Матеріали високої провідності. Сплави та неметалеві провідники

МАТЕРІАЛИ ВИСОКОЇ ПРОВІДНОСТІ. СПЛАВИ ТА НЕМЕТАЛЕВІ ПРОВІДНИКИ

Житомир 2009

1. Прості матеріали високої провідності та їх сплави

До матеріалів високої провідності відносяться мідь, алюміній, натрій металевий, срібло, золото, платина, залізо. З них найбільш розповсюдженими в радіоелектронній та електротехнічній апаратурі є мідь та алюміній.

Мідь: метал жовто-червоного кольору.

Переваги міді:

Найменший, після срібла, питомий опір, ρ = 0,017 (мк Ом ּм);

достатньо висока механічна міцність;

задовільна стійкість до корозії (інтенсивне окислення відбувається тільки при підвищених температурах);

висока технологічність в обробці (з міді прокатуються листи, стрічки і протягуються дроти товщиною долів міліметра);

відносна легкість пайки та зварювання.

Отримання міді: здійснюється шляхом переробки сульфідних руд. Після декількох плавок руди та відпалювань з інтенсивним обдуванням, мідь очищують електролітичним шляхом. Отримані при цьому катодні пластини переплавляють в заготовки масою 80–90 (кг), які прокатують та протягують до необхідного поперечного перерізу. Для виготовлення дроту, спочатку шляхом гарячого прокатування, виготовляють «катанку» діаметром 6,5 ÷ 7,2 (мм), яку протравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти для зняття з її поверхні оксиду міді СuO, що виникає при нагріванні, а потім протягують без підігрівання в дріт потрібного діаметру до 0,03÷0,02 (мм).

Марки міді:

В якості провідникового матеріалу використовують мідь марок М1 та М0.

Склад міді:

марки М0 – 99,95% міді (Cu), 0,05% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,02%;

марки М1 – 99,9% міді (Cu), 0,1% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,08%. Присутність кисню погіршує механічні властивості міді.

При холодному протягуванні отримують тверду мідь (МТ), яка має високу межу міцності при розтягуванні, мале подовження перед розривом, твердість та пружність при вигинанні. Дріт з твердої міді здатний пружинити.

При випалюванні міді (здійснюється її підігрів до декількох сотень градусів з наступним охолодженням) отримують м’яку мідь (ММ). Відпалювання міді виконують в спеціальних печах без доступу повітря, з метою уникнення процесу окислення. М’яка мідь характеризується пластичністю, малими твердістю та міцністю, але для неї є характерним велике подовження перед розривом та більш висока питома провідність.

Сплави міді з оловом, кремнієм, фосфором, берилієм, хромом, магнієм, кадмієм – називаються бронзами. Бронзи мають більш кращі механічні властивості ніж чиста мідь. Бронзу використовують для створення пружинних контактів. Введення в мідь кадмію значно підвищує її міцність та твердість, при незначному зменшенні питомої провідності. Кадмієву бронзу використовують для виготовлення колекторних пластин. Ще більшою міцністю володіє берилієва бронза.

Сплав міді з цинком носить назву латуні, яка характеризується достатньо високим відносним подовженням при підвищеній, у порівнянні з чистою міддю, межі міцності при розтягуванні. Деталі з латуні, у порівнянні з мідними більш краще штампуються та витягуються.

Алюміній – другий за значенням після міді провідниковий матеріал. Відноситься до легких металів (питома щільність алюмінію становить 2,6 (Мг/м³), а прокатаного 2,7 (Мг/м³)). Алюміній в 3,5 рази легший ніж мідь. Температурний коефіцієнт розширення, питома теплоємність та теплота плавлення алюмінію більші ніж у міді, а температура плавлення навпаки менше. Алюміній має нижчі у порівнянні з міддю механічні та електричні характеристики. Його питомий опір ρ=0,028 (мкОм·м) в 1,63 рази більший ніж у міді ρ=0,0172 (мкОм·м). Тому поперечний переріз дроту з алюмінію повинен бути в 1,63 рази більший, ніж у дроту з міді, для забезпечення однакового з ним електричного опору, тобто діаметр алюмінієвого дроту повинен бути в  рази більший ніж у мідного. Тому якщо в конструкції існують габаритні обмеження, краще застосовувати мідний дріт. Однак при однакових довжині та електричному опорі алюмінієвий дріт в 2 рази легший за мідний. Тому для виготовлення дротів однієї і тієї ж провідності при даній довжині, алюміній буде вигідніше міді в тому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонни міді не більше ніж у два рази. Алюміній менш дефіцитний за мідь.

В електротехніці використовують алюміній марки А1, що містить ≤ 5% домішок. Для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів та корпусів оксидних конденсаторів, використовують алюміній марки АВОО кількість домішок в якому ≤ 0,03%. Алюміній марки АВОООО містить домішок ≤ 0,004%. Наявність домішок зменшує питому електричну провідність алюмінію. Прокатування, протягування та відпалювання алюмінію аналогічні операціям над міддю. З алюмінію є можливість, прокатуванням, отримати фольгу товщиною 6÷7 (мкм), яка використовується в якості електродів паперових та плівкових конденсаторів.

Алюміній активно окислюється, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, з великим електричним опором. Ця плівка захищає алюміній від подальшої корозії, але створює великий перехідний опір в місцях контакту алюмінієвих дротів і унеможливлює пайку алюмінію звичайними методами. Для пайки алюмінію використовують спеціальні пасти – припої або ультразвукові паяльники. У місці з’єднання алюмінію та міді виникає гальванічна корозія. У разі зіткнення місця контакту з вологою, виникає місцева гальванічна пара з доволі високим значенням ЕРС, причому полярність цієї пари є такою, що на зовнішній поверхні контакту струм протікає від алюмінію до міді, в результаті чого алюміній піддається значній корозії. Тому місця з’єднання мідних провідників з алюмінієвими повинні бути якісно захищені від вологи.

Алюмінієві сплави – мають підвищену механічну міцність.

Альдрей: 0,3÷0,5% магнію (Мg), 0,4÷0,7% кремнію (Si), 0,2÷0,3% заліза (Fe), решта алюміній (Аl). Високі механічні якості альдрей отримує після особливої обробки (закалювання катанки – охолодження у воді при температурі 510÷550⁰С, волочіння та витримка при температурі близько 150 ⁰С). В альдреї утворюються з’єднання Мg₂Si, яке забезпечує високі механічні властивості сплаву. У вигляді дроту альдрей має:

щільність – 2,7 (Мг/м³);

межу міцності при розтягуванні – σ_ρ = 350 (МПа);

відносне подовження перед розривом – ∆ℓ/ℓ=6,5%;

температурний коефіцієнт лінійного розширення провідника – α_l=23·10^–6 (K ^–1);

питомий опір – ρ = 0,0317 (мкОм ·м);

температурний коефіцієнт питомого опору – α_ρ= 0,0036 (K ^–1).

Альдрей є легшим за алюміній та близьким до нього за питомим опором, при цьому за механічними властивостями він більш наближений до твердотягнутої міді.

Сталеалюмінієвий дріт – широко використовується в електротехніці для побудови ліній електропередач. Це скручений стальний дріт з алюмінієвими жилами. Механічні властивості забезпечує сталь, а електричні алюміній. В цьому дроті, при високих напругах, небезпека виникнення коронного розряду є меншою ніж у мідному, завдяки меншій величині напруженості електричного поля на його поверхні, яка визначається більшим зовнішнім діаметром.

Залізо (сталь) – найбільш дешевий та доступний з високою механічною міцністю метал, однак навіть чисте залізо у порівнянні з міддю та алюмінієм характеризується великим питомим опором ρ = 0,1 (мкОм ·м). У сталі за рахунок вуглецю опір є ще більшим. У сталі при змінному струмі проявляється поверхневий ефект, тому активний опір стальних провідників змінному струму є більшим за омічний опір постійному струму. У якості провідникового матеріалу, як правило застосовують м’яку сталь із вмістом вуглецю 0,1÷0,15%. Для неї є характерними наступні параметри:

межа міцності при розтягуванні – σ_ρ=700÷750 (МПа);

відносне подовження перед розривом – ∆ℓ/ℓ=5÷8%;

питома провідність (γ) в 6–7 разів менша ніж у міді.

Застосування м’якої сталі є вигідним для виготовлення дротів повітряних ліній, призначених для передачі невеликих потужностей (невеликого струму), оскільки при малій силі струму, переріз дроту визначається не електричним опором, а насамперед його механічною стійкістю. Сталь, як провідник застосовується у вигляді шин, рейок трамваїв та електричних залізних доріг (у тому числі «третя рейка» метро). Для осердь сталеалюмінієвих дротів повітряних ліній електропередачі застосовується особливо міцний сталевий дріт з параметрами: σ_ρ=1200÷1500 (МПа), ∆ℓ/ℓ=4÷5%.

Звичайна сталь є нестійкою до корозії, навіть при нормальній температурі, особливо в умовах підвищеної вологості вона швидко ржавіє. Для запобігання корозії сталь покривають цинком. Залізо характеризується високим температурним коефіцієнтом питомого ТКρ

Біметал – це сталь, зовнішня поверхня якої покрита міддю, причому обидва метали з’єднані один з одним міцно та безперервно по всій поверхні їхнього зіткнення.

Способи виготовлення біметалу:

гарячий – стальна заготовка ставиться у форму, а проміжок між заготовкою та формою заливається розплавленою міддю, після чого вже біметалічну заготівку прокатують та протягують;

холодний – мідь електролітично осаджують на сталевий дріт, пропускаючи його крізь ванну з розчином мідного купоросу.

Біметал має механічні та електричні властивості проміжні між властивостями суцільних мідного та сталевого провідників того ж перерізу. Конструкція, в якій мідь розташовується в зовнішньому шарі, а сталь всередині забезпечує:

більш високу провідність всього дроту при змінному струмові;

захист сталі від корозії.

Біметалевий дріт характеризується наступними параметрами: зовнішній діаметр від 1 до 4 (мм); відносний склад міді не менше 50%; межа міцності при розтягуванні σ_ρ≥550÷700 (МПа); відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ≤2%; опір 1 (км) дроту постійному струму при 20 ⁰С в залежності від діаметра від 60 (при 1 (мм)) до 4 (Ом/км) при 4 (мм).

Біметалевий дріт застосовується для ліній зв’язку та електропередачі, з нього виготовляються шини для розподільчих пристроїв, різноманітні струмоведучі частини електричних апаратів.

Натрій металевий – отримується шляхом електролізу розплавленого хлористого натрію NaCl. Питомий опір натрію у 2,8 рази більше ніж у міді і у 1,7 рази більше ніж у алюмінію. Завдяки дуже малій щільності (він легше води; його щільність в 9 разів менша за щільність міді) дріт з натрію значно легше за дріт з будь-якого іншого металу. Однак натрій є хімічно активним матеріалом – він інтенсивно окислюється на повітрі та бурно реагує з водою, крім того, натрій є дуже м’яким матеріалом та має малу межу міцності при розтягуванні та інших деформаціях. Тому дріт з натрію повинен бути захищеним герметичною оболонкою, яка повинна також надавати дроту необхідні механічну міцність та електричну ізоляцію. Натрієві дроти та кабелі виготовляють в пластмасових (поліетиленових) оболонках.

2. Надпровідники та кріопровідники

В 1911 р. нідерландський фізик Х. Камерлінг – Оннес, при дослідженні електропровідності металів при «гелієвих» температурах (температура переходу гелію в рідкий стан, при нормальному тиску, 4,2 (К)) зробив відкриття, що опір кільця з замороженої ртуті, стрибком зменшується до мізерного значення, яке дуже важко виміряти. Таке явище отримало назву надпровідності.

Температура, при охолодженні до якої, речовина переходить в надпровідний стан, називається температурою надпровідного переходу Т_Н. Речовини, які здатні переходити в надпровідний стан, називаються – надпровідниками. Явище надпровідності носить зворотній характер, а саме при підвищенні температури надпровідність зникає і речовина переходить в нормальний стан з кінцевим значенням питомої провідності γ. Відомо 35 надпровідникових металів та більше тисячі сплавів та хімічних з’єднань різноманітних елементів. Явище надпровідності пов’язане з тим, що електричний струм одного разу наведений в надпровідному контурі, буде тривалий час (роками) циркулювати по цьому контуру без будь-якого підведення енергії ззовні (без урахування витрат енергії на роботу пристрою охолодження, який має підтримувати температуру контуру нижче значення Т_Н, характерного для даного надпровідного матеріалу). Такий надпровідний контур створює в просторі магнітне поле, подібне постійному магніту. Однак на практиці виготовити працюючий надпровідниковий електромагніт, який здатний створити в просторі магнітне поле з достатньо великими значеннями напруженості магнітного поля Н та магнітної індукції В виявилося проблематично. З’ясувалося, що надпровідність порушується не тільки при підвищенні температури до значень, що перевищують Т_Н але і при виникненні на поверхні надпровідника магнітного поля з магнітною індукцією, що перевищує індукцію переходу В_Н. Кожному значенню температури Т_Н матеріалу, який знаходиться у стані надпровідності, відповідає відповідне значення індукції переходу В_Н. Найбільша можлива температура переходу Т_Н0 (критична температура) даного надпровідникового матеріалу відповідає критичній магнітній індукції В_Н0 і навпаки.

Параметри надпровідникових матеріалів