Электроэнергетический факультет Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Учебная дисциплина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ТЕМА 2 Проводниковые материалы Проводниковые материалы ЛЕКЦИЯ 3 Металлы и сплавы различного назначения

Учебные цели 1. Знать свойства тугоплавких и благородных металлов. 2. Знать свойства металлов со средним значением температуры плавления и припоев.

Учебные вопросы Введение 1. Тугоплавкие металлы. 2. Благородные металлы и припои. 3. Металлы со средним значением температуры плавления. Заключение

Список рекомендуемой литературы 1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, – 196 с. 2. Привалов Е.Е., Гальвас А.В. Электротехнические материалы: Пособие. СтГАУ, АГРУС, – 192 с. 3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ, АГРУС, – 196 с. 4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред. Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат Т.1,1986 – 308 с.;Т.2,1987. – 296 с.; Т.3,1988 – 728 с.

Введение Тугоплавкие металлы (ТМ) с температурой плавления более 1700°С являются химически устойчивыми при низких температурах и активными при повышенных. Эксплуатация ТМ при высоких температурах только в среде инертных газов или вакууме. Получают ТМ методами электровакуумной технологии - зонной очисткой и плазменной обработкой. Механическая обработка требует подогрева.

1. Свойства тугоплавких металлов ТМ - вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий и рений. ТМ при нагревании на воздухе интенсивно окисляются с образованием летучих соединений. Изготавливают нагревательные элементы, которые работают в вакууме или защитной среде. Преимущество ТМ - малое давление насыщенного пара при высоких рабочих температурах (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость давления насыщенных паров тугоплавких металлов от температуры

Вольфрам (W) - тяжелый, твердый ТМ серого цвета с высокой температурой плавления, у него высокая прочность при мелкозернистом строении, хрупкость и ломкость. После механической обработки W приобретает волокнистую структуру и не ломается. Этим объясняется гибкость тонких W нитей. Для улучшения свойств W, вводят добавки окислов кремния, алюминия, кальция. Из непровисающего W изготавливают нити для ламп накаливания, которые были разработаны в 1890 г. русским изобретателем А. Н. Лодыгиным.

Молибден (Мо) - металл близкий к W. Рекристаллизованный W при 20 0 С хрупок, а мелкозернистый Мо - пластичен. При 20 0 С Мо - инертный металл, но более активный, чем W. На воздухе Мо окисляется при 300°С с образованием низших окислов. Поэтому нагреваемые детали из Мо должны работать в вакууме или восстановительной среде. Среди всех ТМ молибден обладает наименьшим удельным сопротивлением (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления вольфрама, молибдена, тантала и рения от температуры

Тантал (Та) получают методами порошковой металлургии подобно W и Мо, в виде: проволоки, прутков, листов, лент и фольги. Та характеризуется высокой пластичностью даже при 20 0 С. В противоположность W и Мо тантал не становится хрупким при нагревании в вакууме до высоких температур. Ввиду высокой стоимости, Та используют для изделий, работающих в напряженном тепловом режиме (аноды и катоды электровакуумных приборов, электролитические конденсаторы).

Рисунок 3 – Зависимость удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления пленки из Та от парциального давления азота

Хром (Cr) элемент с высокой стойкостью к окислению. Применяют для защитных покрытий изделий, эксплуатируемых при повышенных температурах. Хромирование выполняют электролитическим методом. Из тонких пленок Cr изготавливают резисторы и слои для контактных площадок и проводящих соединений в интегральных микросхемах. Cr входит в состав сплавов для нагревательных приборов, термопар, конструкций из нержавеющих, жаропрочных сталей и магнитных материалов.

2. Благородные металлы и припои Золото (Au) - блестящий металл желтого цвета c высокой пластичностью. Преимуществом контактного Au является стойкость к образованию сернистых и окисных пленок (при 20 0 С и нагреве). Пленки из Au применяют для контактных площадок в пленочных микросхемах. При контакте Au с алюминием происходит образование соединений с повышенным удельным сопротивлением и хрупкостью. Поэтому контакты тонких пленок золота и алюминия ненадежны.

Серебро (Ag)- белый металл стойкий к окислению при 20 0 С с малым удельным сопротивлением. Малая удельная электропроводимость Ag обеспечивает слабый нагрев контактов и быстрый отвод теплоты. Недостаток Ag - миграция внутрь диэлектрика, на который нанесено, в условиях высокой влажности и при высоких температурах окружающей среды. Ag обладает пониженной химической стойкостью. Ag контакты не применяют рядом с резиной, эбонитом и другими материалами с серой. Хорошо паяется обычными припоями. Применение Ag ограничено дефицитом.

Платина (Pt) - белый металл не соединяющийся с кислородом и стойкий к химическим реагентам. Хорошо поддается механической обработке и вытягивается в тонкие нити и ленты. В отличие от серебра Pt на воздухе не образует сернистых пленок, что обеспечивает Pt контактам стабильное переходное сопротивление. Pt не растворяет водород, пропуская его через себя в нагретом состоянии. Pt применяют для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600°С.

Палладий (Pd) по свойствам близок к Pt и служит ее заменителем, т.к. Pd дешевле в раза. Pd используют в электровакуумной технике, т.к. способен поглощать водород (850-кратный объем водорода по отношению к собственному объему). Водородом наполняют газоразрядные приборы. Pd и его сплавы с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов. В отожженном состоянии Pd обладает хорошими механическими свойствами.

3. Металлы со средним значением температуры плавления Часто в ЭУ применяют железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co) - ферромагнитные металлы с температурным коэффициентом удельного сопротивления в 1,5 раза превышающим коэффициент α р меди. Fe - доступный металл с хорошей механической прочностью. Возможно применение в качестве проводникового ЭТМ (контур заземления).

Чистое Fe имеет более высокое по сравнению с Cu и Al удельное сопротивление (около 0,1 мк Ом м). Особенность Fe - нелинейная зависимость удельного сопротивления от температуры. Обусловлена изменением спонтанной намагниченности рядом с особой температурой Кюри (Т К ), выше которой ферромагнитные свойства отсутствуют (рисунок 4). При повышении температуры спиновая упорядоченность в Fe нарушается, что вызывает дополнительное рассеяние электронов проводимости.

Рисунок 4 – Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры: 1 – чистого железа; 2 – электротехнической стали; 3 - ферро нихрома

Согласно правилу Маттиссена полное сопротивление Fe : р Т = р Т + р ОСТ + р М (1) где р Т и р ОСТ – удельные сопротивления от рассеяния электронов Fe на тепловых колебаниях решетки и примесях; р М - магнитный вклад в сопротивление Fe от беспорядка в системе спинов. Отдельные составляющие удельного сопротивления ферромагнитного металла, например Fe, схематично показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 – Температурная зависимость удельного сопротивления ферромагнитного металла

Выше температуры Т К составляющая р м остается постоянной, а зависимость линейна. Из-за высокой магнитной проницаемости Fe заметно сказывается скин-эффект, даже в полях промышленной частоты. Из Fe изготавливают корпуса электровакуумных и полупроводниковых приборов (Т до 500°С). Газовыделение из Fe мало и не нарушает нормальную эксплуатацию приборов. Удельное сопротивление Fe, зависит от содержания примесей. Как следует из рисунка 6, наиболее сильное влияние на электрические свойства Fe оказывает примесь кремния.

Рисунок 6 – Зависимость удельного сопротивления стали от содержания различных примесей

Никель (Ni) - серебристый металл с плотностью, равной плотности меди. Применяют для арматуры электронных ламп, некоторых типов катодов. Ni легко получить в чистом виде (99,99% Ni) и ввести легирующие присадки кремния, марганца. Положительные свойства Ni - достаточная механическая прочность после отжига при большом относительном удлинении. Металл даже в холодном состоянии легко поддается механической обработке: ковке, прессовке, прокатке, штамповке, волочению и т. п.

Из Ni делают сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Наиболее вредная примесь в Ni - сера, резко снижающая механическую прочность. Ценное свойство Ni - химическая устойчивость к растворам щелочей, которые не действуют на него даже в нагретом состоянии. На рисунке 7 показано температурное изменение удельного сопротивления никеля. Отчетливо заметен излом графика в окрестности точки Кюри (Т К = 357°С).

Рисунок 7 - Зависимость удельного сопротивления и его температурного коэффициента от температуры для никеля

Припои - специальные сплавы, применяемые при пайке (прочный шов и электрический контакт с малым переходным сопротивлением). Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между деталями. Компоненты припоя диффундируют в основной металл. Прослойка из припоя соединяет детали в одно целое. Припои делят на мягкие и твердые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 300°С, к твердым - выше 300°С.

Мягкие припои: оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90% (ПОС-90), остальное свинец. Проводимость составляет % проводимости чистой меди. Твердые припои: медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (П Ср) с различными добавками. Флюсы - вспомогательные материалы для получения надежной пайки. Кислотные флюсы приготовляют на основе активных веществ - соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов.

Графит (форма чистого углерода - С). Обладает малым удельным сопротивлением, хорошей теплопроводностью, стойкостью к агрессивным средам и легкостью механической обработки. Контактолы - токопроводящие клеи, краски, покрытия и эмали. Представляют маловязкие и пастообразные полимерные композиции. Связующее вещество - синтетические смолы (эпоксидные и кремнийорганические), а токопроводящий наполнитель - порошки металлов(серебра и никеля). Контактолы используют для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками.