Материалы с высоким сопротивлением

В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции.

Материалы высокого сопротивления по назначению разделяются: 1) на проводниковые резистивные материалы,

2) пленочные резистивные материалы,

3) материалы для термопар.

1) Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).

а) К проволочным резистивным материалам предъявляются следующие требования:

- удельное электрическое сопротивление р при нормальной тем­пературе не менее 0,3 мкОм-м и высокая стабильность его значе­ния во времени;

малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью;

малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК r;

- технологичность.

В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов) резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с заметно деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов. Для получения про­волоки разного диаметра, применяемой для изготовления прово­лочных резисторов различного назначения, наибольшее распрост­ранение получили сплавы на основе меди и никеля. Важнейшие элек­трические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения меди и никеля.

Манганин - сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца. Его примерный состав: медь Cu - 85% (большое содержание меди при­дает сплаву желтоватый цвет), марганец Мn - 12%, никель Ni - 3%. Основные свойства манганина приведены в табл. 7.

Для обеспечения малого значения температурного коэффициен­та удельного электрического сопротивления ТК r и стабильности коэффициента удельного электрического сопротивления r манга­нин подвергают отжигу в вакууме при температуре примерно 550...600°С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждени­ем.

При температуре 60°С манганино­вая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стек­лянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляци­онными свойствами, повышенной нагрево- и влагостойкостью.

Таблица 7. Основные свойства проводниковых сплавов с высоким сопротивлением

Параметры	Манганин	Константан	Нихром
Плотность D, кг/м^3	8400		8200…8300
Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм·м	0,42…0,48	8900	1,1…1,2
Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления TKρ, K^-1	(6…50)·10^-6	0,48…0,52	(100…200)·10^-6
Коэффициент термоЭДС в паре с медью, мкВ/К	1…2	45…55	650…700
Предел прочности при растяжении σp, МПа	450…600	-	650…700
Относительное удлинение при разрыве Δ l / l, %	15…30	20…40	25…30
Рабочая температура Траб, °С	200	400	1000

 

Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов. К недостаткам манганинового микропровода относят невысо­кую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции.

Константин представляет собой твердый раствор никеля и меди, получивший свое название за высокое постоянство коэффициента удельного электрического сопротивления r (константа) при изме­нении температуры. Основные свойства константана см. в табл. 1.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина, предель­но допустимая температура при длительной работе достигает 500 °С. При нагревании до высоких температур (примерно 900 °С) констан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, ре­зисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает срав­нительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство константана позволяет использовать его в паре с ме­дью или железом для изготовления термопар. Константан применяют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов.

Широкому применению константана препятствует его повышен­ная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

б) К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования: высокий коэффициент удельного электрического сопротивления r, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК r, дли­тельная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и до­ступность компонентов.

К нагревостойким сплавам относят сплавы на основе железа, ни­келя, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку.

Нихромы представляют собой твердые растворы никель-хром (Ni-Cr) или тройные сплавы никель-хром-железо (Ni-Cr-Fe).

Железо вводится в сплав для обеспечения лучшей обрабатывае­мости и снижения стоимости, но в отличие от никеля и хрома желе­зо легко окисляется, что приводит к снижению нагревостойкости сплава; содержание хрома придает высокую тугоплавкость окси­дам. Близость значений температурных коэффициентов линейного расширения ТК r этих сплавов и их оксидных пленок повышает стой­кость хромоникелевых сплавов при высокой температуре воздуха. Растрескивание оксидных пленок происходит при резких сменах температуры. В результате кислород воздуха проникает в образо­вавшиеся трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательно­го элемента из нихрома он перегорает значительно быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличе­ния срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению ме­талла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теп­лопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют, например, в электрических кипятильниках, которые могут работать длительное время.

Нихромовая проволока применяется для изготовления проволоч­ных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пле­ночных резисторов интегральных схем.

Как и константаны, нихромы содержат большое количество до­рогого дефицитного никеля.

2) Пленочные резистивные материалы получают из исходных ма­териалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свой­ства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изо­ляционные основания (подложки) методом термического испарения в вакууме; катодным, реактивным и ионоплазменным распыле­нием, электрохимическим и химическим осаждением и др. В каче­стве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, сло­истые пластики и др.

К материалам, применяемым для изготовления пленочных ре­зисторов, предъявляются следующие требования: возможность из­готовления стабильных во времени резисторов с низким темпера­турным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТК r, хорошая адгезия к подложкам, высокая коррозионная стой­кость и устойчивость к длительному воздействию высокой темпе­ратуры.

Адгезия – способность материалов сцепляться друг с другом.

В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют на металлопленочные и металлооксидные, композици­онные, углеродистые.

Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резис­торов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, палладий, рений, вольфрам и сплавы на их основе.

а) Металлопленочные резисторы обладают следующи­ми свойствами:

- толщина тонких резистивных пленок 1...10 мкм;

- повышенные значения удельного поверхностного сопротивле­ния r _h;

- низкие значения температурного коэффициента поверхностно­го электрического сопротивления ТК r _h;

- температурный коэффициент удельного электрического сопро­тивления ТК r пленок толщиной в несколько нанометров от­рицателен;

- мелкозернистая структура;

- удельное объемное сопротивление пленок зависит от толщины и больше, чем у исходных материалов.

В зависимости от толщины пленок и условий их нанесения пара­метры металлопленочных резисторов можно регулировать в ши­роком диапазоне. Для повышения электрического сопротивления резистивных пленок из титана и тантала их наносят реактивным распылением в атмосфере азота, кислорода или углерода, т.е. со­вмещают процессы получения проводящих и диэлектрических сло­ев в одном цикле с использованием одного и того же материала. При окислении на поверхности металлических пленок образуются оксиды титана и тантала, которые обладают хорошими диэлектри­ческими свойствами.

Пленочные резисторы из рения и вольфрама получают методом катодного распыления и защищают тонким слоем двуокиси крем­ния для стабилизации электрического сопротивления. Такие пле­ночные резисторы обладают следующими свойствами: электричес­кое сопротивление в несколько тысяч Ом на квадрат поверхности, низкий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК r, высокая стойкость к окислению, и высоким удельным нагрузкам, способность работать при повышенных температурах.

б) Металлооксидные материалы образуют резистивные пленки, которые обладают высокой термостойкостью. Наиболее широкое применение для изготовления таких резистивных пленок получили материалы на основе двуокиси олова (SnO₂). Осаждение пленок двуокиси олова на изоляционные подложки проводят хи­мическим путем из хлористых соединений SnCl₂ и SnCl₄. Кристал­лы хлористого олова SnCl₂ подвергают гидролизу при темпера­туре 720...730°С и образующиеся пары впускают в камеру, нагре­тую до такой же температуры. На поверхности изоляционных под­ложек, которые находятся в камере, образуется пленка двуокиси оло­ва SnO₂.

Пленки двуокиси олова обладают хорошей адгезией к изоляци­онным подложкам и высокой кислотостойкостью.

в) Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их со­единений с органической или неорганической связкой.

В качестве проводящей фазы используют проводники (порошки серебра, палладия) и полупроводники (оксиды серебра, палладия, карбиды кремния, вольфрама).

Связующихе вещества - термопластичные и термореактивные полимеры, порошкообразное стекло, неоргани­ческие эмали.

Композиции, содержащие органические связующие вещества, об­разуют композиционные резистивные пленки, которые подвержены действию влаги и повышенной температуры. Предельная рабочая температура композиционных резистивных пленок не выше 150°С.

Композиции с неорганическими связующими элементами после спекания при высоких температурах образуют композиционные резистивные пленки с высокой влаго- и теплостойкостью до темпе­ратуры 350 °С. Однако верхний предел сопротивлений резисторов снижается, увеличиваются нелинейность и собственные шумы.

К недостаткам композиционных резистивных пленок относятся повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротив­ления от частоты и старение при длительной нагрузке.

г) Углеродистые материалы используют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода (пиролиз - переработка органических веществ нагреванием их при высоких температурах без доступа воздуха, сопровождающаяся их расщеплением). Пиролитический углерод получают разложением углеводородов при вы­сокой температуре в вакууме или среде инертного газа. Пиролизу подвергают, как правило, углеводороды метанового ряда, которые обладают способностью при высоких температурах разлагаться с образованием на изоляционных подложках пиролитического угле­рода. По структуре и свойствам пиролитический углерод близок к графиту.

Пиролитические резистивные пленки углерода обладают следу­ющими свойствами: толщина не более 6... 10 см, высокая стабиль­ность параметров, устойчивость к импульсным перегрузкам, низ­кий уровень шумов, отрицательный температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК r, малая зависимость электрического сопротивления от приложенного напряжения и ча­стоты, относительно низкая себестоимость.

Материалы для термопар

Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением.

Материалы для термопар выбирают по следующим характерис­тикам:

- допустимая рабочая температура спая Т_сп;

- удельный коэффициент электрического сопротивления r;

- температурный коэффициент удельного электрического сопро­тивления ТК r;

- коэффициент термоЭДС.

Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы, при­веденные в табл. 8.

Таблица 8. Характеристика сплавов для изготовления термопар

Параметр	Копель	Хромель	Платинородий	Алюмель
Состав сплава	44%Ni 56%Cu	90%Ni 10%Cr	90%Rt 10%Rh	95%Ni 5%Al, Si, Rh
Удельный коэффициент электрического сопротивления ρ, мкОм·м	0,465	0,66	0,19	0,305

 

Термопары могут применяться для измерения следующих темпе­ратур: до 350°С - медь-константан, медь-копель; до 600°С - желе-зо-константан, железо-копель, хромель-копель; до 900...1000°С -хромель-алюмель; до 1600°С - платинородий-платина.

Для измерения криогенных температур можно использовать тер­мопару железо-золото.