Материалы с высокой проводимостью

Основным является требование максимальной удельной прово димости материала.

Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, воз никающей при штамповке или волочении, что приводит к разру шению отдельных зерен металла.

Влияние деформаций металла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во время которо го уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые мате риалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.

Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являют ся цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми ме таллами.

Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и сталь. Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термичес кой обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мяг кость материала и уменьшает напряжения в отливках.

Закалка и старение повышают механические свойства. 2. Медь. Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами: малым удельным электрическим сопротивлением (из всех метал лов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди); высокой механической прочностью; удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно мед леннее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди проис ходит только при повышенных температурах); хорошей паяемостью и свариваемостью; хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку). Свойства медной проволоки приведены ниже. Марка ……………………………………………………………………………………………………… МТ…………………………………………………ММ Плотность, D , кг/м 3 ………………………………………………………………… 8,96·10 3 …………………………………… 8,90·10 3 Удельное электрическое сопротивление r , мкОм•м, не более…………………………… 0,0179... 0,0182 0,0175 Предел прочности при растяжении s , МПа, не менее……………………………………………………………………………………3 60...390 260...280 Относительное удлинение при разрыве D l / l ,%…………………………………………………………………… 0,5...2,5 18...35 Медь получают чаще всего в результате переработки сульфид ных руд.

Примеси снижают электропроводность меди.

Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содер жание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопро тивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначенная для электро технических целей, обязательно подвергается электролитической очистке.

Катодные пластины меди, полученные в результате элект ролиза * , переплавляют в болванки массой 80…90 кг, которые про катывают и протягивают, создавая изделия необходимого попереч ного сечения. Для изготовления проволоки болванки сначала подвергают го рячей прокатке в катанку диаметром 6,5...7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных попереч ных сечений. В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медь марки М1 содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно бы не более 0,08%. Медь марки МО содержит примесей не более 0,05 в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими механическими свойствами, чем медь марки М1. Еще более чистым про водниковым металлом (не более 0,01% при * Совокупность процессов электрохимического окисления - восстановления, проис ходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока. месей) является ваку умная медь марки МВ, выплавляемая в вакуумных индукционных печах. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит). Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обес печить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распредели тельных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил ка белей и проводов диаметром до 0,2 мм. После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристалли зуется при температуре примерно 270°С) с последующим охлажде нием получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3…5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандар том, по отношению к которому удельную электрическую проводи мость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая проводимость такой меди рав на 58 мкСм/м, соответственно r = 0,017241 мкОм-м при значении ТК r = 4,3·10 -3 К -1 . Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабелях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет большого значения. Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнет ронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др. Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно.

Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с дру гими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было пере плавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюми нием. В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.

Бронзы . Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является осно вным легирующим элементом, называют бронзами (табл. 3.3). Таблица 3.3. Основные свойства некоторых проводниковых бронз

Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставя буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. На пример, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллия Ве, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова 8п,, 0,15 фос фора Р, остальное медь Cu). Введение в медь кадмия дает существенное повышение механической прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости g . Кадмиевую бронзу МК (0,9% кадмия С d , остальное Cu ) применяют для контактных проводов и коллекторных пластин осо бо ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах сварки.

Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью, твердостью и стойкостью к механическому износу (пре дел прочности при растяжении s р до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250 С. Она находит применение при изготовлении ответственных токо ведущих пружин для электрических приборов, щеткодержателей токоштепсельных и скользящих контактов.

Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn , 0,1 фосфора Р, остальное медь Cu) отличается низкой электропровод ностью. Из нее изготавливают различные малоответственные токо подводящие пружины в электроприборах.

Латуни . Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%). Основные свойства некоторых латуней приведены ниже. Сплав и его состав…………………………………………………………………………………… Л68(68% Cu , Л59-1 (59% Cu , 32 % Zn) 1%Pb,40%Zn) Удельная проводимость по отношению к электротехническому стандарту меди, %……………………………………… 46/30 30/20 Предел прочности при растяжении s р , Мпа…………………………………380/880 350/450 Относительное удлинение при разрыве D l/l ,%……………………………65/5 25/5 Примечание. В числителе данные для отожженной латуни, в знаменателе – для твердотянутой.

Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе проч ности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют по ниженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди.

Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец.

Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпач ки радиотехнических ламп). В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозна чение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие ле гирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb , остальное цинк Zn ). 2. Алюминий и его сплавы Алюминий . Алюминий относится к так называемым легким ме таллам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м 3 ). Алюминий обладает следующими особенностями: удельное электрическое сопротивление r алюминия (при содержании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике; алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди; из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плав ления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавления требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавление такого же количества меди; Даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках сто имость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако исполь зование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию; алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, ко торая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но созда ет большое переходное сопротивление в местах контакта алюми ниевых проводов; алюминий менее дефицитен, чем медь; существенным недостатком алюминия как проводникового ма териала является низкая механическая прочность, для ее повыше ния алюминий подвергается механической обработке; прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству ющим операциям для меди; примеси значительно снижают проводимость алюминия.

Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001... 0,01%) марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких пленок. Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03%) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алю миниевой фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следую щих марок: АТП - твердая повышенной прочности, АТ - твердая, АПТ - полутвердая, АМ - мягкая.

Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже. Марка алюминия …………………………………………………………………………………АТ АМ Плотность D , кг/ м 3 …………………………………………………………………2600…2700 2600…2700 Удельное электрическое сопротивление r , мкОм-м, не более…………………………………0,0295 0,0290 Предел прочности при растяжении s р , МПа, не менее …………………………………………………………………………160…170 80 Относительное удлинение при разрыве D l /l , % ……………………………………………………………………1,5…2,0 10…18 По мере снижения твердости проволоки в 1,9…2,7 раза уменьшает ся предел ее прочности при растяжении.

Максимальное значение предела прочности s p алюминиевого провода более чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-за низкой механической проч ности правильная эксплуатация алюминиевых поводов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзя протаскивать по твердо му грунту, скручивать медной проволокой, загрязнять поверхность.

Алюминиевые сплавы . Сплав алъдрей (0,3. ..0, 5% меди Си, 0,4... 0,7% кремния 51, 0,2... 0,3% железа Ре, остальное алюминий А1) обладает следующими свойствами: повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алю миния, приближаясь к твердотянутой меди s р = 350 МПа); сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению ( r = 0,0317 мкОм-м); более высоким пределом вибрационной прочности по сравне нию с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных ли ний электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плот ностью.

Применяется для изготовления стрелок различных элект рорадиотехнических приборов.