Электротехнические материалы.

По своим электрическим свойствам материалы разделяются на:

1. Проводники (ρ = 10^-8 – 10^-5 Ом×м; с ростом температуры увеличивается).

2. Полупроводники (ρ= 10^-5 – 10⁸ Ом×м; с ростом температуры уменьшается).

3. Диэлектрики (ρ = 10⁸ – 10¹⁶ Ом×м).

Материалы высокой электрической проводимости

Высокая проводимость металлов обусловлена строением электронной оболочки их атомов (металлическая связь). Самую высокую проводимость имеют непереходные металлы Cu, Au, Ag, Al, Na, меньшую – переходные металлы Fe, Cr, Ni и т.д. Электрическое сопротивление металла складывается из сопротивления, вызванного тепловым рассеиванием и примесным рассеиванием. В меньшей степени сопротивление увеличивают деформация и остаточные напряжения.

Влияние легирующих элементов на проводимость сплавов зависит от вида образующихся фаз:

- при образовании твёрдых растворов электрическое сопротивление меняется в соответствии с правилами Н.С. Курнакова – нелинейно, проходя через пологий максимум в области 50%;

- при образовании промежуточных фаз электрическое сопротивление резко изменяется, эти фазы имеют полупроводниковый характер проводимости (электронные фазы, фазы Лавеса, фазы внедрения, σ-фазы).

При образовании смесей из различных фаз электрическое сопротивление подчиняется правилу Н. С. Курнакова. Сплавы уступают чистым металлам по электропроводности, но обладают более высокой твёрдостью и износостойкостью, а также температура их плавления ниже, (в случае наличия эвтектики в их структуре). Это позволяет получить материалы, удовлетворяющие различным требованиям электротехнической промышленности.

Деформация и остаточные напряжения незначительно влияют на проводимость чистых металлов, поэтому для них можно использовать наклёп с целью увеличения прочности. У сплавов наклёп сильно (до 25%) снижает электропроводимость, поэтому упрочнение достигается за счёт снижения проводимости.

В зависимости от применения проводниковые материалы подразделяются на:

1. Металлы и сплавы высокой проводимости

2. Припои

3. Сверхпроводники

4. Контактные материалы

5. Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Металлы и сплавы с высокой проводимостью кроме низкого электрического сопротивления должны быть:

- прочными

- пластичными

- коррозионно стойкими в атмосферных условиях

- обладать высокой свариваемостью и хорошо паяться

- износостойкими (в особых случаях)

Припои

Припои – это сплавы, используемые при пайке металлов высокой проводимости. Припои должны сочетать в себе низкое переходное (контактное) сопротивление и достаточную прочность. Для этого они должны хорошо смачивать поверхность соединяемых металлов, иметь более низкую температуру плавления и высокую жидкотекучесть, а температурные коэффициенты их расширения должны быть близки.

Припои бывают двух типов:

- для низкотемпературной пайки (Т_пл < 400^оС);

- для высокотемпературной пайки (Т_пл > 400^оС);

Наиболее широко используются припои на основе Sn, Pb, Zn, Ag. Они имеют высокую электропроводность и образуют эвтектики, сопротивление которых мало отличается от сопротивления самих металлов.

Для низкотемпературной пайки в основном применяются оловянно-свинцовые и оловянно-цинковые сплавы. Сплав олова и свинца эвтектического типа содержит 61% олова и 39% свинца (ПОС-61, Т_пл = 183^оС). Применяются также доэвтектические (ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50) и заэвтектические (ПОС-90) сплавы.

Оловянно-цинковые сплавы этого класса применяются для пайки алюминия и его сплавов. Это эвтектический сплав – 90% олова и 10% цинка (ПОЦ-90, Т_пл = 199^оС) и другие (ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40). Если требуется очень низкая температура пайки (Т < 100^оС), то используются сплав Вуда (Т_пл ≈ 60^оС) или Розе (Т_пл ≈ 110^оС). Это сплавы на основе висмута со свинцом, оловом и кадмием и они обладают низкой прочностью.

Припои для высокотемпературной пайки образуют более прочное соединение проводников, так как при высоких температурах взаимная диффузия металлов идёт более интенсивно. По этой же причине и переходное сопротивление этих припоев ниже. В качестве высокотемпературных припоев используется медь, медно-цинковые (ПМЦ-36,¹ ПМЦ-48, ПМЦ-54, Т_пл = 825 ÷ 880^оС) и медно-фосфористые (ПМФ-7,²) сплавы. Медно-фосфористые припои позволяют осуществлять пайку без применения флюсов.

Для высокотемпературной пайки любых металлов и сплавов особенно пригодны припои на основе серебра. Кроме серебра в их состав входят медь или медь с цинком (ПСр-72,³ ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10, Т_пл = 780 ÷ 920^оС).