2 Вопрос: классификация и параметры проводниковых материалов

Общепринятая классификация проводниковых материалов отсутствует. Рассмотрим следующие основные группы проводниковых материалов: 1) материалы высокой проводимости; 2) материалы с высоким удельным сопротивлением для резисторов и точных приборов; 3) жаростойкие материалы; 4)контактные материалы; 5) сверхпроводники и криопроводники.

Материалы высокой проводимости

К этой группе относятся серебро, медь, алюминий.

Сплавы высокого сопротивления

Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu, 12% Mn, 3% Ni.

Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов приборов и т. д., имеет малую термоЭДС в паре с медью (1-2 мкВ/К), удельное сопротивление 0,42 - 0,48 мкОм · м, σ_p = 450 - 600 МПа, Δl/l = 15- 30 %, максимальная длительная рабочая температура не более 200°С. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0,02 мм с эмалевой и др. изоляцией.

Константан - медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40% Ni) имеет ρ = 0,48 - 0,52 мкОм · м, α_ρ = (5 - 25) · 10^-6 К^-1, σ_p = 400-500 МПа, Δl/l = 20 - 40%. ТермоЭДС в паре с медью 45 - 55 мкВ/К, поэтому константан можно использовать для термопар. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450°С.

Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr₂O₃ и закиси никеля NiO. Сплавы системы Fe-Ni-Cr называютсянихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х-хром, Н-никель, Ю-алюминий, Т-титан.

Основная область применения этих сплавов - электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

Контактные материалы

Для разрывных контактов в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото, серебро, сплавы на их основе и металлокерамические композиции, например, Ag - CdO.

Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, например, серебро - никель, серебро - графит, медь - вольфрам - никель и др.

Для скользящих контактов часто используют контактные пары из металлического и графитосодержащего материалов, а также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластин) и др. материалы. 

Сверхпроводники

Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г. Камерлинг - Оннесом, обнаружившем, что ртуть, охлажденная до температуры жидкого гелия (4,4 К), полностью теряет электрическое сопротивление. Позже было установлено, что сверхпроводимость возможна в олове, свинце и других металлах. К настоящему времени известно 35 металлов и более тысячи сплавов и химических соединений различных элементов, обладающих сверхпроводимостью.

Возникновение сверхпроводящего состояния связывается с тем, что при температурах ниже точки перехода электрон локально искажает решетку, создавая область притяжения для другого электрона, при этом силы притяжения между ними будут превосходить силы отталкивания. Такие электронные пары будут находиться в одном квантовом состоянии. Результатом коллективного поведения пар является рассеяние отдельного электрона на примесях и переход в сверхпроводящее состояние.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

В начале 1987 г. появились сообщения о разработке керамического материала со структурой YBa₂Cu₃O₇, в котором сверхпроводящее состояние наступает при 93 К в поле с В_кр = 5,7 Тл. Такие материалы имеют структуру типа перовскита (минерала CaTiO₃). Плотность тока в системах Y - Ba - Cu - O получена в настоящее время до 10⁴ А/см², что меньше, чем в металлических сверхпроводниках. Перспективным являются висмутовые системы Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x, температура перехода которых достигает - 158°С. В популярных изданиях имеются сведения о получении ВТСП с критической температурой 250 К. Лучшие сверхпроводящие свойства получаются в пленочных образцах, пропускающих ток 10⁶ А/см².

Свойства ВТСП во многом зависят от технологии. Наиболее простой способ состоит в размоле металлических оксидов, прессовании смеси и отжиге в атмосфере кислорода при температуре 900°С. Новое вещество образуется в результате химической реакции. Для устранения межгранулярных прослоек и получения более упорядоченной ориентации кристаллов полученное соединение подвергают плавке с последующим охлаждением. Исследуются и другие методы получения ВТСП.

Для широкого применения ВТСП требуется преодолеть ряд трудностей, к которым можно отнести необходимость получения больших плотностей тока, гибкости, прочности, способности выдерживать большие магнитные и центробежные нагрузки, легкость обработки, стабильность свойств и др.