2.3.1.  Металлы и сплавы высокой проводимости

К металлам и сплавам высокой проводимости предъявляют следую­щие требования:

· минимальное значение ρv;

· достаточно высокие механиче­ские свойства, главным образом предел прочности при растяжении (σр) и относительное удлинение при разрыве (Δl/l);

· хорошая технологичность (способность к пластическим деформациям, пайке, сварке);

· достаточно высокая стойкость к действию агрессивных сред.

Материалы высокой про­водимости применяют для изготовления обмоточных и монтажных прово­дов, различного вида токоведущих частей. Наиболее распространенными материалами высокой проводимости в электротехнике являются: медь, алюминий, серебро и сплавы на их основе, а также железо и сплавы на его основе; в электронной технике также ис­пользуют золото, платину, палладий.

Проводниковая медь является лучшим после серебра проводниковым материалом высокой проводимости. Широкое применение меди в качестве проводникового материала обусловлено рядом ценных свойств этого мета­ла:

1. малым удельным электрическим сопротивлением (ρv = 0,017241 мкОм·м при 20 °С, что является электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают ρv других проводниковых материалов);

2. высокой механической прочностью;

3. удовлетворительной коррозионной стойкостью;

4. хорошей технологичностью.

Примеси других металлов (включая и серебро) резко снижают прово­димость меди. Поэтому для основных марок проводниковой меди допуска­ется содержание  примесей  не  более  0,1 %  для  марки  М1  и 0,05 % для марки  МО.

Кроме того, содержание кислорода, существенно ухудшающего меха­нические свойства меди, допускается не более 0,08 % и 0,02 % для соответ­ствующих марок.

В электровакуумной технике применяют более чистую медь, не со­держащую кислорода и летучих примесей (Zп, Рb, Вi); бескислородную медь марки МО. Она содержит не более 0,03 % примесей. Еще более чистой является вакуумная медь марки МВ с содержанием примесей не более 0,01 %.

Как проводниковый материал используют твердую медь марки МТ и мягкую медь марки ММ. При холодной прокатке (волочении) у твердой (твердотянутой) меди повышаются твердость, упругость, предел прочности при растяжении, сопротивление ρv,. По­сле отжига при температуре в несколько сотен градусов получают мягкую (отожженную) медь, которая пластична, имеет проводимость на 3…5 % вы­ше, чем у твердой меди, характеризуется большим удлинением при разры­ве. К недостаткам отожженной меди следует отнести небольшую прочность и пониженную твердость.

Применение твердой и мягкой меди различно. Твердую медь приме­няют там, где требуется обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость к истиранию: для изготовления коллектор­ных узлов электрических машин, кон

тактных проводов, шин распредели­тельных устройств и т.д. Мягкую медь используют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, токоведущих жил кабелей, где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ-устройств. Медь достаточно до­рогой и дефицитный материал.

В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводниковых материалов используют ее сплавы: бронзы и латуни.

Бронзы – это медь с небольшим (до 10 %) содержанием легирующих примесей: Sп, Si, Р, Ве, Сr, Мg, Са и др. Она имеет более высокие механи­ческие свойства. Бронзы применяют при изготовлении токопроводящих пружинящих контактов и пружин точных приборов.

Латуни – это сплавы меди с цинком. Они обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на рас­тяжение по сравнению с чистой медью. Латунь применяют для изготовле­ния различных токоведущих частей.

Проводниковый алюминий имеет удельное электрическое сопротивле­ние 0,026мкОм·м, т.е. оно в 1,63 раза выше ρv меди. Но алюминий при­мерно в 3,5 раза легче меди. Следовательно, если сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводников одной и той же электропроводности, то окажется, что алюминиевый провод окажется легче медного примерно в два раза.



Кроме того, преимущество алюминиевых проводов состоит в том, что они дешевые. Для электротехнических целей использу­ют алюминий марки АЕ содержащий не более 0,5 % примесей. Еще более чистый алюминий марки АВОО (содержит не более 0,03 % примесей) приме­няют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов элек­тролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВООО, ис­пользуемый в полупроводниковом производстве содержит не более 0,001% примесей. Из алюминия прокатывается тонкая фольга (до 6…7 мкм), приме­няемая в качестве обкладок конденсаторов. Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой, плотной оксидной пленкой А12Оз с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алю­миний от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротив­ление в местах контакта.

Из сплавов алюминия следует отметить сплавы, содержащие маг­ний (до 0,5 %), кремний (до 0,7 %) и железо (до 0,3 %).

Серебро в нормальных условиях имеет самое малое удельное элек­трическое сопротивление (ρv = 0,016 мкОм·м) устойчиво к окислению. Вы­сокие механические свойства серебра позволяют промышленно изготовить из него проводники различного диаметра вплоть до 15 мкм. Как проводник серебро используется в виде гальванических покрытий в проводниковых элементах ВЧ- и СВЧ-устройств. Особенностью серебра является его спо­собность образовывать при выжигании или напылении прочные покрытия на диэлектрических материалах. Это свойство серебра широко использует­ся при производстве малогабаритных конденсаторов. Однако необходимо учитывать, что при повышенных температурах и влажности атомы серебра способны мигрировать по поверхности и в объем диэлектрика, что может вызвать нарушение работы устройств. В чистом виде и в сплавах серебро широко используется как материал для изготовления кон­тактов различного рода.

Железо (сталь) – наиболее дешевый и доступный материал, обла­дающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используется в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более вы­сокое по сравнению с медью и алюминием удельное электрическое сопро­тивление (ρv = 0,098 мкОм·м). Значение ρv стали за счет наличия примесей еще выше. В переменных электрических полях в железе, как магнитном материале, сильно проявляется поверхностный эффект. Железо имеет вы­

сокий температурный коэффициент сопротивления (ТKρv = 6·10-3 К-1). В свя­зи с этим тонкая железная проволока, помещенная для защиты от окисле­ния в баллон, заполненный водородом, применяется в барретерах (стабилизаторах тока).

Для изготовления проводников используют и благородные металлы. Материалы этой группы (золо­то, платина, палладий) относятся к числу материалов с наибольшей хими­ческой стойкостью к агрессивным средам.

Золото обладает достаточно высокой электрической проводимостью  (ρv = 0,024 мкОм·м) и исключительно высокой пластичностью, что позволя­ет получить фольгу толщиной 0,08 мкм. Это в 250 раз тоньше человеческо­го волоса. В электротехнике и электронной технике золото используют для изготовления электро­дов фотоэлементов, для вакуумного напыления пленочных микросхем, как контактный, коррозионно-устойчивый материал,

Платина – светло-серый металл практически не взаимодействующий с кислородом и весьма стойкий к возникновению химически активных реа­гентов. Высокая пластичность платины позволяет получать из нее микропровод диаметром до 1 мкм и весьма тонкую фольгу. Сочетание ряда цен­ных свойств платины с ее сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением (ρv = 0,105 мкОм·м) определяет ее широкое применение в электронной технике и приборостроении.

Платину в виде тонких нитей применяют для изготовления подвесок подвижных систем особо чувствительных приборов. Платину и особенно ее сплавы повышенной твердости используют как контактный материал. Платиносодержащие вещества применяют для вжигания контактных пло­щадок, электродов, на керамических изделиях различного назначения. Платина дает вакуумно-плотные слои в точных измерительных и электро­вакуумных приборах.

Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит ее заменителем. Его электрическое сопротивление ρv = 0,11 мкОм·м.