Материалы высокого сопротивления

Материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы, некоторые оксиды, силициды и карбиды, а также чистые металлы в очень тонких слоях. Материалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 , очень низкий ТК ρ (температурный коэффициент удельного сопротивления) и малую термо-ЭДС относительно меди.

2.7.1. Металлические сплавы, образующие твердые растворы

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, широко применяют для изготовления различных термопар, образцовых резисторов, шунтов, реостатов, электронагревательных элементов и т.д. К материалам, которые используются для изготовления электронагревательных элементов, предъявляют дополнительное требование – они должны иметь высокую нагревостойкость, т.е. могли бы длительное время работать на воздухе при температуре около 1000°С без заметного ухудшения свойств. Кроме того, во многих случаях от металлических сплавов требуется высокая технологичность и возможность получать из них тонкие гибкие проволоки.

Удельное сопротивление металлов существенно возрастает в очень тонких пленках: чем тоньше пленка, тем больше удельное сопротивление ρ и меньше ТКρ. Это явление используют в пленочных резисторах. Для получения очень высоких значений удельного сопротивления применяют сочетание двух факторов, для чего используют материалы высокого сопротивления (металлические сплавы, оксиды, силициды, карбиды некоторых металлов и их смеси) в виде тонких пленок.

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по назначению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве проволочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар. Самыми распространенными среди медно-никелевых сплавов являются манганин и константан.

2.7.1.1. Манганин – это сплав, состоящий из меди Сu 85–89%, никеля Ni 2,5–3,5% и марганца Мn 11,5–13,5%. Примеси не должно быть более 0,9%. Свое название получил из-за содержащегося в нем марганца, придающего сплаву желтоватый оттенок. Удельное сопротивление манганина составляет 0,42–0,48 , предельно допустимая температура 200°С. Свойства манганина приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Основные свойства сплавов высокого сопротивления

Сплав	Плот-ность Мг/м^3	Удельное сопротив- ление ρ,	ТК , К^–1	Термо- ЭДС относи- тельно меди, мкВ/К	Предель- но допуст. рабочая темпера- тура, °С	Предел прочности на разрыв σ в, МПа	Относит. удлине-ние при разрыве, %
Манганин	8,4	0,42–0,48	5–30	1–2	200	450–600	10–15
Константан	8,9	0,48–0,52	–(5–25)	40–50	450–500	450–650	15–20
Сплавы системы Fe–Ni–Сr (нихромы): Х15Н60 Х20Н80	8,2–8,3 7,1–7,5	1,0–1,2 1,0–1,1	100–200 100–200	– –	1000 1100	650–700 650–700	22 20
Сплавы системы Fe–Cr–Al (фехраль и хромаль): Х13Ю4 Х23Ю5	7,1–7,5 6,9–7,3	1,2–1,35 1,3–1,4	100–120 65	– –	900 1200	700 800	20 10–15

Манганин хорошо протягивается в тонкую проволоку. Проволоку манганиновую неизолированную выпускают диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микропровод в стеклянной изоляции производят диаметром в несколько мкм. Проволоку выпускают в твердом и мягком (отожженном) состояниях. Ее поверхность должна быть чистой и гладкой, без трещин, раковин и расслоений. Манганин хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01–1 мм (ширина ленты 10–300 мм).

Для повышения стабильности сопротивления и снижения ТК ρ манганиновую проволоку специально остаривают, подвергая отжигу в течение 1–2 ч при температуре около 400°С в вакууме или в нейтральном газе (аргоне или азоте) с последующим медленным охлаждением. Затем выдерживают 10 ч при 140°С и еще около года при комнатной температуре. В паре с Сu и Fe манганин имеет низкую термо-ЭДС (1–2 мкВ/К).

Манганин применяют для изготовления образцовых (проволочных) резисторов, шунтов и некоторых измерительных приборов, например термопар, датчиков, измеряющих высокие гидростатические давления (при повышении гидростатического давления от нормального до 1 ГПа удельное сопротивление манганиновой проволоки возрастает на 2,5%).

2.7.1.2. Константан – сплав, содержащий 56–59% меди, 39–41% никеля и 1–2% марганца, примеси – не более 0,9%. Свое название получил за высокое постоянство удельного сопротивления в рабочем интервале температур. Его удельное сопротивление ρ=0,48–0,52 мкО·мм, значение ТК ρ близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. По нагревостойкости константан превосходит манганин и может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450–500°С. Константан имеет высокие механические свойства и хорошо поддается пластическому деформированию: его можно протягивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и манганин. Электрические и механические свойства константана приведены в табл. 2.5. При быстром (3 с) нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900°С на ее поверхности образуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами. Константановую проволоку с оксидной пленкой можно наматывать плотно, виток к витку, без дополнительной изоляции, если напряжение между витками не превышает 1 В. В паре константана с медью и железом возникает высокая термо-ЭДС (40–50 мкВ/К), что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Однако это свойство используют для изготовления медно-константановых и железо-константановых термопар.

2.7.1.3. Нагревостойкие сплавы. Их используют для изготовления нагревательных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия, называемые нихромами, ферронихромами, фехралями. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловлена образованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки, у которой коэффициент линейного расширения близок к ТКЛР сплава. Поэтому образование трещин в оксидной пленке может происходить только при резких сменах температуры. В этой связи срок службы электронагревательных элементов определяется не временем их непрерывной работы, а числом их включений и отключений. Наличие хрома в этих сплавах придает им высокую нагревостойкость.

Нихромы (см. табл. 2.5) – это сплавы системы Fe–Ni–Cr, содержащие Ni 55–78%, Cr 15–25%, Mn 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0–1,2 . При повышенном содержании железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы обладают высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую проволоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы, из них изготавливают электронагревательные элементы. Высокая нагревостойкость нихромов объясняется близкими значениями ТКЛР сплавов и их оксидных пленок. Срок службы электронагревательных элементов можно увеличить, заделав спирали в инертную среду типа глина-шамот, которая затрудняет доступ кислорода воздуха и предохраняет от механических повреждений.

Фехрали и хромали (см. табл. 2.5) – это жаростойкие сплавы системы Fe–Cr–A1, содержащие с своем составе хрома 12–15%, алюминия 3,5–5,5%, марганца 0,7%, никеля 0,6% и остальное железо; удельное сопротивление равно 1,2–1,4 . Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем нихромы. Поэтому из них получают проволоку и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Они намного дешевле и более доступны, чем нихромы, так как алюминий дешевле и доступнее, чем никель. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению под действием различных газообразных сред при высоких температурах.

2.7.2. Пленочные резистивные материалы

Из пленочных резистивных материалов изготавливают пленочные резисторы различных типов. Резистивные пленки получают методом вакуумных технологий из чистых металлов, их сплавов, оксидов, силицидов, карбидов некоторых металлов и их смесей, а также из углеродистых материалов.

Тонкие резистивные металлические пленки получают из тугоплавких металлов (тантала, рения, хрома) и таких сплавов, как нихромы, сплавы марки PC (содержат Si,Cr,Ni,Fe), сплавы марки МЛТ (многокомпонентные сплавы, содержащие Si,Fe,Cr,Ni,Al,W, а некоторые из них и лантаноиды), а также композиционных материалов (механические смеси мелкодисперсных порошков металлов, их оксидов, карбида кремния с органической или неорганической связкой). Используют также металлооксидные резистивные пленки (например, из двуокиси олова) и на основе различных модификаций углерода (природного графита, сажи, пиролитического углерода) и боруглерода.

Все типы пленочных резистивных материалов, за исключением углеродистых, непрерывно совершенствуют, ассортимент их постоянно расширяется.

2.7.3. Сплавы для термопар

Наибольшее применение для термопар получили сплавы: копель (Ni 44% и Сu 56%; r=0,465 ), алюмель (Ni 95%, остальное Al, Si и Мn; ρ=0,305 ), хромель (Ni 90% и Сr 10%; ρ=0,66 ), платинородий (Pt 90% и Rh 10%; ρ=0,19 ). Металлы для термопар подбирают таким образом, чтобы в интервале измеряемых температур их спаи могли образовывать максимальную термо-ЭДС. Согласно этому условию, применяют следующие термопары: медь-константан и медь-копель (до 350°С); железо-константан, железо-копель и хромель-копель (до 600°С); хромель-алюмель (до 900–1000°С); платинородий-платина (до 1600°С). Наибольшей термо-ЭДС при одинаковой разности температур спаев обладает термопара хромель-копель (80 мкВ/К), минимальной – термопара платинородий-платина (8 мкВ/К). Знак термо-ЭДС зависит от направления тока в холодном и горячем спаях. Принято считать, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму, а в горячем, наоборот, т.е. в холодном спае от меди к копелю, от платинородия к платине.