Тугоплавкие металлы

Железо

Свойства алюминия

Атомный номер – 13

Атомная масса – 27

Валентность -3

Плотность при 20 °С литого 2600, прокатанного 2700 кг/м3

Удельное сопротивление при 20 °С - 2.8 10-8 Ом×м

Температурный коэффициент сопротивления - 4· 10-3 К-1

Теплоемкость - 950 Дж/(кг×К)

Теплопроводность ~ 200 Вт/(м×К)

Температура плавления - 660 °С

Прочность при растяжении - 80 МПа

Для электротехнических целей используют алюминий марки Аl, содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0,03%примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ000 содержит не более 0,004% примесей. Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6-7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах.

Алюминий применяется для изготовления электрических проводов, кабелей, электродов в разрядниках, катодов в ионных рентгеновских трубках.

Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением (при толщине 0,03 мм, имеет Uпр =100 В, при толщине 0,04 мм Uпр =250 В). Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и сильно затрудняет пайку алюминия обычными способами.

Для пайки алюминия применяют специальные пасты – припои или используют ультразвуковые паяльники.

Алюминий по отношению к большинству металлов обладает отрицательным электрохимическим потенциалом который равен -1,67 В (у меди +0,34 В), и поэтому находясь в контакте со многими металлами образует с ними гальваническую пару, в которой является анодом., что в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии алюминия. Следовательно, места соединения алюминия с другими металлами необходимо защищать от увлажнения –покрывать лаками и т.д.

Сталь (железо) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используют в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление (0,097 мкОм·м), у стали удельное сопротивление еще выше.

При переменном токе в стали, как магнитном материале, сильно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников для переменного тока выше, чем для постоянного. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на перемагничивание.

Обычная сталь обладает малой коррозионной стойкостью: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала, например цинка.

Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ = 6,3 10-3 К-1.

Натрий – перспективен как материал для токопроводящих жил силовых кабелей. Это вызвано экономическими соображениями. Эффективность использования того или иного проводника в сильноточных кабелях определяется формулой

k эфф = ρ C γ,

где ρ-удельное электрическое сопротивление; γ-удельный вес; С -стоимость единицы веса.

Величина k эфф пропорциональна стоимости при одинаковой пропускной способности (по току).

В таблице приведены данные по эффективности применения натрия по сравнению с медью и алюминием.

Вид металла	ρ, мкОм·см	γ, г/cм3	ργ	Относительная величина k эфф (по отношению к натрию)
Медь	1,72	8,89	15,3	6,8
Алюминий	2,83	2,7	7,64	2,3
Натрий	4,88	0,972	4,74	1,0

Однако широкое внедрение натриевых кабелей ограничивается пока необходимостью решения важных технических проблем, связанных с особенностями натрия как материала. Прежде всего это высокая активность натрия при взаимодействии с водой и воздухом. Следовательно, в процессе изготовления кабелей и во время их монтажа и эксплуатации необходимо избегать этого взаимодействия, создавать принципиально новую технологию изготовления и монтажа кабелей и конструировать новые типы соединителей. Кроме того, учитывая весьма низкую температуру воспламенения натрия (+120°С), нужны специальные меры пожарной безопасности при эксплуатации таких кабелей.

2.5.2 Крио и сверхпроводники

Криопроводники

Помимо явления сверхпроводимости, в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (ниже -173оС), но без перехода в сверхпроводящее состояние. Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Криопроводимость — частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур. Разница между обычными металлами и криопроводниками заключается только в степени изменения удельного сопротивления, у обычных металлов в областях очень низких температур уд. сопротивление примерно на 1 порядок меньше, чем при комнатной, а у криопроводников на 3-6 порядков.

Наиболее широко в качестве криопроводников применяется чистая медь и алюминий (марки А999 с 0.001% примесей), берилий (0.1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А999 удельное электрическое сопротивление равно (1 - 2).10-6 мкОм.м.

Применяются криопроводники в основном для изготовления жил кабелей, проводов, работающих при температурах жидкого водорода (-252.6оС), неона (-245.7оС) и азота (-195.6оС).

Сверхпроводники

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, незадолго перед тем (в 1908 г.) впервые получивший жидкий гелий, исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К). При этом Камерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, температура Тс, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего перехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости g.

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и хим.соединений различных элементов.

В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и др., при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Металл	Zn	Cd	Al	Ga	In	Ti	Sn	Pb
Вс, мТл	5.3		9.9	5.1	28.3	16.2	20.6	80.3
Тс, К	0.88	0.56	1.19	1.09	3.41	1.37	3.72	7.18

2.5.3 Благородные металлы и их сплавы (золото, серебро, платина, палладий)

В электротехнике благородными металлами принято считать золото Аи, серебро Ag, платину Pt и палладий Pd.

Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Золото, серебро и платина на воздухе практически не окисляются, вплоть до плавления. Точными оптическими исследованиями установлено, что на воздухе золото покрыто тончайшим адсорбционным слоем кислорода, а на поверхности серебра обнаружена окисная пленка толщиной 12 Å. Палладий на воздухе при температуре 600—700 °С образует пленку монооксида PdO.

В природе благородные металлы встречаются в виде самородков и в различных рудах. Из руды их получают путем последовательной металлургической, химической и электролитической переработки со степенью чистоты, которая может составлять у золота — 99,998 %, серебра — 99,999 %, платины — 99,9998 %, палладия — 99,94 %.

Золото Аи — металл желтого цвета, обладающий очень высокой пластичностью. Из него можно получать фольгу толщиной до 0,01 мкм. С кислотами и щелочами не взаимодействует, растворяется только в «царской водке» (смесь азотной и соляной кислот);

Свойства золота

Плотность при 20 °С 19300 кг/м3

Удельное сопротивление при 20 °С - 2,25 10-8 Ом×м

Температурный коэффициент сопротивления - 3,9· 10-3 К-1

Температура плавления - 1063 °С

Прочность при растяжении - 150 МПа

В электронной технике золото применяют как контактный материал в слаботочных коммутирующих устройствах (например, в герконах), в производстве электродов полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и для других целей.

В коммутирующих устройствах чистое золото используют только для изготовления прецизионных контактов с малым контактным нажатием и низким напряжением. В других типах контактов применяют сплавы золота с серебром, никелем, цирконием, имеющие повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость.

Серебро Ag — металл белого цвета, пластичный.

Свойства серебра

Обладает самым низким удельным сопротивлением - 1,58 ·10-8 Ом×м

Плотность при 20 °С 10490 кг/м3

Температурный коэффициент сопротивления - 4,1· 10-3 К-1

Температура плавления - 961 °С

Прочность при растяжении - 200 Мпа

Как проводниковый материал серебро применяют для получения гальванического покрытия в ВЧ- и СВЧ-устройствах.

У керамических конденсаторов из него получают прочные электроды методом вжигания.

Применяют серебро в качестве контактного материала в коммутирующих устройствах, в составе некоторых твердых припоев, в производстве серебряно-цинковых и серебряно-кадмиевых аккумуляторов и в других случаях.

К недостаткам серебра следует отнести его миграцию по поверхности и внутрь диэлектрика в условиях повышенных температур и влажности, более низкую коррозионную стойкость, чем у других благородных металлов, — серебро химически взаимодействует с серосодержащими веществами, например с газами H2S, SO2, и образует темные пленки сернистого серебра, имеющие повышенное удельное сопротивление. Взаимодействие серебра с серосодержащими веществами имеет место даже при их низких концентрациях в жидкостях и в воздухе.

Платина Pt — блестящий тугоплавкий металл серовато-белого цвета

Свойства платины

Плотность при 20 °С 21450 кг/м3

Удельное сопротивление при 20 °С - 9,8 ·10-8 Ом×м

Температурный коэффициент сопротивления - 3,9· 10-3 К-1

Температура плавления - 1770 °С

Прочность при растяжении - 150 МПа

Платина химически очень стойкий металл; на воздухе не окисляется даже при температуре плавления и не образует сернистых соединений, что обеспечивает платиновым разрывным контактам стабильное переходное (контактное) сопротивление. Платина медленно растворяется только в «царской водке».

В качестве контактного материала обычно используют сплавы платины с никелем, серебром, золотом, иридием, которые повышают ее твердость и удельное сопротивление.

Применяют платину для изготовления высокотемпературных (до 1600 °С) термопар.

Палладий Pd — серебристо-белый металл, самый легкий и наиболее легкоплавкий из всех металлов платиновой группы; мягкий и пластичный

Свойства палладия

Плотность при 20 °С 12020 кг/м3

Удельное сопротивление при 20 °С - 10,8 ·10-8 Ом×м

Температурный коэффициент сопротивления - 3,9· 10-3 К-1

Температура плавления - 1550 °С

Прочность при растяжении - 200 Мпа

По ряду свойств палладий близок к платине и может служить ее заменителем, так как дешевле ее в 4-5 раз.

Палладий и его сплавы с серебром и медью используют в качестве контактного материала.

При нагревании до температур 600-700 °С оскисляется с образованием монооксида PdO.

Способен поглощать водород (1 объем палладия поглощает до 900 объемов водорода). Поглотив водород при невысоких температурах и давлениях палладий выделяет его в вакууме при нагревании до 350-500 °С. Данный эффект используется в электровакуумной технике при наполнении водородом некоторых типов газоразрядных приборов.

2.5.4 Тугоплавкие металлы (вольфрам (W), рений (Re), тантал (Ta), молибден (Mo), ниобий (Nb), хром (Cr), платина (Pt), титан (Ti))

Имеют достаточно высокое ρ и сравнительно небольшой ТКρ. Эти металлы и их сплавы применяются для изготовления нагревательных элементов, работающих в вакууме или в инертной среде.

На основе тугоплавких металлов и их сплавов изготавливают термопары для измерения высоких температур в вакууме и различных газовых средах.

В микроэлектронике широко применяют тонкие (десятки-сотни нанометров) пленки тугоплавких металлов, наносимые на диэлектрические подложки. Одно из основных направлений их использования – резисторы в интегральных микросхемах.

К тугоплавким металлам относятся: вольфрам (W), рений (Re), тантал (Ta), молибден (Mo), ниобий (Nb), хром (Cr), платина (Pt), титан (Ti).

Вольфрам (W) – чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Среди металлов обладает наиболее высокой температурой плавления – 3380 ºС.

Для вольфрама характерна слабая связь между отдельными кристаллами, поэтому сравнительно толстые вольфрамовые изделия хрупки. При механической обработке ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. При уменьшении толщины вольфрамовой проволоки возрастает и ее предел прочности при растяжении σ_ρ(примерно 500-600 Мпа для стержней диаметром 5 мм до 3000-4000 МПа для тонки нитей, удлинение при разрыве таких нитей составляет около 4 %).

Вольфрам является одним из важнейших металлических материалов электровакуумной техники. Применение вольфрама для изготовление нитей ламп накаливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н. Лодыгиным в 1890 году, и до сих пор вольфрам является единственным металлом используемым для этой цели.

Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности при повышенных температурах вольфрам можно использовать при температуре выше 2000 ºС, но лишь в высоком вакууме или в атмосфере инертного газа (азот, аргон и т.п.), так как уже при нагреве до температуры в несколько сот градусов Цельсия в присутствии кислорода он сильно окисляется.

Вольфрам применяют также для изготовления контактов.

К преимуществам вольфрамовых контактов можно отнести:

А) устойчивость в работе;

Б) малый механический износ ввиду высокой твердости материала;

В) способность противостоять действию электрической дуги и отсутствие привариваемости вследствие большой тугоплавкости.;

Г) малую подверженность электрической эрозии (т.е. износу с образованием кратеров и наростов в результате местных перегревов и плавлений металла)

Недостатками вольфрама как контактного материала являются:

А) трудная обрабатываемость;

Б) образование в атмосферных условиях оксидных пленок;

В) необходимость в больших давлениях для обеспечения малых значений электрического сопротивления контакта.

Для контактов с большими значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы. Заготовку прессуют из порошка вольфрама под большим давлением, спекают в атмосфере водорода, получая достаточно прочную, но пористую основу, которую затем пропитывают расплавленным серебром или медью для увеличения проводимости.

Хром (Cr) – твердый тугоплавкий металл серостального цвета. Является весьма распространенным элементом. В природе встречается почти исключительно в виде кислотосодержащих соединений. Температура плавления хрома 1900 ºС. Удельное электросопротивление – 0,13 мкОм*м.

Металлический хром получают термическим восстановлением Cr2O3, алюминием или кремнием или электролитическим восстановлением растворов соединений хрома.

Хромирование (нанесение защитных и декоративных покрытий хрома на металлические изделия) производится электролитически или путем насыщения хромом поверхностных слоев стальных изделий посредством диффузии из внешней среды.

Хром входит в состав нихромов и других сплавов для нагревательных элементов. А также в состав нержавеющих, жаропрочных и кислотоупорных сталей.

Из тонких пленок хрома изготавливают резисторы и адгезионные подслои для контактных площадок и токопроводящих коммуникаций в интегральных микросхемах, а также светонепроницаемые слои для фотошаблонов.

Рений (Re) – металл светло–серого цвета(температура плавления – 3180 ºС, удельное электросопротивление – 0,214 мкОм*м. Занимает второе (после вольфрама) место по тугоплавкости. Пластичен в литом и рекристаллизованном состояниях, подвержен холодной деформации. Однако проявляет аномально высокую поверхностную твердость, которая затрудняет сверление, шлифовку и другую механическую обработку.

Рений и его сплавы применяют при производстве электроламп и электровакукумных приборов, а также в приборостроении, в самолето- и ракетостроении.

В радиоэлектронике рений применяют для защиты от коррозии и износа деталей из серебра, меди, никеля, вольфрама, молибдена.