Проводниковые материалы

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 (Т_к) все куперовские пары распа­даются и состояние сверхпроводимости исчезает. Аналогичный ре­зультат наблюдается при определенном значении магнитного поля (критической напряженности Н_кр или критической индукции B_кр), 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:

Н_кр = Н₀(1-Т_кр/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 T_кр1<T₀ будет соот­ветствовать вполне определенное значение критической напряжен­ности магнитного поля Н_кр1. При Н > Н_кр1 и температуре Т_кр1, 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 La_2-хM_хCuО₄ (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