Припои, контактные материалы и неметаллические проводники

Сплавы высокого сопротивления

К сплавам высокого сопротивления относятся сплавы, удельное сопротивление которых ρ > 30·10^-8 Ом м. Эти сплавы классифицируются по области применения:

1) для образцовых сопротивлений и электроизмерительных приборов;

2) для резисторов;

3) для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.

Основным материалом первой группы является медно-марганцевый сплав – манганин (название происходит от наличия в нём марганца – латинское manganum). Примерный состав его: Cu ≈ 85 %, Mn ≈ 12 %, Ni ≈ 3 %.

Материалы второй группы имеют массовое применение. Для них допустим большой коэффициент термо-э. д. с, но повышены требования в отношении допустимой рабочей температуры. Основным материалом этой группы является медно-никелевый сплав – константан.

Его состав: Ni ≈ 39 – 41 %, Mn ≈ 1 – 2 %, остальное – Cu ≈ 56 – 59 %.

Для электронагревательных приборов в основном применяются сплавы на основе железа: нихром, фехраль, хромаль. Нихром – это сплав

Fe-Ni-Cr, в нем Cr ≈ 15 – 25 %, N ≈ 55 – 78 %, Mn ≈ 1,5 %. Чем больше в сплаве железа, тем менее нагревостоек это сплав. Хром наоборот придает высокую тугоплавкость окислам. Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий дешевы.

Фехраль и хромаль – это сплавы Fe-Cr-Al. Они содержат 12 – 15 % хрома, 3,5 – 5,5 % алюминия, 0,7 % марганца, а остальное – железо. Удельное сопротивление ρ = (126–140)·10^-8 Ом м, предельная температура до 1 400 ^оС.

Припой – это специальный сплав, применяемый при пайке. Пайка осуществляется с целью создания механически прочного шва с малым переходным сопротивлением. Припой имеет температуру плавления меньшую, чем соединяемые металлы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями.

Припои делятся на две группы: а) мягкие (температура плавления до 400 ^оС), б) твёрдые (температура плавления выше 500 ^оС). Мягкие припои имеют предел прочности на растяжение σ_р = 50–70 МПа, твердые – до

500 МПа. Мягкие припои в основном оловянно-свинцовые (марка ПОС) с содержанием олова от 18 % до 90 %, температура плавления 190 – 280 ^оС. Существуют также мягкие припои с добавками алюминия, серебра и т.д.

К числу наиболее широко применяемых твердых припоев относятся:

а) медно-цинковые; б) серебряные.

Медно-цинковые припои (марка ПМЦ) содержат меди 36 – 54 % (остальное – цинк) и имеют температуру плавления 825 – 860 ^оС. Припои медно-серебряно-цинковые (марка ПСр) содержат меди 26 – 40 %, серебра

25 – 70 %, цинка 4 – 35 % и имеют температуру плавления 720–765 ^оС.

Наиболее трудные условия работы проводниковых материалов возникают в контактных материалах. Контакты служат для периодических замыканий и размыканий электрических цепей. По мощности цепей, в которых работают контакты, все цепи можно разделить: а) слабонагруженные и средненагруженные (ток до 1А, напряжение дуги 10 – 20 В); б) высоконагруженные, работающие при больших разрывных мощностях. Для слабонагруженных контактов применяются чистые благородные металлы: платина, палладий, серебро, золото, а также тугоплавкие металлы – вольфрам и молибден. Для высоконагруженных контактов применяют: медь, серебро, а также сплавы серебро-палладий, серебро-медь, серебро-кадмий, медь-кадмий. Кроме металлов и сплавов для высоко нагруженных контактов применяют металлокерамические материалы, которые получают путем спекания при высокотемпературном обжиге смеси металлических порошков. При этом получают следующие металлокерамические композиции: серебро–окись кадмия; серебро-карбид вольфрама; серебро-окись цинка; серебро-графит; медь-графит и т. д.

Из числа твёрдых неметаллических проводниковыхматериалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода. Из угля изготавливают щётки электрических машин, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используются в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы. В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит или антрацит.

Сверхпроводники и криопроводники

В 1911 году голландский учёный Х. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении до температуры 4,2 К сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости.

В дальнейшем, кроме ртути, были обнаружены многие другие материалы: чистые, сплавы, химические соединения. В 2000 году было уже известно 35 металлов и более 1000 сплавов и химических соединений. Но для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при очень низких температурах достичь сверхпроводящего состояния не удалось.

Явление сверхпроводимости стало использоваться для получения сверхпроводниковых магнитов, создания электрических машин, трансформаторов малой массы и габаритов, но с высоким к. п. д.; для передачи большой мощности на дальние расстояния по ЛЭП; магнитной подвески вагонов сверхскоростного железнодорожного транспорта и т. д.

Криопроводимость – это достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (температурах выше температуры сверхпроводникового перехода, если он у него есть). При нормальной температуре у алюминия удельное сопротивление составляет ρ = 28·10^-9 , у меди – ρ = 17·10^-9 , а при криогенных температурах удельное сопротивление снижается до 0,05·10^-9 (рис.9.). Причем у алюминия при температуре 1,2 К возникает сверхпроводимость, а у меди она не обнаружена. Наиболее перспективно использование в качестве криопроводящего материала именно алюминия, так как он более доступен, дёшев и имеет при содержании примесей не более 0,001% удельное сопротивление ρ= (1–2)·10^-12 .

Криопроводники применяются в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидкого водорода (20,4 К), неона (27,3 К) и азота (77,4 К).

Рис.9. Зависимость удельного электрического сопротивления алюминия

и меди от температуры