4

Билет №21, 22

13.4. Материалы высокого сопротивления

Материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы, некоторые оксиды, силици­ды и карбиды, а также чистые металлы в очень тонких слоях. Мате­риалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм•м, очень низкий ТКρ и малую термо-ЭДС относительно меди.

13.4.1. Металлические сплавы, образующие твердые растворы

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, широко применяют для изготовления различных термопар, образцовых рези­сторов, шунтов, реостатов, электронагревательных элементов и т.д. (С материалам, которые используются для изготовления электрона­гревательных элементов, предъявляют дополнительное требование — они должны иметь высокую нагревостойкость, т.е. могли бы дли­тельное время работать на воздухе при температуре около 1000°С без заметного ухудшения свойств. Кроме того, во многих случаях от ме­таллических сплавов требуется высокая технологичность и возмож­ность получать из них тонкие гибкие проволоки.

Известно, что удельное сопротивление металлов существенно возрастает в очень тонких пленках (см. гл. 12.3.1): чем тоньше плен­ка, тем больше удельное сопротивление р и меньше ТКр (см. рис. 12.6). Это явление используют в пленочных резисторах. Для по­лучения очень высоких значений удельного сопротивления приме­няют сочетание двух факторов, для чего используют материалы вы­сокого сопротивления (металлические сплавы, вредные растворы, оксиды, силициды, карбиды некоторых металлов и их смеси) в виде тонких пленок.

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по на­значению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве прово­лочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т.д. Самые рас­пространенные среди них — медно-никелевые сплавы: манганин, константан и др.

Манганин — это сплав, состоящий из меди Си 85—89%, никеля Ni 2,5—3,5% и марганца Мп 11,5—13,5%. Примеси не должно быть более 0,9%. Свое название получил из-за содержащегося в нем марганца, придающего ему желтоватый оттенок. Удельное сопротивление манга­нина составляет 0,42—0,48 мкОм-м, предельно допустимая температу­ра 200°С. Свойства манганина приведены в табл. 13.5. Манганин хо­рошо протягивается в тонкую проволоку. Проволоку манганиновую неизолированную выпускают диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микро­провод в стеклянной изоляции производят диаметром в несколько мкм. Проволоку выпускают в твердом и мягком (отожженном) со­стояниях. Ее поверхность должна быть чистой и гладкой, без трещин, раковин и расслоений. Манганин хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01—1 мм (ширина ленты 10—300 мм).

Для повышения стабильности сопротивления и снижения ТКр Манганиновую проволоку специально остаривают, подвергая отжигу в течение 1—2 ч при температуре около 400°С в вакууме или в ней­тральном газе (аргоне или азоте) с последующим медленным охлаж­дением. Затем выдерживают 10 ч при 140°С и еще около года при Комнатной температуре. В паре с Си (и Fe) манганин имеет низкую термо-ЭДС (1—2 мкВ/К). Манганин применяют для изготовления образцовых (проволочных) резисторов, шунтов и некоторых измерц, тельных приборов, например термопар, датчиков, измеряющих вы­сокие гидростатические давления (при повышении гидростатическо­го давления от нормального до I ГПа удельное сопротивление манганиновой проволоки возрастает на 2,5%) и др.

Константин — сплав, содержащий 56—59% меди Си, 39—41% никеля Ni и 1—2% марганца Мп, примеси — не более 0,9%. Указан­ное содержание Ni в сплаве примерно соответствует максимуму ρ и минимуму ТКρ на кривой зависимости р и ТКр от состава сплава (см. рис. 10.9, б). Свое название получил за высокое постоянство удельного сопротивления в рабочем интервале температур. Его удельное сопротивление р = 0,48—0,52 мкОм•м, значение ТКр близ­ко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. По нагревостойкости константан превосходит манганин и может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450—500°С. Константан имеет высокие механические свойства и хо­рошо поддается пластическому деформированию: его можно протя­гивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и манганин. Электрические и механические свойства константана приведены в табл. 13.5. При быстром (3 с) нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900°С на ее поверхности обра­зуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами. Константановую проволоку с оксидной пленкой мож­но наматывать плотно, виток к витку, без дополнительной изоляции, если напряжение между витками не превышает 1 В. В паре константана с медью и железом возникает высокая термо-ЭДС (40—50 мкВ/К), что затрудняет использование константановых рези­сторов в точных измерительных схемах. Однако это свойство ис­пользуют для изготовления медно-константановых и железо-константановых термопар.

Нагревостойкие сплавы используют для изготовления нагрева­тельных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, нике­ля, хрома и алюминия, называемые нихромами, ферронихромами, февралями и др. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловле­на образованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки, у которой коэффициент линейного расширения близок к ТКЛР сплава. Поэтому образование трещин в оксидной пленке мо­жет происходить только при резких сменах температуры. В этой свя­зи срок службы электронагревательных элементов определяется не временем их непрерывной работы, а числом их включения и отклю­чения. Наличие хрома в этих сплавах придает им высокую нагрево-стойкость.

Нихромы (см. табл. 13.5) — это сплавы системы Fe—Ni—Cr, со­держащие Ni 55—78%, Cr 15—25%, Mn 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0—1,2 мкОм-м. При повышенном содержа­нии железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы облада­ют высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую про­волоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы, из них изготавливают электронагревательные элементы. Вы­сокая нагревостойкость нихромов объясняется близкими значения­ми ТКЛР сплавов и их оксидных пленок. Срок службы электрона­гревательных элементов можно увеличить, заделав спирали в инертную среду типа глина-шамот, которая затрудняет доступ ки­слорода воздуха и предохраняет от механических повреждений.

Фехрали и хромали (см. табл. 13.5) — это жаростойкие сплавы системы Fe—Cr—A1, содержащие с своем составе хрома Сг 12—15%, алюминия А1 3,5—5,5%, марганца Мп 0,7%, никеля Ni 0,6% и ос­тальное железо Fe; удельное сопротивление равно 1,2—1,4 мкОм•м. Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем ни­хромы. Поэтому из них получают проволоку и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Они намного дешевле и более Доступны, чем нихромы, так как алюминий дешевле и доступнее, чем никель. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химиче­скому разрушению под действием различных газообразных сред при высоких температурах.