Матеріали високої провідності. Сплави та неметалеві провідники (стр. 1 из 4)
МАТЕРІАЛИ ВИСОКОЇ ПРОВІДНОСТІ. СПЛАВИ ТА НЕМЕТАЛЕВІ ПРОВІДНИКИ
Житомир 2009
1. Прості матеріали високої провідності та їх сплави
До матеріалів високої провідності відносяться мідь, алюміній, натрій металевий, срібло, золото, платина, залізо. З них найбільш розповсюдженими в радіоелектронній та електротехнічній апаратурі є мідь та алюміній.
Мідь: метал жовто-червоного кольору.
Переваги міді:
Найменший, після срібла, питомий опір, ρ = 0,017 [мк Ом ּм];
достатньо висока механічна міцність;
задовільна стійкість до корозії (інтенсивне окислення відбувається тільки при підвищених температурах);
висока технологічність в обробці (з міді прокатуються листи, стрічки і протягуються дроти товщиною долів міліметра);
відносна легкість пайки та зварювання.
Отримання міді: здійснюється шляхом переробки сульфідних руд. Після декількох плавок руди та відпалювань з інтенсивним обдуванням, мідь очищують електролітичним шляхом. Отримані при цьому катодні пластини переплавляють в заготовки масою 80–90 [кг], які прокатують та протягують до необхідного поперечного перерізу. Для виготовлення дроту, спочатку шляхом гарячого прокатування, виготовляють «катанку» діаметром 6,5 ÷ 7,2 [мм], яку протравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти для зняття з її поверхні оксиду міді СuO, що виникає при нагріванні, а потім протягують без підігрівання в дріт потрібного діаметру до 0,03÷0,02 [мм].
Марки міді:
В якості провідникового матеріалу використовують мідь марок М1 та М0.
Склад міді:
марки М0 – 99,95% міді (Cu), 0,05% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,02%;
марки М1 – 99,9% міді (Cu), 0,1% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,08%. Присутність кисню погіршує механічні властивості міді.
При холодному протягуванні отримують тверду мідь (МТ), яка має високу межу міцності при розтягуванні, мале подовження перед розривом, твердість та пружність при вигинанні. Дріт з твердої міді здатний пружинити.
При випалюванні міді (здійснюється її підігрів до декількох сотень градусів з наступним охолодженням) отримують м’яку мідь (ММ). Відпалювання міді виконують в спеціальних печах без доступу повітря, з метою уникнення процесу окислення. М’яка мідь характеризується пластичністю, малими твердістю та міцністю, але для неї є характерним велике подовження перед розривом та більш висока питома провідність.
Сплави міді з оловом, кремнієм, фосфором, берилієм, хромом, магнієм, кадмієм – називаються бронзами. Бронзи мають більш кращі механічні властивості ніж чиста мідь. Бронзу використовують для створення пружинних контактів. Введення в мідь кадмію значно підвищує її міцність та твердість, при незначному зменшенні питомої провідності. Кадмієву бронзу використовують для виготовлення колекторних пластин. Ще більшою міцністю володіє берилієва бронза.
Сплав міді з цинком носить назву латуні, яка характеризується достатньо високим відносним подовженням при підвищеній, у порівнянні з чистою міддю, межі міцності при розтягуванні. Деталі з латуні, у порівнянні з мідними більш краще штампуються та витягуються.
Алюміній – другий за значенням після міді провідниковий матеріал. Відноситься до легких металів (питома щільність алюмінію становить 2,6 [Мг/м3], а прокатаного 2,7 [Мг/м3]). Алюміній в 3,5 рази легший ніж мідь. Температурний коефіцієнт розширення, питома теплоємність та теплота плавлення алюмінію більші ніж у міді, а температура плавлення навпаки менше. Алюміній має нижчі у порівнянні з міддю механічні та електричні характеристики. Його питомий опір ρ=0,028 [мкОм·м] в 1,63 рази більший ніж у міді ρ=0,0172 [мкОм·м]. Тому поперечний переріз дроту з алюмінію повинен бути в 1,63 рази більший, ніж у дроту з міді, для забезпечення однакового з ним електричного опору, тобто діаметр алюмінієвого дроту повинен бути в
рази більший ніж у мідного. Тому якщо в конструкції існують габаритні обмеження, краще застосовувати мідний дріт. Однак при однакових довжині та електричному опорі алюмінієвий дріт в 2 рази легший за мідний. Тому для виготовлення дротів однієї і тієї ж провідності при даній довжині, алюміній буде вигідніше міді в тому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонни міді не більше ніж у два рази. Алюміній менш дефіцитний за мідь.В електротехніці використовують алюміній марки А1, що містить ≤ 5% домішок. Для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів та корпусів оксидних конденсаторів, використовують алюміній марки АВОО кількість домішок в якому ≤ 0,03%. Алюміній марки АВОООО містить домішок ≤ 0,004%. Наявність домішок зменшує питому електричну провідність алюмінію. Прокатування, протягування та відпалювання алюмінію аналогічні операціям над міддю. З алюмінію є можливість, прокатуванням, отримати фольгу товщиною 6÷7 [мкм], яка використовується в якості електродів паперових та плівкових конденсаторів.
Алюміній активно окислюється, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, з великим електричним опором. Ця плівка захищає алюміній від подальшої корозії, але створює великий перехідний опір в місцях контакту алюмінієвих дротів і унеможливлює пайку алюмінію звичайними методами. Для пайки алюмінію використовують спеціальні пасти – припої або ультразвукові паяльники. У місці з’єднання алюмінію та міді виникає гальванічна корозія. У разі зіткнення місця контакту з вологою, виникає місцева гальванічна пара з доволі високим значенням ЕРС, причому полярність цієї пари є такою, що на зовнішній поверхні контакту струм протікає від алюмінію до міді, в результаті чого алюміній піддається значній корозії. Тому місця з’єднання мідних провідників з алюмінієвими повинні бути якісно захищені від вологи.
Алюмінієві сплави – мають підвищену механічну міцність.
Альдрей: 0,3÷0,5% магнію (Мg), 0,4÷0,7% кремнію (Si), 0,2÷0,3% заліза (Fe), решта алюміній (Аl). Високі механічні якості альдрей отримує після особливої обробки (закалювання катанки – охолодження у воді при температурі 510÷5500С, волочіння та витримка при температурі близько 150 0С). В альдреї утворюються з’єднання Мg2Si, яке забезпечує високі механічні властивості сплаву. У вигляді дроту альдрей має:
щільність – 2,7 [Мг/м3];
межу міцності при розтягуванні – σρ = 350 [МПа];
відносне подовження перед розривом – ∆ℓ/ℓ=6,5%;
температурний коефіцієнт лінійного розширення провідника – αl=23·10–6 [K –1];
питомий опір – ρ = 0,0317 [мкОм ·м];
температурний коефіцієнт питомого опору – αρ= 0,0036 [K –1].
Альдрей є легшим за алюміній та близьким до нього за питомим опором, при цьому за механічними властивостями він більш наближений до твердотягнутої міді.
Сталеалюмінієвий дріт – широко використовується в електротехніці для побудови ліній електропередач. Це скручений стальний дріт з алюмінієвими жилами. Механічні властивості забезпечує сталь, а електричні алюміній. В цьому дроті, при високих напругах, небезпека виникнення коронного розряду є меншою ніж у мідному, завдяки меншій величині напруженості електричного поля на його поверхні, яка визначається більшим зовнішнім діаметром.
Залізо (сталь) – найбільш дешевий та доступний з високою механічною міцністю метал, однак навіть чисте залізо у порівнянні з міддю та алюмінієм характеризується великим питомим опором ρ = 0,1 [мкОм ·м]. У сталі за рахунок вуглецю опір є ще більшим. У сталі при змінному струмі проявляється поверхневий ефект, тому активний опір стальних провідників змінному струму є більшим за омічний опір постійному струму. У якості провідникового матеріалу, як правило застосовують м’яку сталь із вмістом вуглецю 0,1÷0,15%. Для неї є характерними наступні параметри:
межа міцності при розтягуванні – σρ=700÷750 [МПа];
відносне подовження перед розривом – ∆ℓ/ℓ=5÷8%;
питома провідність (γ) в 6–7 разів менша ніж у міді.
Застосування м’якої сталі є вигідним для виготовлення дротів повітряних ліній, призначених для передачі невеликих потужностей (невеликого струму), оскільки при малій силі струму, переріз дроту визначається не електричним опором, а насамперед його механічною стійкістю. Сталь, як провідник застосовується у вигляді шин, рейок трамваїв та електричних залізних доріг (у тому числі «третя рейка» метро). Для осердь сталеалюмінієвих дротів повітряних ліній електропередачі застосовується особливо міцний сталевий дріт з параметрами: σρ=1200÷1500 [МПа], ∆ℓ/ℓ=4÷5%.
Звичайна сталь є нестійкою до корозії, навіть при нормальній температурі, особливо в умовах підвищеної вологості вона швидко ржавіє. Для запобігання корозії сталь покривають цинком. Залізо характеризується високим температурним коефіцієнтом питомого ТКρ
Біметал – це сталь, зовнішня поверхня якої покрита міддю, причому обидва метали з’єднані один з одним міцно та безперервно по всій поверхні їхнього зіткнення.
Способи виготовлення біметалу:
гарячий – стальна заготовка ставиться у форму, а проміжок між заготовкою та формою заливається розплавленою міддю, після чого вже біметалічну заготівку прокатують та протягують;
холодний – мідь електролітично осаджують на сталевий дріт, пропускаючи його крізь ванну з розчином мідного купоросу.
Біметал має механічні та електричні властивості проміжні між властивостями суцільних мідного та сталевого провідників того ж перерізу. Конструкція, в якій мідь розташовується в зовнішньому шарі, а сталь всередині забезпечує:
більш високу провідність всього дроту при змінному струмові;
захист сталі від корозії.
Біметалевий дріт характеризується наступними параметрами: зовнішній діаметр від 1 до 4 [мм]; відносний склад міді не менше 50%; межа міцності при розтягуванні σρ≥550÷700 [МПа]; відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ≤2%; опір 1 [км] дроту постійному струму при 20 0С в залежності від діаметра від 60 (при 1 [мм]) до 4 [Ом/км] при 4 [мм].