К материалам высокого сопротивления относятся металлы и сплавы, используемые для электроизмерительных приборов, резисторов. У них помимо высокого удельного сопротивления должны быть высокая стабильность сопротивления во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, малая термоЭДС в паре с медью. Иногда они должны работать при высоких температурах, быть технологичными и по возможности не содержать дорогостоящих компонентов. Резистивные материалы должны иметь высокое удельное сопротивление.обладать высокой коррозиционной стойкостью, высокой стабильностью и малой термоЭДС в паре с медью. Очень важно, чтобы эти требования выполнялись, если материал предназначен для изготовления образцовых и добавочных резисторов и шунтов электроизмерительных приборов.для переменных низкоомных резисторов надо иметь весьма малое и стабильное (во времени) контактное сопротивление. В зависимости от назначения, условий эксплуатации, с учетом номинального сопротивления в качестве материалов для резисторов применяют металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением, а также оксиды металлов, углерод, композиционные материалы (иногда на основе благородных металлов - платины, палладия, золота и серебра). Конструктивно резисторы выполняются в виде объемных элементов, проволоки различных диаметров и пленки, осаждаемой на диэлектрическое основание (подложку).для пленок введен параметр - сопротивление квадрата, или сопротивление на квадрат (или удельное поверхностное сопротивление), численно равное сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине, при протекании тока параллельно поверхности подложки. Сопротивление квадрата определяется по формуле
Rk = r / d, (3.3)
где r- удельное объемное сопротивление пленки толщиной d.
Для резисторов и термопар наиболее распространенными являются сплавы типа манганина. Это сплавы на никелевой и медно-никелевой основе. Собственно манганин - наиболее распространенный сплав при изготовлении точных резисторов. Манганин марки МНМцЗ-12 содержит: марганца 11,5 - 13,5 %, никеля и кобальта 2,5 - 3,5 %, остальные % - медь. Обычно при повыщении стабильности характеристик его отжигают при температуре 400 °С в течение 2 ч в вакууме или в нейтральных газах (аргон, азот) с медленным охлаждением. Холоднотянутая проволока подвергается 10-часовому старению при температуре 140 0С. Кроме того, требуется длительная выдержка манганина при комнатной температуре, примерно около 1 года. Основные свойства манганина этой марки таковы: при 20 0С удельное сопротивлениеr= 0,48 мкОм м: температурный коэффициент удельного сопротивления при той же температуре ar = (5 - 30) 10-6 1/К, термоЭДС относительно меди равна 1 мкВ 1/К +1: Тплавл = 960 0С, наибольшая допустимая рабочая температура (длительно) ТР 300 0С.
Константан также относится к этой группе сплавов, но в его составе марганца всего 1 – 2 %, никеля - 39 – 41 %, остальные %- медь. Марка константана - МНМц4О-1,5. Его основные свойства: r= 0,48 – 0,52мкОм м; ar = (5- 25) 10-6 1/К; Траб = 450 0С; термоЭДС в паре с медью достаточно высока и составляет 45 - 55 мкВ 1/К. что является недостатком при использовании его в измерительных схемах, но достоинством в термопарах.
Резисторы на основе кремния, как правило, тонкоплёночные. Для них использованы следующие марки сплавов: РС-4800, РС-370, РС3001, РС-1714, РС-1004, а также сплавы многокомпозиционные, состоящие из кремния, железа, хрома, никеля, алюминия и вольфрама (типа МЛТ). В обозначении марок буквы означают: РС резистивный сплав, две первые цифры - номинальное содержание основного легирующего компонента, две остальные - то же для второго компонента. Сплавы в виде порошков предназначены для изготовления методом испарения и конденсации в высоком вакууме тонкопленочных резисторов и других вспомогательных слоев в электронике. Резисторы из сплавов МЛТ получают термическим вакуумным испарением из вольфрамовых испарителей и путем конденсации пленок на диэлектрические подложки. Для увеличения удельного сопротивления сплавов в них часто вводят оксиды металлов. Для получения нужных свойств пленки после осаждения термообрабатывают. При толщине пленок от 0,1 до 1 мкм можно получить сопротивление квадрата от десятков Ом м до 35 кОм при ar= (2,5 -± 4)-10-4 1/К. В микросхемах распространен сплав МЛТ-ЗМ, у него сопротивление квадрата R= 200 -500 Ом.
Сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия в основном применяются для электронагревательных элементов. Они относятся к жаростойким с высоким удельным сопротивлением и подразделяются на: никель-хромовые (нихромы); никель-хромовые, легированные алюминием, железохромоникелевые и железохромоалюминиевые (хромали). У всех этих сплавов характеристики зависят от их химического состава. Так, для нихрома марки Х20Н80 (хром - 15 – 18 %, никель - 55 – 61 %, марганец - 1,5 %, остальные % - железо) удельное сопротивление r = (1,1-1,2) мкОм м; r = (100 - 200) 10-6 1/К; предельная Траб = 1000 0С. Для хромали марки Х23Ю5 (хром- 22 -25 %, никель - 0,6 %, марганец - 0,7 %, алюминий - 4,5 - 5,5 %) удельное сопротивление r= (1,3 - 1,5) мкОм м; ar= 65 10-6 1/К, а предельная Траб = 1200 0С. Нихромы стойки к окислению на воздухе при высоких температурах, т.к. на их поверхности образуется защитная пленка оксидов СrО + NiО с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к ar= 1 сплава. Однако для этого слоя оксидов опасны термоудары, при этом пленка трескается, туда проникает кислород - происходит дополнительное окисление и срок службы сплава уменьшается. Железохромоалюминиевые сплавы всех марок становятся хрупкими в интервале температур от 450 до 500 0C, что связано с выделением в структуре образований с повышенным содержанием хрома (порядка 80 %). Эта хрупкость может быть устранена нагревом сgлава до 750 - 800 °C с последующим охлаждением в воде.
Для всех сплавов агрессивными являются фосфорсодержащие среды, галоиды и сера, кроме железохромоалюминиевые сплавов, для которых газы, содержащие серу, допустимы.
Для жаростойких материалов и нагревательных элементов используют обычно карбиды и силициды тугоплавких металлов - ниобия, циркония, тантала и гафния. Из карбида ниобия методом порошковой металлургии изготавливают трубчатые, стержневые и Y-образные нагреватели длиной до 600 мм, наружным диаметром до 18 мм и толщиной стенки 2 - 3 мм. Печи с такими нагревателями работают в вакууме до 2500 0С, а в аргоне - до 3000 °С. Карбид циркония работает примерно при таких же температурах. Точка плавления карбида ниобия минус 3760 °С, циркония - 3530 0С, тантала - 3880 0С, а гафния - 3890 ОС. При комнатных температурах карбиды инертны к щелочам и кислотам. Из неметаллических нагревателей, чаще всего используются селит и глобар из карбида кремния, которые являются полупроводниковыми соединениями. Их Траб = 1400 - 1500 0С; при этой температуре срок службы таких нагревателей составляет около 1500 - 2000 ч. Силициды представляют собой соединения кремния в основном с металлами. Эти соединения широко используются в электротехнике, металлургии, космической, электронной в атомной технике. В электротермии наиболее популярен дисилицид молибдена (Мо - Si),который в изделиях может работать при 1700 0С в окислительной среде. Элементы выполняются также методом порошковой металлургии. Свойства дисилицида молибдена: удельное сопротивление r= 0,2 мкОм м при 20 0С; при 1600 0С r= 0,8 мкОм м; температурный коэффициент линейного расширения a1 = 8,25 10-6 1/К. При работе в вакууме силициды молибдена диссоциируют, поэтому их использование ограничено и зависит от парциального давления кислорода.
Константан, в отличие от манганина, содержит больше никеля — от 39 до 41%, меньше меди — 60-65%, значительно меньше марганца — 1-2%, - это тоже медно-никелевый сплав. Температурный коэффициент сопротивления у константана приближается к нулю — это главное достоинство данного сплава.
Константан отличается характерным серебристо-белым цветом, температура плавления 1270 °С, плотность в среднем около 8,9 г/см3. Промышленностью выпускается константановая проволока диаметром от 0,02 до 5 мм.
Отожженная мягкая константановая проволока имеет прочность на разрыв 45 — 65 кг/кв.мм, ее удельное сопротивление — от 0,46 до 0,48 ом*кв.мм/м. Для твердой константановой проволоки: прочность на разрыв — от 65 до 70 кг/кв.мм, удельное сопротивление — от 0,48 до 0,52 ом*кв.мм/м. Термо-эдс константана в паре с медью равна 0,000039 вольта на градус, что служит ограничением для использования константана в изготовлении точных резисторов и электроизмерительных приборов.
Значительная, в сравнении с манганином, термо-эдс позволяет применять константановую проволоку в термопарах (в паре с медью) с целью измерения температур до 300° С. При температурах выше 300° С медь начнет окислятся, при этом стоит отметить, что константан начнет окисляться лишь при 500° С.
Промышленностью выпускается как константановая проволока без изоляции, так и обмоточная проволока в высокопрочной эмалевой изоляции, проволока в двухслойной шелковой изоляции, и проволока в комбинированной изоляции — один слой эмали и один слой шелка или лавсана.
В реостатах, где напряжение между соседними витками не превышает нескольких вольт, используется такое свойство константановой проволоки: если за несколько секунд проволоку нагреть до 900° С, после чего охладить на воздухе, то проволока покроется темно-серой пленкой оксида, эта пленка может служить своеобразной изоляцией, поскольку обладает диэлектрическими свойствами.
Манганин
Для изготовления точных сопротивлений традиционно используют манганины. Манганины состоят из никеля, меди и марганца. Меди в из составе — от 84 до 86%, марганца — от 11 до 13%, никеля — от 2 до 3%. Самый же популярный из манганинов сегодня содержит 86% меди, 12% марганца и 2% никеля.
Чтобы стабилизировать манганины, в них добавляют немного железа, серебра и алюминия: алюминия - от 0,2 до 0,5%, железа — от 0,2 до 0,5%, серебра — 0,1%. Манганины имеют характерный светло-оранжевый цвет, их средняя плотность — 8,4 г/см3, а температура плавления — от 960 °С.
Манганиновая проволока диаметром от 0,02 до 6 мм (или лента толщиной от 0,09 мм) бывает твердой или мягкой. Отожженная мягкая проволока имеет прочность на разрыв от 45 до 50 кг/кв.мм, относительное удлинение составляет от 10 до 20%, удельное сопротивление — от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м.
Характеристики твердой проволоки: прочность на разрыв от 50 до 60 кг/кв.мм, относительное удлинение — от 5 до 9%, удельное сопротивление — 0,43 — 0,53 ом*кв.мм/м. Температурный коэффициент проволок или лент из манганина лежит в пределах от 3*10-5 до 5*10-5 1/°С, а для стабилизированных — до 1,5*10-5 1/°С.
Приведенные характеристики указывают на то, что зависимость от температуры электрического сопротивления манганина крайне незначительна, а это фактор в пользу постоянства сопротивления, что весьма значимо для прецизионных электроизмерительных устройств. Малая термо-эдс — еще одно достоинство манганина, и при соприкосновении с медными элементами она не превысит 0,000001 вольта на градус.
С целью стабилизации электрических характеристик проволоки из манганина ее нагревают в условиях вакуума до 400 °С, и выдерживают при такой температуре в течение от 1 до 2 часов. Затем проволоку длительно выдерживают при комнатной температуре для достижения приемлемой однородности сплава и для получения стабильных свойств.
В обычных рабочих условиях такая проволока сможет быть использована при температурах до 200 °С — для стабилизированного манганина, и до 60 °С — для нестабилизированного манганина, ибо нестабилизированный манганин при нагреве от 60 °С и выше претерпит необратимые изменения, которые скажутся на его свойствах. Так, нестабилизированный манганин лучше не нагревать до 60 °С, и следует считать эту температуру максимально допустимой.
На сегодняшний день промышленностью выпускается как голая манганиновая проволока, так и проволока в высокопрочной эмалевой изоляции — для изготовления обмоток, в шелковой изоляции, и в двухслойной лавсановой изоляции.
