия, таллия, сурьмы, карбида вольфрама, борида вольфрама, молибдена, нитрида тантала и др.

Приготовление паст и их нанесение требует строгого соблюдения технологии, т. к. даже незначительное ее нарушение может привести к изменению функциональных свойств паст и, соответственно, изделий, которые из них изготавливаются.

Контрольные вопросы.

1. На какие группы делят проводниковые материалы?

2. Приведите основные характеристики проводниковой меди.

3. Приведите основные характеристики бронз и латуней.

4. Приведите основные характеристики проводникового алюминия.

5. Что представляют проводниковые материалы высокого сопротивления?

6. Перечислите основные свойства манганина и константана.

7. Что представляют электроугольные проводниковые материалы?

8. Что представляют металлокерамические проводниковые материалы?