Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ»

Факультет электроники

Кафедра микроэлектроники

Материалы и элементы электронной техники Ч.I

доц. Лазарева Н.П.

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормальных условиях составляют не менее 0,3 мкОм∙м. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств.

При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение αρ. а также малая термо-э.д.с. относительно меди.

Проводниковые материалы в электронагревательных приборах должны длительно работать на воздухе при температурах порядка 1000°С. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространенными в практике являются сплавы на медной основе —

манганин и константан, а также хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Манганин — основной сплав на медной основе для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов; состав и свойства его приведены в таблице. Манганин отличается желтоватым оттенком, хорошо вытягивается в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм. Из манганина изготавливают также ленту толщиной 0,01—1 мм и шириной 10 300 мм.

Для получения малого αρ и высокой стабильности

сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке — отжигу при 350—550 °С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре.

Зависимости удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления манганина от температуры

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Константан — сплав меди и никеля (табл. 3.2). Содержание никеля в сплаве примерно соответствует максимуму ρ и минимуму αρ для сплавов Сu—Ni (см. рис. 2.9). Константан хорошо поддается обработке; его можно протягивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и из манганина. Значение αρ константана близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400—450 °С.

При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется пленка оксида, которая обладает электроизоляционными свойствами (оксидная изоляция). Покрытую такой изоляцией константановую проволоку можно наматывать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, если только напряжение между соседними витками не превышает 1 В. Таким образом изготавливают реостаты. Для окисления константановой проволоки, дающей достаточно гибкую и прочную пленку оксида, требуется быстрый (не более 3 с) нагрев проволоки до температуры 900 °С с последующим охлаждением на воздухе.

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Константан в паре с медью или железом приобретает большую термо-э. д. с. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах; за счет разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-э. д. с., которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах.

Константан применяют для изготовления термопар, которые служат для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов

Зависимость удельного сопротивления (1) и температурного коэффициента удельного сопротивления (2) медно-никелевых сплавов от содержания компонентов

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Сплавы для термопар.

Большинство термопар изготавливают из металлических. компонентов. Наиболее часто применяют следующие сплавы:

копель (56 % Сu и 44 % Ni);

алюмель (95 % Ni, остальные — Al, Si и Мn); хромель (90 % Ni и 10 % Сг);

платинородий , (90 % Pt и 10 % Rh).

Зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев для распространенных термопар:

1 - хромель-копель;

2 - железо / константан;

3 - медь-константан;

4 - хромель-алюмель;

5 - W3Re-W25Re;

6 - вольфрам-рений;

7 - платинородий(Pt10Rh)-платина

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Сплавы для термопар.

Наиболее высокой точностью, стабильностью и воспроизводимостью обладают термопары платина – платинородий, несмотря на их малую удельную термо-э.д.с. Эти качества объясняются химической инертностью используемых материалов и возможностью получать их с высокой степенью чистоты. Содержание родия в сплавах может изменяться в пределах от 10 до 30 ат.%.

Большинство таких термопар нельзя в течение длительного времени использовать в восстановительной среде, так как остаточные оксиды, влияние которых на термо-э.д.с. незначительно, постепенно восстанавливаются до более опасного металлического состояния. Наряду с этим при очень высоких температурах в окислительных атмосферах платина медленно превращается в летучий оксид, что приводит к износу термоэлектрода.

Платинородиевые термопары наиболее надежны при работе в вакууме и в нейтральных атмосферах.

Сплавы высокого сопротивления и сплавы для термопар

Сплавы для термопар.

Хромель – алюмелевая термопара имеет самый широкий диапазон рабочих температур среди всех термопар из неблагородных металлов, отличается постоянством удельной термо-э.д.с. выше 0 ºС, но очень чувствительна к деформациям и неоднородностям, а также подвержена деградации в среде, содержащей углерод.

Для измерения температур свыше 1500 ºС используют термопары на основе тугоплавких металлов и сплавов ( W/Re ; W/W26Rh; W/Ir; Ir50Rh/Ir и др.). Среди них наиболее надежными являются вольфраморениевые термопары, для которых предельные рабочие температуры составляют более 2600 ºС. Они могут применяться в вакууме, а также в нейтральной и водородной атмосферах.