Материалы высокого электрического сопротивления

1. Сплавы с большим удельным сопротивлением.

2. Проводниковые резистивные материалы:

А) проволочные резистивные материалы;

Б) материалы для электронагревательных элементов.

3. Пленочные резисторные материалы.

4. Материалы для термопар

1. К сплавам с большим удельным сопротивлением относят сплавы, которые имеют при нормальных условиях удельное электрическое сопротивление не меньше 0,3 мкОм м. Эти материалы нашли достаточно широкое применение при изготовлении разных электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.

Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов применяются сплавы с высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления.

Таким образом, к сплавам высокого сопротивления предъявляют следующие требования:

- удельное электрическое сопротивление ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм м и высокая стабильность его во времени;

- малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью;

- малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления α_ρ;

- технологичность.

В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции.

Материалы высокого сопротивления по назначению можно разделить на проволочные резистивные материалы, пленочные резистивные материалы, материалы для термопар.

2. Проволочные резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан), для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).

А) В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов) резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов. Для получения проволоки разного диаметра, которая используется для изготовления проволочных резисторов разного назначения, наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля. Важные электрические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения меди и никеля.

Манганин - это медно-никелевый сплав, который содержит в среднем 2,5-3,5% никеля (с кобальтом), 11,5-13,5% марганца, 85,0-89,0% меди. Содержимое примесей в нем, среди которых главным является железо, не должно превышать 0,9%. Легирование марганцем, а также проведение специальной термообработки при 400°С позволяет стабилизировать удельное сопротивление манганина в интервале температур от -100 ^оС до +100 ^оС. Манганин имеет очень малое значение термоЭДС в пари с медью, высокую стабильность удельного сопротивления во времени, которое разрешает широко использовать его при изготовлении резисторов и электроизмерительных приборов самых высоких классов точности.

Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в несколько иных соотношениях: никель (с кобальтом) - 39-41%, марганец - 1-2%, медь - 56,1-59,1%. Содержимое примесей также должен быть не более 0,9%. Само название сплава говорит о практической независимости его удельного электрического сопротивления от температуры, поскольку абсолютное значение коэффициента удельного сопротивления этого сплава не превышает 2 10^-6 °С^-1. По нагревостойкости константан превосходит манганина, что позволяет использовать его в реостатах и нагревательных элементах, работающих при температуре до 500°С. Высокие механические характеристики, сочетающиеся с пластичностью, позволяют изготовлять из этого сплава тончайшую проволоку, ленты, полосы и фольгу. Высокое значения термоЭДС в паре с медью и железом исключает применение константана в электроизмерительных приборах высокой точности, но с успехом используются при изготовлении термопар. Следует отметить так же, что наличие в составе константана достаточно большого количества дорогого и дефицитного никеля ограничивает его использование в изделиях массового производства.

Б) К нагревостойким сплавам принадлежат сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые образовывают при нагревании на воздухе сплошную оксидную пленку

Нихромы - сплавы на основе железа, которые содержат в зависимости от марки 15-25% хрома, 55-78% никеля, 1,5% марганца. Они в основном применяются для изготовления электронагревательных элементов, поскольку имеют хорошую стойкость при высоких температурах в воздушной среде. Продолжительность работы электронагревательных элементов из нихрома существенно увеличивается при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. Нихромы имеют высокую технологичность, легко протягиваются в тонкую проволоку или ленту. Значительное содержимое никеля в составе нихромов обуславливает их повышенную стойкость и ограничивает область применения.

В некоторых случаях для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических изделий применяется медно-никелевый сплав нейзильбер МНЦ-15-20, в составе которого 18-22% цинка, 13,5-16,5% никеля (с кобальтом) остальное - медь. Содержание в нем разных примесей не должно превышать 0,9%. Обладает очень высокими механическими характеристиками, пластичесностью, но удельное сопротивление его меньше, чем у других сплавов. Нейзильбер имеет высокую коррозийную стойкость и благодаря значительному содержанию цинка в своем составе - меньшую стоимость по сравнению с константаном.

Среди сплавов высокого сопротивления, которые широко применяют для изготовления разных нагревательных элементов, необходимо отметить жароустойчивые сплавы фехраль и хромаль. Они содержат в своем составе 0,7% марганца, 0,6% никеля, 12-15% хрома, 3,3-5,5% алюминия и другое - железо. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под влиянием разных газообразных сред при высоких температурах. Имеют удовлетворительные технологические свойства и хорошие механические характеристики, что позволяет достаточно легко получать из них проволоку, ленты, прутки и другие полуфабрикаты, которые способны свариваться и выдерживать большие механические нагрузки при высокой температуре без существенных деформаций.

3. Пленочные резистивные материалы получают из первичных (исходных) материалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свойства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изоляционную основу (подложку) методом термического выпаривания в вакууме; распылением, электрохимическим или химическим осаждением и др. Как основу используют стекло, керамику, ситалл, поликор, слоистые пластики и др.

К пленочным резисторным материалам предъявляют следующие требования:

-возможность изготовления резисторов со стабильным во времени низким температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления,

- высокая коррозийная стойкость и устойчивость к длительному воздействию высокой температуры,

- прочная адгезия с подложкой.

В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы делят на металлопленочные и металлооксидные, композиционные и углеродистые.

Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резисторов используют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, палладий, вольфрам и сплавы на их основе.

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. Как проводниковая фаза используются проводники (порошки серебра, палладия) и полупроводники (оксиды серебра, паладия, карбиды кремния, вольфрама). В качестве связующего вещества используют термопластичные и термореактивные полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали. К недостаткам композиционных резистивных пленок относятся повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты и старения при длительной нагрузке.

Углеродные материалы используют как пленочный резистивный материал в виде проводниковых композиций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода.

4 Для термопар, принцип действия которых был изложен в лекции 4.1, применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением.

Материалы для термопар выбирают по следующим характеристикам:

- допустимая рабочая температура спая Тсп;

- удельный коэффициент электрического сопротивления ρ;

- температурный коэффициент удельного электрического сопротивления α;

- коэффициент термо-ЭДС.

Для изготовления термопар наиболее широко применяются такие сплавы как копель, алюмель, хромель, платинородий, константан (состав этих сплавов приведен в таблице 4.2).

Таблица 4.2 - Характеристика сплавов для изготовления термопар.

Материалы, из которых изготавливают термопары, подбираются таким образом, чтобы в диапазоне измеряемых температур они имели максимальное значение термоЭДС. При этом погрешность при измерении температуры существенно снижалась.

Согласно этому условию, для измерения температур могут применяться такие термопары:

- медь – константан и медь – копель (до 350^оС);

- железо – константан, железо – копель и хромель – копель (до 600^оС);

- хромель – алюмель (до 900-1000^оС);

- платинородий – платина (до 1600^оС).

Для измерения криогенных температур можно использовать термопару железо-золото.

Знак термоЭДС у термопар зависит от направления тока в холодном и горячем спаях. Принято считать, что в холодном спае ток идет от первого названного в пари материала ко второму (т.е. от хромеля к копелю) а в горячем спае - наоборот.

Следует отметить, что некоторые сверхпроводниковые материалы тоже имеют значительный коэффициент термоЭДС, что позволяет с успехом использовать их для изготовления термоэлементов, термогенераторов, холодильных устройств и тому подобное.

Задание

1 Проработать лекцию и заполнить опорный конспект

2 Используя данные справочной литературы и учебника, заполните таблицу в рабочей тетраде.

3 Выполненное задание прислать по адресу: https://vk.com/id280227342

4 Продолжить готовиться к тестовому опросу и семинару по 4 разделу