Металлические проводниковые материалы являются

Обновлено: 17.05.2024

Проводниковые материалы: медь, алюминий, бронза, латунь.

К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников весьма узок и составляет от 0,016 мкОм×м для серебра до 1,6 мкОм×м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.

Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением.

По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:

· проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.;

· конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т.д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;

· сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т.п.;

· контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;

· материалы для пайки всех видов проводниковых материалов.

Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью и пластичностью.

2. Медь

Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.

На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди изготавливаются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).

При температурах термообработки выше 900 °C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07—0,15%, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами.

Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

3. Латуни

Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%.

В различных марках латуни содержание цинка может доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора и называются a-латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации.

Латуни с содержанием цинка свыше 39% называют a+b-латунями или двухфазными и применяют главным образом для фасонных отливок.

Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.

· латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей;

· латунь ЛА67-2,5 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;

· латуни ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.

4. Проводниковые бронзы

Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых в основном вызвана недостаточной в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.

Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз.

· кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из числа всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;

· бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °C, и электрической проводимостью в 2—2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например: токоведущие пружины, отдельные виды щеткодержателей, скользящие контакты в различных приборах, штепсельные разъемы и т.п.;

· фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.

Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8—15% проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.

Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные, где основными легирующими элементами являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni.

5. Алюминий

Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.

Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.

Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Прочная пленка окиси быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.

Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим путем.

Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.

Таблица 1. Основные характеристики проводниковых материалов

Плотность, кг/м 3 ·10 3

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом×м·10 –6

Средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °C, 1/град

Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Для изготовления кабелей, проводов, обмоток электрических машин и трансформаторов используются материалы высокой проводимости. [1]

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую. [2]

Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Для изготовления кабелей, проводов, шнуров, обмоток используются материалы высокой проводимости. Значительна роль таких проводниковых материалов, как уголь и угольные изделия. [3]

Все металлические проводниковые материалы обладают электронной электропроводностью. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле. [4]

Сопротивление металлических проводниковых материалов сильно зависит от температуры: с повышением температуры оно возрастает. Степень влияния температуры на сопротивление определяется температурным коэффициентом. [5]

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление р [ см. формулу ( В. [6]

Выпускается большая номенклатура металлических проводниковых материалов для производства скользящих электрических контактов. В табл. 4.2 и 4.3 приведены основные характеристики наиболее распространенных из этих материалов, а в табл. 4.4 - свойства покрытий, применяемых с целью улучшения характеристик скользящего контакта. [7]

Самыми распространенными проводниковыми материалами являются металлы и в первую очередь медь и алюминий, а также их сплавы. Металлические проводниковые материалы применяются для изготовления токопроводящих элементов электрооборудования автомобилей. В электропроводке автомобилей применяются изолированные провода, собираемые в пучки, оплетенные поливинилхлоридной лентой и хлопчатобумажной пряжей. [8]

Самыми распространенными проводниковыми материалами являются металлы и в первую очередь медь и алюминий, а также их сплавы. Металлические проводниковые материалы служат для изготовления токопроводящих элементов электрооборудования автомобилей. В электропроводке автомобилей применяют изолированные провода, собираемые в пучки, оплетенные поливинилхлоридной лентой и хлопчатобумажной пряжей. [9]

Сплавы металлов обладают меньшей пластичностью по сравнению с чистыми металлами, они более упруги и имеют большую механическую прочность. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле. [11]

Проводниковые материалы с высоким сопротивлением бывают металлические, получившие наибольшее распространение, и неметаллические. Металлические проводниковые материалы можно разделить на три группы: I - для точных электроизмерительных приборов и образцовых резисторов; 2 - для резисторов и реостатов; 3 - имеющие высокую рабочую температуру и предназначенные для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов. [12]

Проводниковые материалы представляют собой металлы и сплавы. Металлы имеют кристаллическое строение. Однако основное свойство кристаллического тела - анизотропность - не наблюдается у ме - таллов. В период охлаждения металла одновременно зарождается большое количество элементарных кристаллов, образуются кристаллиты ( зерна), которые в своем росте вступают в соприкосновение друг с другом и приобретают неправильные очертания. Кристаллиты приближаются по своим свойствам к изотропным телам. Высокая тепло-и электропроводность металлов объясняется большой концентрацией свободных электронов, не принадлежащих отдельным атомам. При отсутствии электрического поля равновероятны все направления теплового движения электронов в металле. Под воздействием электрического поля в движении электронов появляется преимущественное направление. При этом, однако, составляющая скорости электрона вдоль этого направления в среднем невелика, благодаря рассеянию на узлах решетки, Рассеяние электронов возрастает при увеличении степени искажения решетки. Даже незначительное содержание примесей, таких как марганец, кремний, вызывает сильное снижение проводимости меди. Твердотянутая проволока имеет более низкую проводимость, чем мягкая, отожженная. При отжиге происходит рекристаллизация металла, сопровождающаяся повышением проводимости. Ее величина приближается к первоначальной благодаря восстановлению правильной формы кристаллической решетки. Во многих случаях желательно получение проводникового материала с низкой проводимостью; такими свойствами обладают сплавы - твердые растворы двух типов. Твердыми растворами замещения называют такие, в которых атомы одного из компонентов сплава замещают в кристаллической решетке второго компонента часть его атомов. В твердых растворах внедрения атомы одного из компонентов сплава размещаются в пространстве между атомами второго, расположенными в узлах кристаллической решетки. [1]

Проводниковые материалы обладают высокой электропроводностью и используются в качестве проводников электрического тока. Наиболее часто проводники имеют вид проволоки круглого или прямоугольного сечения, из которых выполняются обмотки электрических машин, аппаратов, измерительных и нагревательных приборов. [2]

Проводниковые материалы должны надежно использоваться в электрических машинах, работающих при 600 С и выше. При температуре выше 225 С медь начинает интенсивно окисляться, что приводит к резкому увеличению сопротивления и снижению эластичности. Чтобы защитить медную проволоку от окисления, наносится слой никеля. [3]

Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов. [4]

Проводниковые материалы , как правило, обладают высокой пластичностью, антикоррозионной стойкостью, достаточной механической прочностью; такие свойства необходимы при изготовлении из них проводов, профилированных токонесущих деталей и т.п. Проводниковые материалы обладают электронной проводимостью. Наиболее электропроводны, при обычных температурах, химически чистые 1-валентные металлы. При весьма низких температурах некоторые металлы и сплавы обладают сверхпроводимостью. Статические искажения кристаллической решетки, ее динамические нарушения, а также процессы, связывающие электроны, понижают электропроводность проводниковых материалов: первое имеет место при образовании твердых растворов, пластической деформации, воздействии проникающего ядерного излучения; второе - при нагреве; третье - при образовании некоторых растворов и химических соединений. [5]

Проводниковые материалы являются основой токоведущих элементов, электродов и монтажных деталей аппаратуры. Припои служат материалом для соединения элементов схем и деталей оборудования, а также технологическим материалом при ультразвуковой пайке. Металлокерамические материалы хорошо известны в практике электрической и ультразвуковой обработки в качестве одного из основных объектов эффективного применения этих методов ( например, твердые сплавы), а также в качестве материала электродов и деталей оборудования. Графитовые и углеграфятовые материалы весьма эффективны при изготовлении износостойких электродов для электроимпульсной обработки, служат основой важнейших контактных элементов - щеток, используются при электрохимической обработке. [6]

Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением - константан, нихром, манганин, фехраль. [7]

Проводниковые материалы , как правило, подвергаются действиям растворов в основном в виде брызг, или же они находятся в газовой среде. [8]

Проводниковые материалы классифицируют в зависимости от удельного электрического сопротивления на металлы и сплавы высокой проводимости, кри-опроводники и сверхпроводники, сплавы с повышенным электросопротивлением. [9]

Проводниковые материалы применяют главным образом в виде проволок, шин или лент, поперечное сечение которых принято выражать в квадратных миллиметрах, а длину - в метрах. [10]

Проводниковые материалы имеют в нормальном состоянии или при воздействии очень слабого электрического поля ( приложенного напряжения) сравнительно большое количество свободных заряженных частиц - электронов и ионов. Благодаря этому они хорошо проводят электрический ток. [11]

Проводниковые материалы имеют различные свойства и, соответственно, разные области применения. [12]

Проводниковые материалы применяют, главным образом, в виде проволок, шин или лент, площадь поперечного сечения которых принято выражать в квадратных миллиметрах, а длину - в метрах. [13]

Проводниковые материалы отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: обмотки и контакты в электрических машинах, аппаратах и приборах, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии. [14]

Проводниковые материалы применяются главным образом в виде проволок, шин или лент, поперечное сечение которых принято выражать в квадратных миллиметрах, а длину - в метрах. [15]

Металлические проводниковые материалы – это металлы и сплавы высокой проводимости: серебро, медь, бронза и латунь.

Серебро применяется для изготовления неокисляющихся проводников электрических контактов ответственных приборов. Специальными методами из серебра изготовляют покрытия на меди, латуни и непроводящих материалах: керамике, стекле, полимерах.

Медь имеет широкое применение благодаря высокой проводимости, хорошим механическим характеристикам, более низкой по сравнению с серебром стоимости. Для защиты меди от окисления токоведущие элементы серебрят.

В отожженном виде медь (марки ММ) имеет более высокую проводимость, в нагартованном (марки МТ) — высокую прочность. Мягкую медь (марки МО, M1) применяют для изготовления жил обмоточных проводов. Медь марок М2, МЗ и М4 используют преимущественно для получения сплавов.

В изделиях с повышенными механическими характеристиками используют латуни, кадмиевые и бериллиевые бронзы.

Кадмиевую бронзу используют для изготовления троллей, скользящих контактов, мембран.

Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей.

Алюминий характеризуется достаточно высокой электропроводностью в сочетании с пластичностью и малой плотностью. Он более распространен в природе, чем медь, более стоек к коррозии. Промышленность выпускает сверхчистый алюминий марок А 999 и А 995, алюминий высокой чистоты марок А 99 и А 95. Их используют для изготовления электролитических конденсаторов, защитных кабельных оболочек. Из алюминия технических марок А85 и А7 изготавливают кабели, токопроводящие шины.

Для соединения алюминиевых проводов применяют специальные припои, разрушающие в месте контакта пленку окислов с высоким электрическим сопротивлением. В ряде случаев используют биметаллическую проволоку, состоящую из стальной сердцевины и медной или алюминиевой оболочки. Покрытие наносят гальваническим способом или плакированием.

Полупроводниковые материалы – это класс материалов с электронной проводимостью, характеризующихся большей удельной электропроводностью, чем металлы, но меньшей, чем диэлектрики. Для получения полупроводников с заданными удельными электросопротивлени-ем и типом проводимости осуществляют их легирование.

Согласно химической классификации полупроводниковых материалов, их разделяют на два класса:

— простые полупроводники, имеющие в своем составе один элемент (В, С, Si, Ge, Sn, Р, As, Sb, S, Se, Те, I);

— сложные полупроводники, являющиеся химическими соединениями и сплавами.

Германий (Ge) является одним из наиболее широко применяемых полупроводников, его используют для изготовления выпрямителей, транзисторов, диодов и др.

Полупроводниковые приборы на основе кремния работоспособны при более высоких температурах (120— 150°С), чем германиевые (70—85°С). Нелегированный кремний применяют при создании силовых выпрямителей, стабилизаторов напряжения и др.

Широко используются в электронной промышленности селен, теллур и их соединения.

ПРОВОДНИКОВЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Проводниковые металлы и сплавыдолжны обладать:

- возможно более высокой электропроводностью;

- достаточно высокими механическими свойствами;

- сопротивляемостью к атмосферной коррозии;

- способностью поддаваться обработке давлением в горячем и холодном состоянии.

Наилучшей проводимостью после серебра обладают медь и алюминий, они и являются наиболее распространенными проводниковыми материалами. Проводимость отожженного проводникового алюминия составляет приблизительно 62% проводимости стандартной меди, но плотность алюминия мала, поэтому проводимость 1 кг алюминия составляет 214% проводимости 1 кг меди. Следовательно, алюминий более экономически выгоден для использования в качестве проводникового материала.

Проводниковые материалы, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие группы: проводниковая медь, проводниковый алюминий, проводниковые сплавы, проводниковое железо.

Проводниковая медь.Для изготовления электрических проводов применяют электролитическую (катодную) медь, содержащую не более 0,05% суммы примесей. Катоды переплавляются в слитки, при этом содержание примесей в меди повышается. Согласно ГОСТ проводниковая медь Ml должна содержать в сумме не более 0,1% примесей (содержание кислорода не более 0,08%). Проводниковая медь имеет в отожженном состоянии σ_в = 270 МПа. Предел прочности может быть повышен до 480 МПа путем холодной деформации, но при снижении электрической проводимости.

Проводниковый алюминий.Недостатком алюминия является его сравнительно низкая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому для проводов его применяют в упрочненном состоянии (путем холодной деформации). В этом случае предел прочности составляет 250 МПа, что является недостаточным для сопротивления сильному натяжению, которое испытывают провода в линиях электропередач. Поэтому для линий электропередач применяют провода со стальной сердцевиной.

Проводниковый алюминий обычно содержит десятые доли процента примесей (в сумме не более 0,5%), из которых основными являются железо и кремний.

Для кабельных и токопроводящих изделий применяют алюминий марок А00, А0, Al, A2. Термическая обработка проводникового алюминия для снижения его сопротивления обычно не применяется. Холодная обработка алюминия мало снижает его электропроводность. Так при обжатии до 95 - 98% электропроводность уменьшается не более чем на 1,2% электропроводности стандартной меди.

Проводниковые сплавы. В тех случаях, когда требуется повышенная прочность или специальные свойства (например, повышенное сопротивление истиранию), применяют сплавы на алюминиевой и медной основе. Композицию сплавов подбирают таким образом, чтобы легирующий металл не растворялся в основном металле, а упрочнение сплавов достигалось за счет интерметаллических фаз.

Проводниковое железо. Удельное электросопротивление железа в 7 - 8 раз выше, чем у меди. Тем не менее, железо применяют в промышленности, т.к. оно является недефицитным материалом и имеет повышенную механическую прочность. При использовании железа в качестве проводникового материала оно должно быть достаточно чистым. Обычно для этих целей применяют армко-железо.

Железо используют при изготовлении биметаллических проводов, в этом случае сердцевину провода изготовляют из железа, а поверхностный слой из материала, имеющего более высокую электрическую проводимость (медь, алюминий).

Сверхпроводники.Особую группу материалов с высокой электрической проводимостью представляют сверхпроводники.

С понижением температуры электрическое сопротивление всех металлов монотонно падает (рис. 2.4). Однако есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля - материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов. Сверхпроводящие свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз.

При обычных температурах эти вещества не обладают высокой проводимостью. Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки, но вступают во взаимодействие между собой. В результате этого электроны с противоположно направленными спинами спариваются. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверхпроводник превращается в диамагнетик. Все электронные пары располагаются на низких энергетических уровнях, где они перестают испытывать тепловые рассеяния, т.к. энергия, которую пара может получить от взаимодействия с ионами решетки, слишком мала, чтобы вызвать это рассеяние.

Сверхпроводящее состояние разрушается не только в результате нагрева, но также и в сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы.

Из всех элементов способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода (-263,83°С). Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994-74). Сплав 65БТ содержит 22 - 26% Ti, 63 - 68% Nb, 8,5 - 11,5% Zr. Проволоку из сплава 35БТ состава 60 - 64% Ti, 33,5 -36,5% Nb, 1,7 - 4,3% Zr из-за повышенной хрупкости заливают в медную матрицу.

Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности, туннельных диодов для ЭВМ.

Полупроводниковые материалы.Полупроводниковые материалы по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Подобно металлам для полупроводников характерна проводимость электронным переносом и дырками (вакантное место, оставленное электроном, наделенное свойствами положительного заряда).

Диапазон изменения электросопротивления у полупроводниковых материалов весьма широк; однако эти материалы характеризуются некоторыми другими специфическими свойствами, отличающими их от металлов и изоляторов. Например, если электросопротивление металлов возрастает с повышением температуры, то у полупроводниковых материалов оно падает; примеси уменьшают

В авиационной технике полупроводниковые материалы используют в приборах для генерации и усиления электрических сигналов и выпрямления переменного тока (диоды) и в качестве фотосопротивления и фотодиодов. Магнитные свойства полупроводниковых материалов позволяют применять их при изготовлении малогабаритных антенн, трансформаторов, катушек индуктивности и т.д.

Полупроводниковые материалы могут быть разделены на три группы:

1. Полупроводниковые элементы - В, С, Se, Si, Ge, Sn, Те, Sb, P, As, S;

2. Полупроводниковые химические соединения и сплавы -(SiC, ZnSb, InSb, ZnAs, AlSb, Cu₂О, NiO и др.);

3. Органические вещества - полиацены, керамические материалы и др.

Из простых полупроводников наиболее распространенными являются германий и кремний. Качество полупроводниковых материалов зависит от чистоты и совершенства строения исходного материала (монокристалла). Содержание примесей в полупроводниках не должно превышать 10 -4 -10 -9 %. Особенно нежелательны примеси А1, В, W, V, Fe, Co, Мn и др. Степень чистоты большинства чистых элементов составляет 99,99%. Дальнейшее очищение монокристаллов и сплавов осуществляется зонной плавкой. Монокристаллы изготовляют тремя методами: направленной кристаллизацией, из растворов, методом газовой фазы.

Ge и Si маркируют по буквенно-цифровой системе. Так Ge электронный, легированный Sb, обозначают ГЭЛС; дырочный, легированный Ga - ГДЛГ. Цифры означают удельное электросопротивление (ом·м) в числителе и диффузионную длину неосновного носителя заряда в знаменателе. Например, ГЭЛС 0,3/0,2.

Si монокристаллический дырочный маркируется КМД - 2 (где цифра означает удельное электросопротивление), a Si монокристаллический электронный - КМЭ - 2.

СПЛАВЫ С ЗАДАННЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения широко применяются в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe - Ni, у которых коэффициент линейного расширения а при температурах от -100 до 100°С с увеличением содержания Ni до 36% резко уменьшается, а при более высоком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600 - 700°С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента линейного расширения связано с влиянием ферромагнитных эффектов.

Это свойство сплавов Fe - Ni широко используется в технике. Так, детали машин и приборов, которые должны сохранять постоянство размеров при нагреве до 100°С и охлаждении до - 100°С (штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов), изготовляют из ферромагнитного сплава 36Н (~ 0,05% С, 36% Ni, остальное Fe), получившего название инвар. Сплав 36Н имеет минимальное значение коэффициента линейного расширения в системе Fe - Ni, a = 1,5 . 10 -6 °С -1 .

Для впаев в стеклянные или керамические корпуса или детали вакуумных приборов проводников применяют сплавы Fe-Ni, добавочно легированные кобальтом или медью, имеющие равный со стеклом коэффициент линейного расширения и близкую температурную зависимость. Для вакуумных впаев в молибденовые стекла применяют сплав 29НIK, называемый коваром ( 29% Ni, 18% Со, остальное Fe). При нагреве при впаивании сплава 29НК на его поверхности образуется пленка оксидов, взаимодействующая со стеклом. Это приводит к образованию плотного сцепления (адгезии между стеклом и сплавом).

СПЛАВЫ С ЭФФЕКТОМ "ПАМЯТИ ФОРМЫ"

При напряжении выше предела упругости после снятия нагрузки металл не воспроизводит начальные размеры и форму. Сравнительно недавно (40-е года XX века) открыты сплавы, обладающие эффектом "памяти формы". Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект "памяти формы"), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Так, если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре и выпрямить при низкой температуре, то при повторном нагреве проволока вновь самопроизвольно закручивается в спираль.

Механизмом, определяющим свойства "памяти формы", является кристаллографическое обратимое термоупругое мартенситное превращение - эффект Курдюмова. Термоупругое мартенситное превращение сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая "память". В сплавах с эффектом "памяти формы" при охлаждении происходит рост термоупругих кристаллов мартенсита, а при нагреве их уменьшение или исчезновение. Эффект "памяти формы" наиболее хорошо проявляется, когда мартенситное превращение происходит при низких температурах и в узком интервале температур, иногда порядка нескольких градусов. Схематическая интерпретация эффекта "памяти формы" может быть представлена в виде схемы, приведенной на рис. 2.5.

В настоящее время эффект "памяти формы" (часто его называют механической и мартенситной памятью) обнаружен у широкого круга сплавов, принадлежащих к различным системам, в частности у сплавов систем Ti - Ni, Fe - Ni, Сu - Al, Сu - Mn, Au - Cd, Сu -Al - Ni, Сu - Zn - Al и многих других.

Рис. 2.5 - Схематическая интерпретация эффекта памяти формы

Мн, Мк - температуры начала и конца прямого мартенситного превращения; Ан, Ак - температуры начала и конца обратного мартенситного превращения; Тд - температура деформации.

Некоторые исследователи полагают, что эффект принципиально возможен у любых материалов, претерпевающих мартенситное превращение, и в том числе у таких чистых металлов, как Ti, Zr, Co.

Наиболее широко применяют сплавы на основе мононикелида титана NiTi (~ 50 % Ni), получившие название нитинол. Эффект "памяти формы" в соединении NiTi может повторяться в течении многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью (σ_в=770 - 1100 МПа, σ_т = 300 - 500 МПа), пластичностью (δ=10 -15%), коррозионной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью (хорошо поглощает шум и вибрацию). Его применяют как магнитный высокодемпфирующий материал во многих ответственных конструкциях. Нитинол широко используется в автоматических прерывателях тока, запоминающих устройствах, для изготовления деталей машин и вычислительной техники, в температурно-чувствительных датчиках.

Наиболее перспективными областями техники, где материалы с эффектом "памяти формы" могут найти применение и уже применяются, являются космическая и авиационная техника, радиоэлектронная и электротехническая, машиностроительная и медицинская техника.

В машиностроении эти сплавы могут применяться для создания качественных клепанных и болтовых соединений и т.д. В космической и авиационной технике из металлов с "памятью формы" можно изготовлять различные самосрабатывающие элементы конструкций. Их применение, особенно в космической технике, экономически выгодно благодаря тому, что они позволяют снизить массу

В перспективе возможно использование данных сплавов для создания композиционных материалов.

ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Та, W соответственно с температурой плавления 2468, 2625, 1875, 2996 и 3410°С.

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе (табл. 2.6) резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температуре до 1500 - 2000°С.

Тугоплавкие металлы и сплавы используют главным образом как жаропрочные.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению в результате высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, Н, О. После деформации ниже температуры рекристаллизации (1100 - 1300°С) порог хладноломкости молибдена и вольфрама понижается. Ниобий и тантал в отличие от вольфрама и молибдена - высокопластичные металлы и хорошо свариваются. Следует указать, что ниобий имеет более низкий порог хладноломкости и менее чувствителен к примесям внедрения. Указанные металлы обладают высокой коррозионной стойкостью, в том числе в кислотах и щелочах.

Основные характеристики и свойства проводниковых материалов

Классификация и области использования проводниковых материалов

Проводник — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела.

К проводниковым материалам относятся:

- металлы и их сплавы;

Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании.

Классификация проводниковых материалов

Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).

Области использования проводниковых материалов как ЭТМ

Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.

С точки зрения использования проводниковых материалов в электротехнике и радиоэлектронике их главными свойствами являются:

- удельная проводимость, или обратная ей величина - удельное сопротивление;

- зависимость удельной проводимости или сопротивления от температуры;

- механическая прочность при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, кручении и др. нагрузках.

Механические свойства проводниковых материалов (твердость, прочность, пластичность и ударная вязкость).

Механические свойства - это комплекс свойств, отражающих способность материала противодействовать деформации под действием приложенных сил.

Деформация – это изменение формы и размера изделия. Она бывает растягивающей, сжимающей и сдвиговой.

Механические свойства в основном отражают способность материала сопротивляться пластической деформации и характеризуют его поведение в ходе её развития.

К механическим свойствам относят: твердость, прочность, пластичность и ударную вязкость.

Свойство материала противостоять деформации при локальном контакте называется твердостью.

Замер твердости производится при помощи специальных приборов твердомеров.

Существует множество шкал твердости. Например шкала Мооса. Она применяется в основном для минералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает все нижележащие и царапается вышележащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, в зависимости от закалки и типа - пятую или шестую. Известняк - третью.

Другие шкалы: Бринелля, Роквелла, Виккерса и т.д. основаны на вдавливании в материал шарика или алмазной призмы и измерении размеров полученной ямки. Далее по специальным таблицам определяют соответствующую твердость.

Бринелль (шарик), Роквелл (алмазный конус, может быть и шарик), Виккерс (четырехгранная пирамидка)

Прочность характеризует сопротивление материала пластической деформации под действием приложенной силы.

Характеристиками прочности являются условные числа – пределы, находимые при механических испытаниях.

Предел прочности или временное сопротивление sв -напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.

Предел упругости (s0.05) - напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%.

Предел текучести (s0.2) - напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки.

Пластичностью называется способность материала к пластической деформации. Ее характеристиками являются относительное удлинение δ (%) и относительное сужение Ψ (%), которые вычисляются по формулам:

Ударная вязкость материала показывает его способность сопротивляться разрушению при ударном приложении нагрузки. Она оценивается по результатам ударного разрушения на маятниковом копре специального брусчатого образца с надрезом. При этом ударная вязкость KCU вычисляется как результат деления затраченной на разрушение образца работы А на его рабочее сечение F: KCU = A/F

Тепловые свойства металлических проводниковых материалов (тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, теплота и температура плавления, термоэлектродвижущая сила, температурный коэффициент линейного расширения)

Читайте также: