Материалы с высокой проводимостью

1. Медь и ее сплавы

Медь. Свойства меди:

- малое удельное электрическое сопротивление;

- высокая механическая прочность;

- удовлетворительная коррозийная стойкость;

- хорошая паяемость и свариваемость;

- хорошая обрабатываемость.

В качестве проводниковых материалов используют медь марок М1 (99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем объеме примесей кислорода не более 0,08%) и М0 (примесей не более 0,05%, в том числе кислорода не более 0,02%). С уменьшением содержания количества кислорода в меди улучшаются ее механические свойства. Вакуумная медь МВ (не более 0,01% примесей).

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), обладающую высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью. Применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (контактные провода, шины распределительных устройств, коллекторные пластины электрических машин и др.)

После отжига до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3-5% выше, чем у твердой меди. ММ служит электротехническим стандартом, по отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20⁰ С. Применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабелях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность, а прочность не имеет большого значения.

Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным легирующим элементом.

При правильно подобранном составе имеют более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Маркируют буквами Бр, после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок (Бр.В2 - 2% бериллия, остальное медь).

Латуни. Медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%). Прочнее меди, обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью, имеют меньшую стоимость. Хорошо штампуются, легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости и др.).

В обозначении марок сложных латуней после буквы Л (обозначение латуни) ставятся буквы, которые указывают наличие легирующих элементов (кроме меди). Например, ЛС59-1 (59% меди, 1% свинца, остальное цинк)

2. Алюминий и его сплавы

Алюминий. Относится к легким металлам.

Особенности:

- удельное электрическое сопротивление в 1,63 раза больше, чем у меди;

- приблизительно в 3,5 раза легче меди;

- из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавления требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавление того же количества меди;

- даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках стоимость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако использование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

- на воздухе окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов;

- менее дефицитен, чем медь;

- имеет низкую механическую прочность, для повышения подвергают механической обработке;

- примеси 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.

Алюминий А97 и А95 (примесей не более 0,03%) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов.

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

Алюминиевые сплавы:

Альдрей (0,3...0,5% меди, 0,4...0,7% кремния, 0,2..0,3% железа, остальное алюминий). Имеет повышенную механическую прочность, применяется для изготовления малонагруженных линий электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плотностью, применяется для изготовления стрелок электрорадиотехнических приборов.

Силумин относится к группе литейных сплавов с повышенным содержанием кремния, меди и марганца. Обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, большой плотностью и повышенной прочностью по сравнению с алюминием. Применяется для корпусов воздушных конденсаторов.

Дюраль - деформируемый сплав алюминия с медью, магнием и марганцем. Медь и магний улучшают механические свойства сплава, марганец - твердость и коррозийную стойкость.

3. Железо и сплавы

Железо обладает следующими свойствами:

более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное элек­трическое сопротивление, что ограничива­ет возможности применения железа как проводникового материала;

высокий температурный коэффициент удельного электрическо­го сопротивления;

высокая механическая прочность;

дешевизна и доступность материала;

большая магнитная проницаемость и высокая индукция насы­щения;

технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).

Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электрова­куумных приборах как материал для анодов, экранов и других эле­ментов, работающих при температурах до 500°С. Как ферромаг­нитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов.

Стали. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0.05% принято называть техническим железом, с содержанием уг­лерода 0,05... 1,35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.

В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода все­гда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1...0,37%); марганец Мn (0,2...0,8%); сера S (0,03...0,06%); фосфор Р (0,03......0,07%).

Кремний способствует устранению пузырей в слитке, повышает сопротивление разрыву и упругие свойства стали, а также повыша­ет твердость.

Марганец повышает твердость стали и сопротивление разрыву, уменьшает удлинение и ухудшает свариваемость стали.

Сера является вредной примесью. Присутствие серы в количе­стве выше допустимого ухудшает прочность, пластичность и кор­розионную стойкость, повышает истираемость и изнашиваемость изделий. Фосфор также является вредной примесью. Его повышен­ное содержание вызывает в стали хрупкость при обычных темпера­турах и появление трещин при ударной деформации, ухудшает ме­ханические свойства за счет образования крупнозернистой струк­туры.

Кислород в стали содержится обычно в тысячных долях процен­та. При повышении содержания кислорода увеличивается хрупкость стали.

По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкци­онную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.

В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова «Сталь» ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь10 (содержание углерода 0,1%).

Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, назы­ваются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X),молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значитель­ной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.

4. Натрий

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза боль­ше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;

низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводи­мости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но лете, чем провода из любого другого металла;

химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

мягок;

малый предел прочности при растяжении и других деформа­циях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэти­леновые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создаст электрическую изоляцию.