Матеріали високої провідності

Тема: Провідникові матеріали

Лекція № 9

Мета:Вивчити провідникові матеріали та їх застосуванння

Методи:словесний

План:

1 Мідь(загальні положення)

2 Алюміній

3 Срібло

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

До цих матеріалів належать провідники з питомим електрич­ним опором у нормальних умовах не більше 0,1 мкОмм. Це мідь, cсрібло, алюміній, золото, вольфрам та ін. Найважливіші усереднені фізичні характеристики цих та інших металів наведе­но у табл. 3.1.

Таблиця Головні усереднені властивості металів при 20 °С

Метал Темпера­тура плав­лення,°С Густина Мг/м3 Коефіцієнт теплопровід­ності, Вт/(м-К) Питомий опір, мк Ом«м т°к питомого опору, ХІО4, К"1
Ртуть Н§ -38,9 13,60 0,958
Цезій Сз 28,5 1,87 - 0,210
Галій Са 29,7 5,91 - 0,560 -
Калій К 63,7 0,87 0,069
Натрій Иа 97,8 0,97 0,046
Індій Іп 156,0 7,28 0,090
Літій Ьі 186,0 0,53 - -
Олово 8п 232,0 7,31 0,120
Кадмій СМ 321,0 8,65 0,076
Свинець РЬ 327,0 11,40 0,210
Цинк2п 420,0 7,14 0,059 -
Магній М§ 651,0 1,74 0,045
Алюміній А1 657,0 2,70 0,028
Срібло А§ 961,0 10,50 0,016
Золото Аи 1063,0 19,30 0,024
МідьСи 1083,0 8,94 0,017
Берилій Ве 1284,0 1,85 0,040
Нікель № 1455,0 8,90 0,073
Кобальт Со 1492,0 8,71 0,062
Залізо Ре 1539,0 7,87 0,098
Паладій Реї 1554,0 12,10 0,110 -
Титан Ті 1725,0 4,50 0,480
Хром Сг 1850,0 7,10 - 0,210 -
Платина Рі 1770,0 21,40 0,105 -
Торій ТЬ 1850,0 11,50 - 0,186
Цирконій 2г 1860,0 6,50 0,410
Іридій Іг 2350,0 22,50 - - -
Ніобій №> 2410.0 8,57 0,140
Молібден Мо 2620,0 10,20 0,057
Тантал Та 2850,0 16,70 0,135
Реній Ке 3180,0 20,50 0,210
Вольфрам XV 3410,0 19,30 0,055

 

Мідь - метал червонувато-оранжевого кольору (густина 8,9 г/см3, tпл=1083 °С). її отримують металургійною переробкою сульфід­них мідних руд. Вміст міді в рудах не перевищує 12 %. Тому руду попередньо збагачують до 20 - 40 % міді. Збагачену руду плав­лять у печах і отримують так звану чорну мідь, яка вміщає 97 -98 % міді. Для електротехнічних виробів застосовують мідь після її додаткового електролітичного очищення (рафінування).

Мідь має низку цінних властивостей, які забезпечують її широ­ке використання як провідникового матеріалу, а саме:

малий питомий опір;

відносно високу механічну міцність;

задовільну в більшості випадків стійкість до корозії;

високу пластичність і здатність прокатуватись у листи, стрічки, протягуватись у дріт діаметром до тисячних часток міліметра;

добру здатність до паяння і зварювання. Питома провідність міді та її механічні характеристики дуже чутливі до наявності домішкових атомів (рис. 3.12). Так, 0,5 % цинку, кадмію чи срібла знижують питому провідність міді на 5 %, нікелю, олова або алюмінію на 25 - 40 %, а берилію, миш'яку, заліза, сірки та фосфору на 55 % і більше.

Одночасно домішки олова, кадмію, алюмінію підвищують тве­рдість і міцність міді. Дуже шкідливими домішками в міді є віс­мут, свинець, кисень, фосфор, сірка і водень.

Вісмут і свинець майже не розчинні в міді і утворюють з нею легкоплавкі евтектики відповідно Сu-Ві з 99,8 % Ві і Сu-РЬ з 99,94 % РЬ (tпл цих металів відповідно 270 і 327 °С). Структура сплавів складається з раніше виділе­них кристалів міді, навколо яких розміщені оболонки віс­муту чи свинцю. Нагрів спла­ву вище температури плав­лення цих металів спричинює руйнування зв'язку між крис­талами міді (червонолам-кість), що унеможливлює про­катування вказаних сплавів. Червоноламкість міді викли­кає також кисень. За низьких температур мідь окрихчуєть ся сіркою.

Відпал міді в атмосфері водню зменшує в кілька разів її твер­дість. Проникаючи в глибину металу за підвищених температур водень вступає в реакцію з киснем, який знаходиться в технічній міді у вигляді закису Сu2О за реакцією

Сu2О+H2→2 Cu + H2O

Тиск утвореної водяної пари може досягати кількох тисяч ат­мосфер і ініціювати виникнення мікротріщин, які знижують ваку­умну щільність міді і її окрихчу-ють. Таке окрихчення названо "во­дневою хворобою ". Для запобіган­ня водневій хворобі вміст кисню в міді не повинен перевищувати 0,001%.

Промисловість випускає прові­дникову мідь шести марок з різ­ною кількістю домішок. У най­більш чистій міді (марка М 000) сума всіх домішок не перевищує 0,01%. Для виготовлення провід­никових виробів застосовують мідь з вмістом домішок не більше як 0,1 - 0,5%.

Рис. 3.12. Вплив домішок на електропровідність міді

Рис. 3.13. Вплив наклепу (деформації) на

Деформація,% електропровідність міді

 

Це наступні марки: М0 (99,95 % чистої міді), М1(99,90 %), М2 (99,70 %), МЗ (99,50 %), М4 (99 %). Мідний дріт виготовляють круглого (діаметром від 0,02 до 10 мм) і прямокутного перерізу (шини) з меншою сторо­ною в межах 0,8 до 4 мм, з більшою стороною - від 2 до 30 мм.

Механічні властивості міді значною мірою визначаються тех­нологією виробництва. За холодної протяжки отримують тверду (марки МТ) мідь з великою міцністю (до 400 МПа), твердістю і малою пластичністю (видовження при розриві 1-2 %). Якщо тве­рду мідь відпалити, то отримується м'яка мідь (марки ММ), яка має значно меншу міцність (до 200 МПа), але високу пластич­ність (видовження за розриву 30 - 40 %).

Тверду мідь використовують за необхідності забезпечення ви­сокої =>механічної міцності, => твердості і => зносостійкості: для контактних проводів, ножів рубильників, колекторів тощо. М'яку мідь застосовують у вигляді прямокутного і круглого дроту для струмоведучих жил кабелів і обмоткових проводів.

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору, є другим за засто­суванням після міді провідниковим матеріалом (густина 2,7 г/см3, tпл = 660 °С). Його отримують електролізом глинозему А12О3 в розплаві кріолітуNА1Р6. Питомий опір алюмінію в 1,6 раза бі­льший, ніж у міді, але алюміній в 3,5 раза легший від неї. Тому провідник з алюмінію рівної електропровідності легший. Він ха­рактеризується високою пластичністю і малою міцністю. Відпа­лений алюміній високої чистоти має σр= 58 МПа; σ0.220 МПа; твердість 25 НВ, ψ= 85 %,

δ = 40%.

Алюміній кристалізується в гранецентрованій ґратці, не має алотропічних модифікацій. Він - хімічно активний метал, але по­чаткове окиснення спричинює утворення оксидної плівки товщи­ною до 10 нм, яка ізолює метал від навколишнього середовища і захищає його від подальшої корозії. Однак вона створює великий перехідний опір в місцях контакту алюмінієвих провідників і уне­можливлює паяння алюмінію звичайними методами. Тому з цією метою застосовують спеціальні пасти - припої, або ультразвуко­ві паяльники.

Для створення надійної електричної ізоляції на поверхню алю­мінію електрохімічною обробкою наносять оксидні плівки товщиною 0,03 - 0,04 мм. Недоліком оксидної ізоляції провідників є її низька гнучкість і значна гігроскопічність. З оксидованого алюмі­нію виготовляють різні котушки без додаткової ізоляції. Найбільш широко оксидна ізоляція використовується в електролітичних кон­денсаторах та в деяких типах випрямлювачів і розрядників.

Важливе практичне значення має захист від гальванічної коро­зії контактів алюмінію з міддю, якщо область контакту зазнає впливу вологи. Тому для захисту від зволоження місця з'єднання алюмінієвих і мідних провідників покривають лаками. Алюміній стійкий в органічних кислотах, а в неорганічних тільки за їх низь­кої концентрації.

Найбільш чистий алю­міній вміщає 99,999 % Аlвикористовується пере­важно для наукових ці­лей. У промисловості в електротехніці викорис­товують алюміній техні­чної чистоти АЕ з вміс­том домішок не більше 0,5 %. Алюміній високої чистоти А97 застосову­ють для виготовлення фольги і корпусів елект­ролітичних конденсато­рів.

 

Рис. 3.14. Залежність питомої провідності відпаленого алюмініювід вмісту домішок

Домішки зменшують питому провідність цього металу (рис. 3.14). Найбільше зниження викликають домішки ванадію, титану і марганцю. Домішки, які не утворюють з алюмінієм твердих розчинів, мало впливають на його електропровідність.

Література: