Тугоплавкі провідникові матеріали

Метали з температурою плавлення більше 1700°С відносять до тугоплавких. Характерно, що ці метали як правило хімічно стійкі при низьких температурах, але при підвищених температурах активно взаємодіють з атмосферою. Тому вироби з них (електроди, нагрівачі, катоди) експлуатують у вакуумі або в середовищі інертних газів. Механічна обробка тугоплавких металів затруднююча, оскільки в них підвищена твердість і крихкість.

Вольфрам – важкий і твердий метал сірого кольору. Із всіх металів він володіє найбільш високою температурою плавлення. Вольфрам отримують з руд різного складу. Проміжним продуктом є вольфрамова кислота М ₂ WO ₄, з якої “відновленням” воднем при нагріві до 900°С отримується металічний вольфрам у виді дрібного порошку. З цього порошку при високому тиску пресують стержні, які піддають складній термічній обробці в атмосфері водню (для уникнення впливу кисню). Для вольфраму характерна слабка зв’язаність окремих кристалів, тому при зернистій будові порівняно товсті вольфрамові вироби крихкі і легко ламаються.

При механічній обробці вольфрам набуває волокнисту структуру, цим пояснюється гнучкість тонких вольфрамових ниток. Із зменшенням товщини вольфрамової проволоки сильно збільшується і її границя міцності при розтягу (від 500 – 600 МПа) для стержнів діаметром 5 мм, до 3000 – 4000 МПа для тонких ниток, відносне видовження перед розривом 4 %. Вольфрам є одним з важливих матеріалів для електровакуумної техніки.

Завдяки тугоплавкості і великій механічній міцності при підвищених температурах вольфрам може працювати при високій температурі (більше 2000 °С), але лише у вакуумі чи в інертному газі (азом, аргон), так як вже при нагріві до температури декілька сот градусів Цельсія в присутності кисню він сильно окислюється.

Рис.4.12. Температурні залежності теплоємності с, коефіцієнта електропровідності γ _T, коефіцієнта лінійного розширення α _l, питомого опору ρ для вольфраму.

Вольфрам застосовують також для виготовлення контактів, які є стійкими в роботі, мають малий механічний знос завдяки високій твердості матеріалу, здатні протистояти дій дуги, стійкі до корозії. Недоліками вольфраму як контактного матеріалу є: утворення оксидних плівок, необхідність застосування високого тиску для забезпечення малого опору контакту. Вольфрам порівняно дорогий і тому застосовується тільки там, де його не можна замінити.

Молібден широко застосовують в електровакуумній техніці при менш високих температурах, ніж вольфрам; накалюючі деталі з молібдену повинні працювати у вакуумі чи в інертному газі. Має найменший питомий опір із всіх термоплавких матеріалів (металів). Структура кованого молібдену така ж як і вольфраму. Однак нагрітий у високій температурі дрібнозернистий молібден характеризується хорошою пластичністю і його механічна обробка не викликає особливих забруднень.

Механічні властивості молібдену в значній мірі залежать від термічної і механічної обробки матеріалу, виду і розрізу виробу. Для потреб електровакуумного виробництва промисловість випускає особливо чистий молібден (ОЧМ) із вмістом домішок не більше 0,02%, чистий молібден (МЧ) і молібден з присадкою окисі кремнію (МК). Марка МК відрізняється від інших підвищеною механічною міцністю при високих температурах. Це кращий матеріал для виготовлення деталей складної конфігурації (електроди, нагрівачі електропечей і т.д.). Значення ТК _ε молібдену близьке з ТК _ε кремнію і германію, що дає змогу використовувати його разом з вольфрамом в корпусах потужних ВЧ і СВЧ – напівпровідникових пристроїв для тепловідводу. В парі з вольфрамом молібден використовують для виготовлення термопар. Основні електрофізичні властивості тугоплавких металів наведені в додатках.

Неметалічні провідники

З числа твердих неметалічних провідникових матеріалів найбільше значення мають матеріали на основі вуглецю (електротехнічні вугільні вироби, скорочено електровугільні вироби). З вугілля виготовляють щітки електричних машин, електроди для прожекторів, для дугових електричних печей і електролітичних ван, анодів гальванічних елементів, високоомних резисторів.

В якості сировини для виробництва електровугільних виробів можна використовувати сажу, графіт або антрацит. Для отримання стержневих електродів подрібненна маса із зв’язуючими речовинами, в якості яких використовуються кам’яновугільна смола, а інколи і рідке скло, формується в прес-формах. При високих температурах досягається штучне переведення вуглецю в форму графіту, після чого такий процес носить назву графітування.

Природний графіт – шаровий матеріал, один з різновидів чистого вуглецю. Його фізичні властивості в напрямі шаруватості і перпендикулярно до нього різні. В напрямі шарів електропровідність графіту має металічний характер (ρ = 8 мкОм·м, α_ρ = -10^-4 К^-1). Окремі частинки графіту легко відділяються і ковзають по його поверхні. Ця властивість використовується в техніці для виготовлення сухих змазок на основі графіту.

Сажа є мілкодисперсним вуглецем з домішкою смолистих речовин. Для них характерний широкий діапазон питомого опору (ρ = 0,01-400 Ом·м).

Електричні щітки застосовують в електричних машинах як змінного так і постійного струму різного призначення і потужності, в тому числі і в швидкохідних машинах з кільцями для підведення або знімання електричного струму.

Обпалювання щіток для електричних машин проводять при температурі біля 800 ⁰С; графітовані щітки піддають температурі до 2200⁰С. Для різних марок щіток характерні визначені значення питомого опору, допустимої густини струму, лінійної швидкості на колекторі, коефіцієнту тертя і т.д.

Розрізняють щітки вугільно-графітні (УГ), графітні (Г), електрографітовані (ЕГ), мідно-графітні (МГ). Щітки із вмістом порошкового металу володіють особливо малим електричним опором і дають незначне контактне падіння напруги (між щіткою і колектор-ром). Основні параметри вугільних щіток подані в таблиці 4.4.

Табл.4.4.

Типи щіток	Питомий опір ρ, мкОм·м	Допустима густина струму J, МА/м^2	Допустима лінійна швидкість V, м/с
УГ	18-60	6-8	10-15
Г	10-45	7-11	12-25
ЕГ	10-45	9-11	25-45
МГ	0,05-1,2	12-20	12-25

Непроволочні резистори відрізняються від проволочних зменшеними розмірами і високою верхнею межею номінального опору, широко застосовуються в автоматиці, вимірювальній і обчислювальній техніці. Їхній опір не повинен залежати від напруги і вирізнятися високою стабільністю при дії вологи і температури. Виготовляються на основі напівпровідникових матеріалів.

4.9. Запитання для самоконтролю

1. Класифікація провідникових матеріалів.

2. Основні характеристики провідникових матеріалів.

3. Вимоги ставляться до провідникових матеріалів.

4. Основні марки міді й алюмінію.

5. Явища надпровідності та кріопровідності.

6. Сплави високого питомого опору.

7. Умови виникнення термоЕРС.

8. Переваги й недоліки алюмінію у порівнянні з міддю.

9. Сплави міді й області їх застосування.

10. Сплави алюмінію й області їх застосування.