Проводниковые материалы высокой проводимости

Важнейшие проводниковые материалы высокой проводимости - медь, алюминий, бронза, латунь и сплавы на основе алюминия.

Медь – металл красновато-оранжевого цвета. Удельное сопротивление r является наименьшим у чистой меди. Примеси снижают удельную проводимость меди. Согласно ГОСТ 859-78 медь по химическому составу подразделяется на несколько марок:

а) бескислородная (содержание кислорода 0.001-0.003%):

МООб; Моб; М1б.

б) катодная переплавленная (содержание кислорода 0,004 %):

М1у; М1; М1к.

в) М1р- раскисленная, (содержание кислорода 0,01%).

Цифры 00, 0, 1 отражают содержание меди. Максимальное содержание меди имеют марки МООк и МООб. Содержание меди вместе с серебром в этих марках составляет 99,9 – 99,99 % мас. В нормальных условиях медь достаточно устойчива против коррозии, так как ее химическая активность невелика. В присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната. Медь растворяется в азотной кислоте, легко соединяется с хлором и другими галогенами, горит в парах серы.

Для изготовления проводниковых изделий (обмоточные и монтажные провода, кабели) применяют сорта проводниковой меди с содержанием примеси не более 0.05-0.1%. Медную проволоку изготовляют из мягкой, т.е. отожженной при оптимальной температуре (марка ММ) и твердой не отожженной (марки МТ) меди.

Основные механические и электрические свойства проводниковой меди сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1 Механические и электрические свойства меди при t=20C.

Механические свойства меди от температуры обжига показаны на рисунке 1.1. Продолжительность отжига 1 ч.

МПа σ_р% Δl / l

80 ρ мкОм*м

700 70 0.0178

600 60 - ρ 0.0176

500 50 Δl/l 0.0174

400 40 0.0172

300 30 0.0170

200 20 σ_р 0.0168

100 10

200 400 600 800 t

Рисунок 1.1 – Зависимость предела прочности при растяжении sр, относительно удлинения перед разрывом Dl / l и удельного сопротивления r проволоки из меди марки М1 от температуры отжига.

Медь широко применяется в электротехнике для изготовления проводников, шнуров, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов.

Физико-механические и технологические свойства стандартной меди сведены в таблицу 1.3.

Сплавами меди, обладающими повышенной механической прочностью являются бронзы и латуни. Основные свойства о них приведены в таблице 1.2.

Латунь - двойной сплав на основе меди, главной легирующей добавкой в котором является цинк. Латуни дешевле меди, но прочнее и тверже ее, хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии. Структура и свойства латуней определяются содержанием цинка до 45%, при таком содержании цинка предел прочности при растяжении у латуней непрерывно возрастает. Для повышения механической и коррозийной стойкости в латуни вводят алюминий, олово, марганец, железо, никель, кремний. Олово и мышьяк повышают стойкость к действию морской воды. Свинец улучшает механические свойства, облегчает обработку резанием, но снижает пластичность сплава. Железо, в количестве большем 0.03% придает латуням магнитные свойства.

После холодной деформации прочность и твердость латуней возрастает, пластичность резко снижается. Отжиг в интервале 600-800ºС снимает состояние наклепа, сплав становится пластичным, его прочность и твердость уменьшается.

Бронзами называются сплавы меди с различными химическими элементами, кроме цинка и никеля.

Бронзы отличаются высокой механической прочностью, твердостью, упругостью как при нормальной, так и при повышенной температуре, стойкостью к истиранию. Основные типы бронз представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы-7%Sn), алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые 2.25% Be) и другими элементами. Наибольший интерес для электроники представляют бронзы, сочетающие высокую проводимость с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронзы), а также особо прочные сплавы с достаточно хорошей проводимостью (бериллиевые бронзы). Бронзы легко обрабатываются резанием, давлением и хорошо паяются. Для упрочнения бронзовые детали термообрабатывают: закаляют, а затем отпускают при оптимальных температурах. Проводниковые бронзы применяются для изготовления контактных проводов для электрического транспорта, коллекторных пластин, контактных ножей, скользящих контактов, токоведущих пружин, упругих контактных элементов и др.

Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом благодаря своей сравнительно большой проводимости и стойкости к атмосферной коррозии (удельная проводимость чистого алюминия составляет 65.5% проводимости стандартной меди), пластичности, хорошей технологичности, коррозийной стойкости, легкости (в 3.3 раза легче меди). Недостатком является малая твердость и сравнительно с медью небольшая механическая прочность. Кроме того, алюминий обладает более высоким, чем медь, коэффициентом температурного расширения. По отношению к большинству металлов алюминий имеет отрицательный электрический потенциал, и, находясь с ним в контакте, образуют гальванические пары, что в присутствии влаги способствует развитию электрохимической коррозии. Оксидная пленка обладает электроизоляционными свойствами и создает большое переходное сопротивление в месте контакта алюминиевых проводов. Поэтому пайка алюминия обычными методами невозможно. Для пайки алюминия применяются специальные паств- припои и ультразвуковые паяльники, разрушающие оксидную пленку. Присутствие примесей в составе алюминия (наиболее часто встречаемые железо, медь, цинк, титан), существенно снижают его удельную проводимость, а также влияют на механические характеристики.

Алюминий выпускается трех марок:

1. Алюминий особой чистоты-А999, примесей не более 0.001%.

2. Алюминий высокой чистоты-А95, А97, А99,А995, примесей не более 0,05%.

3. Алюминий технической чистоты- А5,А8, А0, примесей не более 1.0%.

Механические и электрические свойства проводникового алюминия приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Механические и электрические свойства алюминия в

зависимости от температуры.

Проводниковый алюминий используется для изготовления токопроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, а также неизолированных проводов для воздушных линий электропередачи, прессованных жил кабелей различного назначения основные физико-механические и электрические свойства проводникового алюминия приведены в таблице 1.2.Сплавы алюминия отличаются легкостью и повышенной механической прочностью по сравнению с чистым алюминием. В состав алюминиевых сплавов могут входить марганец, цинк, магний, медь, железо и кремний, причем содержание железа и кремния в составе сплава не должно превышать 0.7 и 0.3% соответственно.

С помощью легирующих добавок можно регулировать электрические, механические и технологические свойства сплавов. Основные свойства некоторых сплавов приведены в таблице 1.2 (сплавы высокого электрического сопротивления для электроизмерительных приборов).

Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления токоведущих частей электроизмерительных приборов и образцовых регистров. Поэтому к этим сплавам предъявляется ряд требований. Они должны иметь:

- высокое удельное сопротивление для уменьшения размеров и массы;

- малый температурный коэффициент удельного сопротивления, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления прибора при изменении их температуры;

- стабильность удельного сопротивления во времени;

Такими сплавами являются твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой.

Основные представители этой группы: сплавы меди с никелем, известные под названием манганин, константан и нейзильбер.

В химический состав манганина входят: 11.5- 13.5% Mn, 2.5- 3.5%Ni и остальное - Cu. Основной легирующей добавкой является марганец, и вследствие этого зависимость электрического сопротивления манганина от температуры имеет вид параболы с максимумом вблизи t=32-40C, благодаря чему удельное сопротивление сплава в интервале температур –100до 100ºС изменяется очень мало.

Из манганина изготовляют мягкие и твердотянутые проволоки диаметром 0.02мм и ленты толщиной до 0.08 мм, а также выпускают манганиновые обмоточные провода с эмалевой изоляцией.

Широко распространен в электротехнике медно-никелевый сплав константан.

Химический состав константана: 1.0-2.0% Mn, 39- 41%Ni, остальное Cu. Само название сплава подчеркивает независимость его электрического сопротивления от температуры. Константан сочетает высокую механическую прочность с пластичностью, что позволяет получать из него тончайшую проволоку, фальгу, ленты, полосы. По нагревостойкости константан превосходит манганин, что позволяет использовать его в реостатах и нагревательных элементах, работающих при t до 500ºС. Высокое значение термо-ЭДС в паре с медью и железом исключает применение константана в электроприборах высокой точности, но широко применяются для изготовления термопар.

Для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических целей применяется медно-никелевый сплав нейзильбер. Химический состав:18-22% Zn, 13/5- 16.5%Ni, остальное- Cu. Хотя нейзильбер и дешевле константана, но он уступает ему по электрическим свойствам: имеет меньшее удельное электрическое сопротивление и больший температурный коэффициент удельного сопротивления. Допустимая рабочая температура 200- 250ºС. Нейзильбер обладает хорошими механическими свойствами: высокой механической прочностью, пластичностью и коррозийной стойкостью. После холодной деформации сплав приобретает достаточную упругость. Некоторые физико-механические и электрические свойства перечисленных сплавов приведены в таблице 1.2.