Матеріали високої провідності

 1 квітня 2021р. 

Предмет: Матеріалознавство радіоелектронних засобів.

 Урок 5, 6 : Провідникові матеріали високої провідності, високого опору та жаростійкі.

3. Провідникові матеріали високої провідності.

До цих матеріалів належать: метали – срібло Ag, мідь Cu, алюміній Al, свинець Pb, олово Sn, та сплави – латунь, бронза, сталь, а також графіт.Розглянемо властивості деяких матеріалів та місця їх застосування.

Срібло Ag – білий, блискучий матеріал, стійкий проти окислення при нормальній температурі. Срібло має серед металів найнижчий питомий опір ρ =0,016 мкОм . м.. Густина його 10,5, а температура плавлення 960° С. Зі срібла виготовляють слабо точні контакти та обкладки змінних конденсаторів. Їм покривають внутрішні частини хвильоводів для отримання шару високої провідності.

Мідь Cu. Її властивості залежать від способу термічної обробки. Тверда мідь (без термообробки) має велику міцність та великий питомий опір, м’яка мідь (після термообробки) має менші питомий опір та міцність. Її густина 8,9 , а температура плавлення 1083° С, питомий опір ρ= 0,017241 мкОм . м. Технічна мідь може бути тверда (маркується МТ) та м’яка (ММ). Мідь застосовується для електричних проводів, плат друкованого монтажу і т. ін.

Алюміній Al. Займає третє місце серед провідникових матеріалів по питомому опоруρ=0,286 мкОм . м. Густина його 2,7 , а температура плавлення 660° С. М’який та легкий метал. З алюмінію виготовляють електричні проводи, фольгу, конденсаторну фольгу, екрани котушок індуктивності і т. ін. Його сплави – дюралюміній, силумін – більш тверді за алюміній і застосовуються як конструкційний матеріал. Алюміній випускається двох типів – твердий (АТ) та м’який.

Золото Au – метал жовтого кольору, який має температуру плавлення 1063° С, густину19,3 , питомий опірρ= 0,024 мкОм . м. Золото використовується як контактний матеріал, матеріал для корозиційно - стійких покрить резонаторів, внутрішніх частин хвиль оводів, електродів фотоелементів, захисних покрить та провідників струму в інтегральних мікросхемах.

Олово Sn. Має найнижчу температуру плавлення (Тпл = 230° С). Входить до складу припоїв, які застосовуються для спаювання проводів та деталей.

Латунь. Це сплав міді Cu, цинку Zn, свинцю Pb. Латунь більш м’яка за мідь. З неї виготовляють осі, контакти, монтажні „пелюстки”, болти та гайки, виводи резисторів, конденсаторів, транзисторів і т. ін.

Бронза.Йе сплав міді Cu, олова Sn, марганцю Mn, фосфору P, берилію Ве, нікелю Ni і інших металів. В цьому сплаві міді більше ніж в латуні. Вона відрізняється великою твердістю.

Особливо тверді такі сплави:

• фосфориста бронза (Cu, 6 – 7%Sn0,5%P);

• олов’яниста бронза (Cu, 10% Sn);

• алюмінієва бронза (Cu, 6…8% Al);

• берилієва бронза (Cu, 2%Be; 0,5%Ni).

Застосовується для виготовлення контактів, які ковзають та пружинять струмопровідних пружин, наприклад у реле.

Сталь.Це сплав заліза та вуглецю. Має високу механічну міцність, але сильно піддається корозії (ржавінню). Для захисту від корозії поверхню виробів із сталі покривають захисним покриттям з іншого металу (нікелювання, цинкування, кадміювання). Зі сталі виготовляють гвинти, гайки, осі, втулки, шпильки, шасі, каркаси, стійки.

Графіт – для щіток колекторів електричних машин.

4. Провідникові матеріали з великим питомим опором.

До цих матеріалів належать: метали – вольфрам W, молібден Mo, та сплави – манганін, константант, ніхром, нікелін, фехраль, хромаль і т. ін.

Вони відрізняються високою температурою плавлення та високим питомим опором. Найбільшу температуру плавлення (Тпл=3370° С), має вольфрам W, а найбільший потомий опір має константант ρ=0,49 мкОм . м. .

Розглянемо властивості та області застосування деяких провідників із великим питомим опором.

Молібден. Є найважливішим конструкційним матеріалом для виготовлення анодів, сіток, катодів, держаків, ниток розжарювання електровакуумних приладів.

Вольфрам – для ниток розжарювання ламп освітлення.

Манганін. Це сплав Cu 86%, Mg 12%, Ni 2%. Його опір R має малу залежність від температури, застосовується для виготовлення додаткових резисторів і шунтів вимірювальних приладів.

Ніхром. Це сплав Ni 67%; Cr 15%; Fe 16%; Mg 1,5%. Має Тпл – до 1000° С.

Фехраль.Це сплав Fe 82%; Cr 15%; Al 3%. Тпл – до 1000° С.

Хромаль.Це сплав Fe65%;Cr30%;Al5%.Має Тпл – до 1000° С.

Константан. Це сплав Cu 60%; Mg 12%; Ni 2% і ін. Його опір незначно змінюється при зміні температури. Має Тпл – до 500° С.

Нікелін. Це сплав Cuта Ni. Застосовується для резисторів Тпл - до 200° С.

Ніхром, фехраль, хромаль, константант, нікелін застосовуються для резисторів, реостатів та обмоток нагрівальних приладів.

    Жаростійкість чистих металів. За характером своєї поведінки під впливом повітря або кисню при підвищених т-рах виділяють 5 груп металів, які використовують у техніці: лужні та лужноземел. (характерна лінійна кінетика окиснення; при достат. підвищенні т-ри реакція їх окиснення може самоприскорюватися, внаслідок чого настає самозаймання; стійкість до окиснення на повітрі у них зростає в ряду: К, Na, Li, Ba, Ca, Mg); Mn, Fe, Ti, Co, Zr, Cu, Ni (характерні параболічна залежність (в основному) росту шару продуктів окиснення; відхилення від квадратично-параболіч. залежності при деяких умовах окиснення, яке пов’язане з розтріскуванням або сколюванням шару продуктів окиснення); Zn, Si, Be, Al, Cr (найстійкіші до окиснення внаслідок утворення оксид. плівок з найвищими захис. властивостями; є осн. легуючими елементами жаростійких сплавів, можуть працювати як покриття на виробах, які експлуатують в умовах газової корозії); Mo, W, V, Re, Os, Ru, Jr (їх оксиди леткі, не мають захис. властивостей при підвищених т-рах; характерний ліній. закон окиснення; інколи застосовують у виробах, які експлуатують в неокиснюваних середовищах, або які мають нанесені захисні покриття); Ag, Pd, Pt, Au (їх оксидам властива висока пружність дисоціації, тому вони є термодинамічно стабільними). За Ж. матеріали порівнюють відповідно до показників макс. робочої т-ри, до якої він працює без покриття (напр., для Al, V – 400 °C, Cu, Mo – 450 °C, Zr, Fe – 500 °C, Ti – 600 °C, Ni, W – 800 °C, Cr – 1000 °C; нижче зазначеної т-ри для того чи ін. металу швидкість газової корозії на повітрі не перевищує 30 мг/см2 за 100 год.), або швидкості окиснення в однакових умовах. Встановлено, що при високих т-рах (1200–1300 °С) лише Pt та Rh мають високу Ж. Os, Re, Mo, W недостатньо стійкі внаслідок летючості їх оксидів, а Fe, Zr, Ti, Nb – через слабкі захисні властивості окалин, що утворюються на них при т-рах 900–1200 °С.

    Жаростійкість сплавів. Найпоширеніші жаростійкі матеріали – сплави на основі заліза, нікелю та кобальту. На сучас. етапі розробниками запропоновано кілька складів сплавів на основі хрому. Нині також вони працюють над підвищенням робочих т-р сплавів на основі алюмінію, ванадію, титану та цирконію. Осн. метод підвищення Ж. металів – легування. Найповніше вивчено вплив легуючих елементів на Ж. заліза та визначено граничні межі вмісту компонентів, що підвищують Ж. і забезпечують достат. рівень жароміцності. Виявлено, що хром, алюміній і кремній є осн. компонентами, що підвищують Ж. заліз., нікелевих та ін. сплавів. Значно покращують служб. властивості матеріалів, зокрема й Ж., короз. стійкість, рідкісноземел. метали (РЗМ). Для підвищення Ж. РЗМ використовують порівняно давно, однак механізм їх впливу на процес окиснення встановлено лише для нікель-хромових сплавів і сплавів на основі хрому. 

Завдання : скласти конспект, що містить загальні відомості про провідникові матеріали, їх класифікацію та застосування.