Материалы высокой проводимости. Среди указанных материалов наиболее широкое распространение получили серебро, медь и алюминий.
Серебро – металл белого цвета, один из наиболее дефицитных материалов, так как содержание его в земной коре составляет всего лишь 7·10-6 % мас. Среди всех проводниковых материалов серебро обладает минимальным удельным сопротивлением при нормальной температуре (см. табл. 6.1). В соответствии с ГОСТ 6836-85 серебро, имеющее марку Ср999-999,9, должно содержать не более 0,1 % примесей. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринеллю составляет всего 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не превышает 200 МПа, а относительное удлинение при разрыве достигает 50 %. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, имеет тенденцию диффундировать в материал подложки, на который оно нанесено. В условиях высокой влажности и при повышенных температурах процесс диффузии серебра в материал подложки значительно усиливается.
|
|
Серебро достаточно широко применяется в электротехнике и электронике, а именно: при производстве радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне высоких частот, для защиты медных проводников от окисления при температурах выше 250°С, для изготовления электродов в производстве керамических и слюдяных конденсаторов, при изготовлении и применении контактов и т. д.
В связи с тем что в последнее время потребление серебра систематически превышает производство первичного металла и восполнение его дефицита за счет вторичного, необходимо соблюдать строгие меры по его экономии.
Медь — металл красноватого цвета, также очень дефицитный, так как его содержание в земной коре составляет не более 4,7×10-3 % мас, причем в верхней ее части – около 2·10-3. Этот металл получил самое широкое распространение в качестве проводникового материала, поскольку обладает целым рядом технически ценных свойств: малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью; удовлетворительной стойкостью к коррозии даже в условиях повышенной влажности; хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку малого диаметра); хорошей способностью к пайке и сварке.
Наименьшим удельным сопротивлением ρ обладает химически чистая медь. Наличие примесей в меди отрицательно влияет не только на ее механические и технологические свойства, но и значительно снижает электропроводность. Наиболее нежелательными примесями являются висмут и свинец, которые почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкую эвтектику, которая при кристаллизации меди располагается вокруг зерен. Даже тысячные доли процента висмута и сотые доли процента свинца приводят к тому, что медь при обработке давлением при температуре 850-1150°С растрескивается. Наличие серы приводит к уменьшению пластичности. Такая медь при низких температурах становится хрупкой. Очень вредно присутствие в составе меди и кислорода, который способствует образованию оксида и закиси меди, вызывающих повышение удельного сопротивления.
|
|
Согласно ГОСТ859-78, медь по химическому составу подразделяется на несколько марок: M1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1б, М1у. М1к, М1ф, М1р, к, ку – катодная медь, б - бескислородная, у - катодная переплавленная, р и ф - раскисленная, цифры 00, 0 и 1 отражают содержание меди. Максимальное содержание меди имеют марки М00к и М006.
Содержание меди вместе с серебром в этих марках составляет 99,9-99,99% мас. Следует отметить, что медь марки М1ф с повышенным содержанием фосфора (0,012-0,06%), снижающим электропроводность, для изготовления проводников практически не используется. В производстве проводов не применяется также и медь марки М1р, которая раскислена фосфором и содержит его в количестве 0,002-0,012%. Данная медь может быть использована при изготовлении других типов кабельной продукции, например некоторых видов лент.
В нормальных атмосферных условиях медь достаточно устойчива против коррозии, так как ее химическая активность невелика. В сухом и влажном воздухе, пресной воде при 20°С медь практически не окисляется. Незначительная коррозия наблюдается только в соленой воде. В присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется, как правило, зеленая пленка основного карбоната.
При нагревании меди до температуры 200°С идет медленное ее окисление с образованием защитной пленки оксида меди СuО. Интенсивное окисление меди начинается при температуре выше 225°С.
Пониженную активность проявляет медь также и при взаимодействии с холодными и теплыми растворами соляной и серной кислот, концентрация которых не превышает 80%. Растворимость водорода в твердой меди достаточна мала и даже при температуре 400°С составляет не более 0,06мг в 100г. Медь растворяется в азотной кислоте, достаточно легко соединяется с хлором и другими галогенами, может гореть в парах серы.
Механические и электрические характеристики проводниковой меди существенно зависят от ее состояния. Так, например, твердотянутая медь марки МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом,но большую механическую прочность и твердость, чем отожженная медь марки ММ. Твердость по Бринеллю при 20°С для меди марки МТ в зависимости от степени нагартовки составляет 65-120, а для меди марки ММ – не более 35.
В соответствии с механическими и электрическими характеристиками проводниковой меди формируются и области ее применения. Мягкая (отожженная) медь, удельное сопротивление которой при 20°С не должно превышать 0,01724мкОм·м, в виде проволок различного сечения и формы применяется, как правило, для изготовления токопроводящих жил кабелей различного назначения, обмоточных и монтажных проводов, в производстве волноводов и т. д. Кроме того, ленточная медь широко используется при экранировании кабелей связи и радиочастотных кабелей.
Твердая (холоднотянутая) медь, удельное сопротивление которой должно быть не более 0,0180мкОм·м, применяется в основном там, где необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость, сопротивляемость истирающим нагрузкам и упругость. Такие требования к меди предъявляются при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин и пр.
|
|
Поскольку в настоящее время медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, расходование ее ведется весьма экономно и при возможности ее заменяют на другие, менее дефицитные.
Алюминий – металл, занимающий второе место по значению (после меди) среди проводниковых материалов и наиболее распространенный в природе, поскольку его содержание в земной коре составляет не менее 7,5%.
Широкое распространение в электротехнике этот металл получил не только ввиду острого дефицита меди, но и благодаря своим замечательным свойствам. Алюминий, обладая большим сродством к воздуху, легко окисляется на воздухе, покрываясь при этом прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. На него не действуют водяной пар, пресная и морская вода. В обычных условиях алюминий слабо реагирует с концентрированной азотной кислотой. Однако при нагревании он растворяется в разбавленной серной и азотной кислотах. Легко растворяется в щелочах, образуя при этом алюминаты с выделением водорода.
По отношению к большинству металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал и, находясь в контакте с ними, образует гальванические пары, что в присутствии влаги способствует развитию электрохимической коррозии.
В связи с тем что оксидная пленка обладает электроизоляционными свойствами, в месте контакта проводов создается достаточно большое переходное сопротивление, которое затрудняет пайку алюминия обычными методами. Для этой цели приходится использовать специальные припои и паяльники (ультразвуковые) либо применять холодную сварку, т.е. пластическое обжатие проводов в месте их контакта.
Присутствие примесей в составе алюминия, среди которых наиболее часто встречаются железо, кремний, медь, цинк и титан, существенно снижают его удельную проводимость, влияют на механические характеристики и обусловливают области его применения.
|
|
В соответствии с количественным содержанием контролируемых примесей отечественная промышленность выпускает алюминий трех марок: особой чистоты (не более 0,001%), высокой чистоты (не более 0,05 %) и технической чистоты (не более 1,0%).
Марка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, определяющая процентное содержание алюминия. Так, например, алюминий марки А97 содержит 99,97% алюминия, остальное – контролируемые примеси.
Для электротехнических целей используются специальные марки алюминия А5Е и А7Е, в которых содержание железа и кремния находится в определенном соотношении, а содержание титана, ванадия, хрома и марганца снижено до тысячных долей процента.
В отожженном состоянии такой алюминий имеет предел прочности при растяжении 80-90МПа, относительное удлинение 25-33%, а твердость по Бринеллю 15-20. Удельное электрическое сопротивление проводникового алюминия не должно превышать 0,0289мкОм·м.
Холодная деформация алюминия и наличие примесей увеличивают твердость и прочность металла, снижают относительное удлинение и его проводимость.
Проводниковый алюминий используется для изготовления токопроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, а также неизолированных проводов для воздушных линий электропередачи, прессованных жил кабелей различного назначения и т. д. Для этих же целей может использоваться алюминий специальных марок А75К, А8К и А8КУ, в которых суммарное содержание примесей Ti+V+Mr+Cr уменьшено по сравнению с марками А7 и А8.
Сплавы алюминия отличаются легкостью и повышенной механической прочностью по сравнению с алюминием. В состав алюминиевых сплавов помимо алюминия могут входить марганец, цинк, магний, медь, железо и кремний, причем содержание железа и кремния в составе сплава не должно превышать 0,7 и 0,3% соответственно.
В марках алюминиевых сплавов буквы дают информацию о том, какие именно элементы содержатся в сплаве (А – алюминий, К -кремний, М – медь, Мг – магний, Ц – цинк, Мц – марганец), а цифры – их среднее процентное содержание.
Сверхпроводники и криопроводники. Явление сверхпроводимости было открыто нидерландским физиком X. Камерлинг-Оннесом в 1911г. Согласно современной теории, основные положения которой были развиты в работах Д. Бардина, Л. Купера, Дж. Шриффера (теория БКШ), явление сверхпроводимости металлов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. Поскольку куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обладают большой энергией связи, обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой не наблюдается. При этом сопротивление металла становится практически равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиночное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры (Тк) все куперовские пары распадаются и состояние сверхпроводимости исчезает. Аналогичный результат наблюдается при определенном значении магнитного поля (критической напряженности Нкр или критической индукции Bкр), которое может быть создано как собственным током, так и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвязанными величинами. Эта зависимость для чистых металлов может быть приближенно представлена следующим выражением:
Нкр = Н0(1-Ткр/Т0)2,
где Н0 – критическая напряженность магнитного поля при абсолютном нуле; Т0 – критическая температура при отсутствии магнитного поля.
Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой температуре Tкр1<T0 будет соответствовать вполне определенное значение критической напряженности магнитного поля Нкр1. При Н > Нкр1 и температуре Ткр1, сверхпроводящее состояние исчезает.
В настоящее время известно 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов.
Установлены также сверхпроводящие свойства у некоторых полупроводников (например, антимонида индия InSb), серы, ксенона и пр. В тоже время для многих проводниковых материалов, таких, как серебро, медь, золото, платина и др., даже при очень низких температурах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось. Некоторые из сверхпроводниковых материалов, представляющих практический интерес, представлены в табл. 6.2.
По физико-химическим свойствам элементарные сверхпроводники (чистые металлы) можно разделить на две группы: «мягкие» Hg, Sn, Pb, In; «жесткие» - Та, Ti, Zr, Nb.
Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, в то время как жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений.
Высокотемпературные сверхпроводники. В 1986г. было обнаружено, что такие вещества, как La2-хMхCuО4 (M=Ва, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к температуре жидкого азота. Позже в системах YBa2Cu3О7 переход в сверхпроводящее состояние наблюдался при -173○Си выше. Такие вещества, названные высокотемпературными, обладают структурой типа перовскита (природный минерал СаТiO3) и представляют керамику с характерным расположением атомов.
Таблица 6.2