Матеріали високого електричного опору

1 Сплави з великим питомим опором.

2 Провідникові резистивні матеріали:

А) дротові резисторні матеріали;

Б) матеріали для електронагрівальних елементів.

3 Плівкові резисторні матеріали.

4 Матеріали для термопар

1. До сплавів із великим питомим опором відносять сплави, що мають за нормальних умов питомий електричний опір не менше 0,3 мкОм м. Ці матеріали знайшли достатньо широке застосування при виготовленні різних приладів електровимірювань і електронагрівальних, зразкових опорів, реостатів і т.д. До числа таких матеріалів належатьманганін, константан і ніхром.

Для виготовлення приладів електровимірювань, зразкових опорів, реостатів застосовуються сплави з високою стабільністю питомого опору в часі і малим температурним коефіцієнтом опору.

Як матеріали з високим опором використовують металеві сплави типу твердих розчинів заміщення, металеві і вугільні плівки, провідникові композиції.

Матеріали високого опору за призначенням можна поділити на провідникові резисторні матеріали, плівкові резисторні матеріали, матеріали для термопар.

2 Провідникові резисторні матеріали поділяють на сплави для дротових резисторів (манганін, константан), для електронагрівальних елементів (ніхром, фехраль, хромаль).

А) На відміну від матеріалів з високою провідністю (чистих металів) резисторні матеріали являють собою в основному сплави з деформованою кристалічною граткою, що характерно для твердих розчинів металів. Для отримання дроту різного діаметра, який використовують для виготовлення дротових резисторів різного призначення, найбільше розповсюдження отримали сплави на основі міді і нікелю. Важливіші електричні характеристики цих сплавів залежать від відсоткового співвідношення міді і нікелю.

Манганін - це мідно-нікелевий сплав, що містить у середньому 2,5-3,5% нікелю (з кобальтом), 11,5-13,5% марганцю, 85,0-89,0% міді. Вміст домішок у ньому, серед яких головним є залізо, не повинен перевищувати 0,9%. Легування марганцем, а також проведення спеціальної термообробки при 400°С дозволяє стабілізувати питомий опір манганіна в інтервалі температур від -100 до +100 °С. Манганін має дуже мале значення термоЕРС у парі з міддю, високу стабільність питомого опору в часі, що дозволяє широко використовувати його при виготовленні резисторів і приладів електровимірювань найвищих класів точності.

Константан містить ті ж компоненти, що і манганін, але в декілька інших співвідношеннях: нікель (з кобальтом) - 39-41%, марганець - 1-2%, мідь - 56,1-59,1%. Вміст домішок також повинен бути не більше 0,9%. Сама назва сплаву говорить про практичну незалежність його питомого електричного опору від температури, оскільки абсолютне значення коефіцієнта питомого опору цього сплаву не перевищує 2 10^-6 °С^-1. За нагрівостійкістю константан перевершує манганін, що дозволяє використовувати його в реостатах і нагрівальних елементах, що працюють при температурі до 500°С. Високі механічні характеристики у поєднанні з пластичністю дозволяють виготовляти з цього сплаву якнайтонший дріт, стрічки, смуги і фольгу. Високі значення термоЕРС у парі з міддю і залізом виключають застосування константана в приладах електровимірювань високої точності, але з успіхом використовують при виготовленні термопар. Слід зазначити так само, що наявність у складі константана достатньо великої кількості дорогого і дефіцитного нікелю обмежує його використовування у виробах масового виробництва.

Б) До нагрівостійких сплавів належатьсплави на основі заліза, нікелю, хрому і алюмінію. Висока нагрівостійкість цих сплавів досягається завдяки введеню до їх складу достатньо великої кількості металів, які утворюють при нагріванні на повітрі суцільну оксидну плівку

Ніхроми - сплави на основі заліза, що містять залежно від марки 15-25% хрому, 55-78% нікелю, 1,5% марганцю. Вони в основному застосовуються для виготовлення електронагрівальних елементів, оскільки мають добру стійкість при високих температурах у повітряному середовищі. Тривалість роботи електронагрівальних елементів з ніхрому істотно підвищується при виключенні доступу кисню до поверхні дроту. Ніхроми мають високу технологічність, легко протягуються в тонкий дріт або стрічку. Значний вміст нікелю у складі ніхромів обумовлює їх підвищену стійкість і обмежує область застосування.

У деяких випадках для виготовлення реостатів, контактних пружин і інших електротехнічних виробів застосовується мідно-нікелевий сплав нейзільбер МНЦ-15-20, до складу якого входять 18-22% цинку, 13,5-16,5% нікель (з кобальтом) і інше - мідь. Вміст у ньому різних домішок не повинен перевищувати 0,9%. Має дуже високі механічні характеристики, пластичний, але питомий опір його менше, ніж у інших сплавів. Він має високу корозійну стійкість і завдяки значному вмісту цинку в своєму складі - меншу вартість у порівнянні з константаном.

Серед сплавів високого опору, які широко використовуються для виготовлення різних нагрівальних елементів, необхідно відзначити жаростійкі сплави фехралі і хромалі. Вони містять у своєму складі 0,7% марганцю, 0,6% нікелю, 12-15% хрому, 3,3-5,5% алюмінію й інше - залізо. Ці сплави відрізняються високою стійкістю до хімічного руйнування поверхні під впливом різних газоподібних середовищ при високих температурах. Мають задовільні технологічні властивості і добрі механічні характеристики, що дозволяє достатньо легко одержувати з них дріт, стрічки, прутки й інші напівфабрикати, які здатні зварюватися і витримувати великі механічні навантаження при високій температурі без істотної деформації.

3. Плівкові резисторні матеріали отримують із початкових (вихідних) матеріалів у процесі отримання самих резисторних плівок. Властивості таких резисторних плівок значно відрізняються від властивостей початкових матеріалів. Тонкі резисторні плівки наносять на ізоляційну основу (підложку) методом термічного випаровування у вакуумі; розпиленням, електрохімічним чи хімічним осаджуванням і ін. Як основу використовують скло, кераміку, ситал, полікор, шаруваті пластики й ін.

До плівкових резисторних матеріалів пред´являють такі вимоги: можливість виготовлення стабільних у часі резисторів із низьким температурним коефіцієнтом питомого електричного опору, висока корозійна стійкість і стійкість до тривалого впливу високої температури, гарна адгезія до підложки.

У залежності від початкових матеріалів плівкові резистори поділяють на металоплівкові і металооксидні, композиційні і вуглецеві.

Для виготовлення металоплівкових і металооксидних резисторів використовують тугоплавкі метали тантал, титан, нікель, хром, паладій, вольфрам і сплави на їх основі.

Композиційні резисторні матеріали являють собою механічні суміші дрібнодисперсних порошків металів і їх з`єднань з органічною чи неорганічною зв`язкою.

Як провідна фаза використовуються провідники (порошки срібла, паладію) і напівпровідники (оксиди срібла, паладію, карбіди кремнію, вольфраму).

Як зв`язуючі речовини використовують термопластичні і термореактивні полімери, порошкоподібне скло, неорганічні емалі.

Вуглецеві матеріали використовують як плівковий резистивний матеріал у вигляді провідних композицій вуглецю: природного графіту, сажі.

4. Для термопар, принцип дії яких був викладений у лекції 4.1, найбільш широко застосовуються такі сплави: копель, алюмель, хромель, платінородій, константан (склад цих сплавів наведений у таблиці 4.2).

Таблиця 4.2 – Характеристика сплавів для виготовлення термопар.

Параметр	Копель	Хромель	Платінородій	Алюмель
Склад сплава Питомий коефіцієнт електричного опору r, мкОм м	44% Ni 56% Cu 0,465	90% Ni 10% Cr 0,66	90% Rt 10% Rh 0,19	95%Ni 5% Al, Si, Rh 0,305

Матеріали, які утворюють термопару, підбираються таким чином, щоб у діапазоні вимірюваних температур вони мали максимальне значення термоЕРС. При цьому похибка при визначенні температури суттєво знижувалась.

Згідно з цією умовою, для вимірювання температур можуть застосовуватися такі термопари:

- мідь – константан і мідь – копель (до 350^оС);

- залізо – константан, залізо – копель і хромель – копель (до 600^оС);

- хромель – алюмель (до 900-1000^оС);

- платінародій – платина (до 1600^оС).

Знак термоЕРС у термопар залежить від напрямку струму в холодному і гарячому спаях. Прийнято вважати, що у холодному спаї струм іде від першого названого в парі матеріалу до другого (тобто від хромеля до копелю) а у гарячому спаї – навпаки.

Слід зазначити, що деякі надпровідникові матеріали теж мають значний коефіцієнт термоЕРС, що дозволяє з успіхом використовувати їх для виготовлення термоелементів, термогенераторів, холодильних пристроїв і таке інше.