какие материалы относятся к группе материалов высокой проводимости

Материалы с высокой проводимостью

К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся медь, алюминий и некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза и др.). Они широко используются для изготовления катушек электрических машин, аппаратов и приборов. К таким материалам предъявляются требования возможно меньшего удельного сопротивления и возможно большей механической прочности.

Для различных случаев применения эти требования в той или иной степени уточняются. Например, для катушек машин и аппаратов выгоднее иметь меньшее удельное сопротивление даже за счет некоторого снижения механической прочности. Для воздушных же проводов контактной сети и линий электропередачи важно иметь определенную механическую прочность на разрыв.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси повышают удельное сопротивление. Примесь другого металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси.

Кристаллическая решетка металлов искажается не только введением примесей, но и в результате механических деформаций. В связи с этим обработка металла, приводящая к пластической деформации, вызывает увеличение его удельного сопротивления. В частности, это имеет место в процессе изготовления проводов при прокатке и волочении.

Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов. Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой, при этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость (медь марки МП). Такую твердотянутую медь используют для изготовления коллекторных пластин, неизолированных проводов, распределительных шин и пр.

При термической обработке твердотянутой меди (отжиге при температуре 330—350 °С) получают мягкую медь марки ММ, обладающую большой гибкостью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность ее также увеличивается. Мягкую медь используют для изготовления изолированных проводов, кабелей и пр.

В качестве проводниковых материалов применяют также различные бронзы, представляющие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют не только более высокую механическую прочность, чем медь, но и большее удельное сопротивление. Для изготовления контактных проводов и коллекторных пластин применяют преимущественно кадмиевые бронзы, для пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, ножей рубильников — бериллиевые бронзы.

Латунь (сплав меди с цинком) имеет также по сравнению с медью высокую механическую прочность, прочность против истирания, но вместе с тем и значительно более высокое удельное сопротивление. Латунь хорошо штампуется, вытягивается, паяется и сваривается.

Вторым по значению в электротехнике проводниковым материалом является алюминий. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким. Плотность алюминия около 2,6 г/см3, примерно в 3,5 раза меньше меди (ее плотность 8,9 г/см ). Для увеличения прочности и улучшения механических свойств к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и кремний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы — силумин, дюралюминий и пр.

По твердости различают две марки алюминия: AT — алюминий твердый неотожженный и AM — алюминий мягкий отожженный. Соединение алюминиевых проводов и других деталей производят обычно сваркой или заклепками, так как из-за высокой температуры плавления окиси алюминия, покрывающей поверхность алюминиевых деталей (примерно 2000 °С), и быстрого окисления зачищенной поверхности пайка алюминия обычным способом затруднена.

Источник

Электронная библиотека

К металлам и сплавам высокой проводимости предъявляют следую­щие требования:

· минимальное значение ρ_v;

· достаточно высокие механиче­ские свойства, главным образом предел прочности при растяжении (σ_р) и относительное удлинение при разрыве (Δl/l);

· хорошая технологичность (способность к пластическим деформациям, пайке, сварке);

· достаточно высокая стойкость к действию агрессивных сред.

Материалы высокой про­водимости применяют для изготовления обмоточных и монтажных прово­дов, различного вида токоведущих частей. Наиболее распространенными материалами высокой проводимости в электротехнике являются: медь, алюминий, серебро и сплавы на их основе, а также железо и сплавы на его основе; в электронной технике также ис­пользуют золото, платину, палладий.

Проводниковая медь является лучшим после серебра проводниковым материалом высокой проводимости. Широкое применение меди в качестве проводникового материала обусловлено рядом ценных свойств этого мета­ла:

1. малым удельным электрическим сопротивлением (ρ_v = 0,017241 мкОм·м при 20 °С, что является электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают ρ_v других проводниковых материалов);

2. высокой механической прочностью;

3. удовлетворительной коррозионной стойкостью;

4. хорошей технологичностью.

Примеси других металлов (включая и серебро) резко снижают прово­димость меди. Поэтому для основных марок проводниковой меди допуска­ется содержание примесей не более 0,1 % для марки М1 и 0,05 % для марки МО.

Кроме того, содержание кислорода, существенно ухудшающего меха­нические свойства меди, допускается не более 0,08 % и 0,02 % для соответ­ствующих марок.

В электровакуумной технике применяют более чистую медь, не со­держащую кислорода и летучих примесей (Zп, Рb, Вi); бескислородную медь марки МО. Она содержит не более 0,03 % примесей. Еще более чистой является вакуумная медь марки МВ с содержанием примесей не более 0,01 %.

Как проводниковый материал используют твердую медь марки МТ и мягкую медь марки ММ. При холодной прокатке (волочении) у твердой (твердотянутой) меди повышаются твердость, упругость, предел прочности при растяжении, сопротивление ρ_v,. По­сле отжига при температуре в несколько сотен градусов получают мягкую (отожженную) медь, которая пластична, имеет проводимость на 3…5 % вы­ше, чем у твердой меди, характеризуется большим удлинением при разры­ве. К недостаткам отожженной меди следует отнести небольшую прочность и пониженную твердость.

Применение твердой и мягкой меди различно. Твердую медь приме­няют там, где требуется обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость к истиранию: для изготовления коллектор­ных узлов электрических машин, кон

тактных проводов, шин распредели­тельных устройств и т.д. Мягкую медь используют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, токоведущих жил кабелей, где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ-устройств. Медь достаточно до­рогой и дефицитный материал.

В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводниковых материалов используют ее сплавы: бронзы и латуни.

Бронзы – это медь с небольшим (до 10 %) содержанием легирующих примесей: Sп, Si, Р, Ве, Сr, Мg, Са и др. Она имеет более высокие механи­ческие свойства. Бронзы применяют при изготовлении токопроводящих пружинящих контактов и пружин точных приборов.

Латуни – это сплавы меди с цинком. Они обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на рас­тяжение по сравнению с чистой медью. Латунь применяют для изготовле­ния различных токоведущих частей.

Проводниковый алюминий имеет удельное электрическое сопротивле­ние 0,026мкОм·м, т.е. оно в 1,63 раза выше ρ_v меди. Но алюминий при­мерно в 3,5 раза легче меди. Следовательно, если сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводников одной и той же электропроводности, то окажется, что алюминиевый провод окажется легче медного примерно в два раза.

Кроме того, преимущество алюминиевых проводов состоит в том, что они дешевые. Для электротехнических целей использу­ют алюминий марки АЕ содержащий не более 0,5 % примесей. Еще более чистый алюминий марки АВОО (содержит не более 0,03 % примесей) приме­няют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов элек­тролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВООО, ис­пользуемый в полупроводниковом производстве содержит не более 0,001% примесей. Из алюминия прокатывается тонкая фольга (до 6…7 мкм), приме­няемая в качестве обкладок конденсаторов. Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой, плотной оксидной пленкой А1₂Оз с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алю­миний от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротив­ление в местах контакта.

Из сплавов алюминия следует отметить сплавы, содержащие маг­ний (до 0,5 %), кремний (до 0,7 %) и железо (до 0,3 %).

Серебро в нормальных условиях имеет самое малое удельное элек­трическое сопротивление (ρ_v = 0,016 мкОм·м) устойчиво к окислению. Вы­сокие механические свойства серебра позволяют промышленно изготовить из него проводники различного диаметра вплоть до 15 мкм. Как проводник серебро используется в виде гальванических покрытий в проводниковых элементах ВЧ- и СВЧ-устройств. Особенностью серебра является его спо­собность образовывать при выжигании или напылении прочные покрытия на диэлектрических материалах. Это свойство серебра широко использует­ся при производстве малогабаритных конденсаторов. Однако необходимо учитывать, что при повышенных температурах и влажности атомы серебра способны мигрировать по поверхности и в объем диэлектрика, что может вызвать нарушение работы устройств. В чистом виде и в сплавах серебро широко используется как материал для изготовления кон­тактов различного рода.

Железо (сталь) – наиболее дешевый и доступный материал, обла­дающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используется в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более вы­сокое по сравнению с медью и алюминием удельное электрическое сопро­тивление (ρ_v = 0,098 мкОм·м). Значение ρ_v стали за счет наличия примесей еще выше. В переменных электрических полях в железе, как магнитном материале, сильно проявляется поверхностный эффект. Железо имеет вы­

Для изготовления проводников используют и благородные металлы. Материалы этой группы (золо­то, платина, палладий) относятся к числу материалов с наибольшей хими­ческой стойкостью к агрессивным средам.

Золото обладает достаточно высокой электрической проводимостью (ρ_v = 0,024 мкОм·м) и исключительно высокой пластичностью, что позволя­ет получить фольгу толщиной 0,08 мкм. Это в 250 раз тоньше человеческо­го волоса. В электротехнике и электронной технике золото используют для изготовления электро­дов фотоэлементов, для вакуумного напыления пленочных микросхем, как контактный, коррозионно-устойчивый материал,

Платина – светло-серый металл практически не взаимодействующий с кислородом и весьма стойкий к возникновению химически активных реа­гентов. Высокая пластичность платины позволяет получать из нее микропровод диаметром до 1 мкм и весьма тонкую фольгу. Сочетание ряда цен­ных свойств платины с ее сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением (ρ_v = 0,105 мкОм·м) определяет ее широкое применение в электронной технике и приборостроении.

Платину в виде тонких нитей применяют для изготовления подвесок подвижных систем особо чувствительных приборов. Платину и особенно ее сплавы повышенной твердости используют как контактный материал. Платиносодержащие вещества применяют для вжигания контактных пло­щадок, электродов, на керамических изделиях различного назначения. Платина дает вакуумно-плотные слои в точных измерительных и электро­вакуумных приборах.

Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит ее заменителем. Его электрическое сопротивление ρ_v = 0,11 мкОм·м.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник

Какие материалы относятся к группе материалов высокой проводимости

В эту группу входят материалы с удельным электрическим сопротивлением до 0,1 мкОм*м – медь, алюминий, железо и некоторые сплавы.

► Медь

Медь занимает III место в мире по производству и потреблению. Как ЭТМ, она обладает целым рядом ценных свойств:

Рисунок 2.13 – Технологические стадии производства электротехнической меди

В качестве проводникового материала используется медь марок М1 и М0, отличающихся степенью чистоты, т.е. содержания Cu. Медь марки М1 содержит 99,9% Cu, а в общем количестве примесей (0,1%) регламентируется доля кислорода – она не должна превышать 0,08% (кислород ухудшает механические свойства меди). Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержание Cu составляет 99,95%, а кислорода – не более 0,02%. Из меди марки М0 может быть изготовлена особо тонкая проволока (диаметром 0,01 мм).

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинения перед разрывом, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов без доступа воздуха с последующим медленным охлаждением, то получается мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и более высокую удельную проводимость (на 3 – 5% больше, чем у марки МТ).

Твердую медь марки МТ используют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин. Мягкую медь применяют главным образом в качестве токопроводящих элементов (жил кабелей, проводов и т.п.), т.е. там, где важны хорошая электропроводность, гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения. Ленточная мягкая медь используется для экранирования радиочастотных кабелей и т.п. изделий.

Кроме того, несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяется в спаях с ними благодаря следующим своим свойствам: низкому пределу текучести, мягкости и высокому коэффициенту теплопроводности. Для впаивания в стекло медному электроду придается специальная форма в виде тонкого рантика (т.н. рантовые спаи).

Удельное сопротивление меди существенно зависит от примесей, причем не только от их содержания, но и от вида примеси: например, примесь цинка, кадмия, серебра в количестве 0,5% изменяет удельное сопротивление на 5% (по сравнению с чистой медью), а аналогичное количество бериллия или фосфора – больше чем на 55%.

В тех случаях, когда проводник должен обладать повышенными механическими характеристиками и не предъявляются высокие требования к его электропроводности, используются сплавы меди с другими металлами.

Сплавы меди с цинком называются латуни. Они маркируются буквой Л и числами, характеризующими среднее значение основного и легирующих элементов, – например, латунь Л80 содержит 80% меди и 20% цинка. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, после буквы Л указывается условное обозначение этих элементов: С – свинец; О – олово; Ж – железо; А – алюминий; К – кремний; Мц – марганец; Н – никель. Цифры после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка, – его содержание определяется по разности от 100%. Например, в латуни ЛАН-59-3-2 содержится 59% Cu, 3% Al, 2% Ni и 36% Zn. Латуни обладают большим коэффициентом линейного удлинения при разрыве и большим значением σ_р, что обеспечивает технологические преимущества при производстве деталей штамповкой.

Медно-никелевыми называются сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель, образующий с медью непрерывный ряд твёрдых растворов. При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии – из них получают листы, ленты, проволоку, прутки, трубы, штампуют различные изделия. Медно-никелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. Конструкционные медно-никелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью и красивым серебристым цветом, к ним относятся мельхиор и нейзильбер. Электротехнические медно-никелевые сплавы имеют высокое электросопротивление и значительную термоЭДС в паре с другими металлами. Их применяют для изготовления резисторов, реостатов, термопар. К электротехническим медно-никелевым сплавам относятся константан, копель и другие сплавы.

Сплавы меди со всеми остальными элементами (оловом, алюминием, кремнием, бериллием и т.д.) называются бронзами. При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие механические свойства по сравнению с чистой медью; σ_р бронз может доходить до 800 – 1350 МПа (бериллиевая бронза). Электропроводимость бронз составляет 10 – 30% от значения для чистой меди (за исключением кадмиевой бронзы, у которой удельная электропроводимость снижается сравнительно мало). Бронзы маркируются Бр, а затем, также как у латуней, указываются основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. При этом цинк обозначается Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – Х. Например, бронза БрО10 – сплав 90% Cu и 10% Sn.

► Алюминий

Алюминий дешевле и доступнее меди, т.к. он является самым распространенным в природе металлом. Его содержание в земной коре – не менее 8%. Технология получения алюминия схожа с технологией производства меди: его получают путем электролиза глинозема и электролитического рафинирования, с помощью которого можно довести его чистоту до 99,99%. Из слитков алюминия изготавливают алюминиевую проволоку и катанку диаметром 9 – 23 мм. При этом, хотя температура плавления алюминия почти в 2 раза меньше, чем у меди, для его расплавления требуется большая затрата тепла. Это связано с тем, что алюминий имеет более высокие значения температурного коэффициента расширения, удельной теплоемкости и теплоты плавления. В результате холодной прокатки получают твердый алюминий (АТ), который имеет повышенную механическую прочность, твердость и удельное сопротивление; относительное удлинение перед разрывом составляет для него 12 – 14%. После отжига получают мягкий (отожженный) алюминий (АМ), для которого относительное удлинение составляет 30 – 33%.

Маркировка алюминия состоит из буквы А и цифры, обозначающей сотые или тысячные доли процента (после 99%) содержания алюминия. Например, особо чистый алюминий А999 содержит не менее 99,999% алюминия, остальное – примеси. Для электротехнических целей используются также марки А1 (содержание примесей менее 0,5%), АВ00 (≤ 0,03%) – для изготовления тонкой фольги (до 6 – 7 мкм), применяемой в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах, и АВ0000
(≤ 0,004%) – специального назначения.

Алюминий весьма активно окисляется на воздухе и покрывается тонкой (порядка 0,0001 мм) оксидной пленкой Al₂O₃ с большим электрическим сопротивлением (порядка 10 14 Ом*м), предохраняющей алюминий от дальнейшей коррозии. С одной стороны, эта пленка создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами (используются ультразвуковые паяльники и специальные пасты – припои); с другой стороны, она служит естественной межвитковой изоляцией (при небольших напряжениях) и используется в этом качестве в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.

В местах контакта алюминия и меди, особенно на открытом воздухе в присутствии влаги, возникает довольно значительная гальваническая ЭДС, вызывающая коррозию металла. На поверхности контакта ток идет от алюминия к меди, и алюминий сильно разрушается коррозией. Поэтому в местах соединения алюминиевых и медных проводников устанавливаются стальные шайбы.

Алюминиевые сплавы, также как и медные, обладают повышенной механической прочностью и твердостью, и тоже делятся на электротехнические и конструкционные. Из электротехнических сплавов наиболее известен альдрей, в который, кроме алюминия, входят 0,3 – 0,5% Mg, 0,4 – 0,7% Si и 0,2 – 0,3% Fe. Выпускается в виде проволоки, которая сохраняет легкость алюминия при небольшом увеличении удельной проводимости. А по механической прочности этот сплав близок к твердотянутой меди.

Еще одним изделием из алюминия, получившим широкое применение в качестве ЭТМ, является сталеалюминиевый провод. Он представляет собой сердечник, свитый из стальных оцинкованных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Прочность этого провода определяется стальным сердечником, а электрическая проводимость – алюминием.

► Железо

Железо (в виде стали) является наиболее дешевым и доступным металлом (содержание в земной коре около 5%), поэтому оно часто используется в качестве проводникового и конструкционного материала. Основные рудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк. Чистое железо имеет значительно более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление; значение ρ стали, т.е. сплава железа с углеродом и другими элементами, еще выше, но зато эти сплавы обладают высокой механической прочностью.

Поскольку сталь является хорошим ферромагнетиком, то на переменном токе в ней сильно проявляется поверхностный эффект, из-за чего активное сопротивление стальных проводников переменному току больше, чем постоянному. Кроме того, на переменном токе возникают дополнительные потери на гистерезис.

В качестве проводникового материала обычно используется мягкая сталь с содержанием углерода 0,1 – 0,15%.

Недостатком стали является малая коррозионная стойкость.

В промышленности широко используется так называемый проводниковый биметалл – стальной провод, покрытый снаружи слоем меди или алюминия. Для его производства используется два способа – горячий и холодный. При горячем способе стальную болванку помещают в форму, промежуток заливают расплавленной медью, затем прокатывают и протягивают до нужного диаметра. Холодный способ – электролитический: стальная проволока пропускается через ванну с медным купоросом. В этом случае получается более равномерное покрытие, но менее прочное сцепление; этот способ более дорогой.

Наиболее широко железо используется в сплавах высокого сопротивления.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник