Металлы и сплавы с высокой электрической проводимостью

Металлы и сплавы с высокой электрической  проводимостью

 

Величина  удельного электросопротивления чистых металлов находится в пределах 0,016-1,166 мкОм ∙ м. Значение 0,016 мкОм ∙ м соответствует чистому серебру, 1,16 мкОм∙м-чистому висмуту.

У сплавов  ρ≈2,5 мкОм ∙ м, α_ρ различных чистых металлов изменяется в небольших пределах вблизи значения ~5^. 10^-3 К^-1 У сплавов α_ρ значительно ниже и может вообще стремиться к нулю. Для промышленных проводящих материалов большое значение имеют механические характеристики- предел прочности при растяжении σ и относительное удлинение при растяжении δ, характеризующее пластичность проводника (в процентах).

Ниже  рассмотрены низкоомные проводящие материалы, используемые для передачи электрической энергии, а также контактные материалы. К металлам, применяемым в качестве низкоомных проводников, относятся серебро, медь, алюминий и некоторые сплавы на их основе.

Ниже  приведены некоторые свойства серебра, золота, меди и алюминия:

	Ag	Au	Cu	Al
Удельное электросопротивление p, мкОм•м	0,016	0,024	0,01	0,027
Температурный коэффициент электросопротивления α • ,	3,6	0,4	4,5	4,3
Температура плавления, ˚С	960	1063	1084	658
Плотность, кг/	10500	19300	8900	2700

 

Примечание. Все металлы имеют Г.Ц.К. решетку.

 

Серебро Ag. Вследствие высокого электрохимического потенциала серебро является благородным металломи практически не окисляется на воздухе. Поэтому, несмотря на высокую стоимость, серебро применяют в качестве неокисляющихся проводников, электрических контактов на высоких и ультравысоких частотах, а также в печатных микроэлектронных схемах. В высокочастотной аппаратуре серебро широко используют для покрытия меди или латуни слоем ~5мкм. Покрытие создается гальваническим методом или напылением в вакууме. Поскольку в высокочастотных элементах имеет место оттеснение зарядов в поверхностные слои проводника (поверхностный эффект), серебрение высокочастотных проводников резко снижает электросопротивление.На воздухе серебро темнеет вследствие образования сернистого серебра S. Но электропроводность этого соединения значительно выше, чем окиси или закиси меди, поэтому контакт серебра с атмосферой мало сказывается на его электропроводности. Для защиты серебра от сернистых паров применяют покрытия лаком или тонким слоем палладия. Высокая свето- и теплоотражательная способность позволяет изготавливать из серебра зеркала и теплоотражатели для различных конструкций летательных аппаратов.

Благодаря высокой теплопроводности серебро применяют как датчик для измерения температуры. Специальными методами из серебра изготавливают электроды и токопроводящие покрытия на непроводящих поверхностях: керамике, смоле, стекле, кварце и др. (печатный монтаж, изготовление конденсаторов, пьезокварцевых пластин).

В некоторых  случаях серебро заменяют золотом  Аu.

Медь Cu. Вторым после серебра металлом с низким удельным сопротивлением является медь. Наиболее пластична бескислородная вакуумная медь с содержанием <0,02% О₂, которую получают индукционной плавкой в вакууме. Вакуумная медь (99,99% Сu) имеет пониженное удельное сопротивление р=0,017 мкОм ∙ м и пониженное содержание летучих примесей - Pb, Bi, Zn.

На воздухе  поверхность медного проводника быстро покрывается слоем закиси-окиси меди с высоким удельным электросопротивлением. Высокочастотные медные токоведущие элементы защищают от окисления покрытием из серебра. В настоящее время вьпускают следующие марки чистой меди с содержанием последней,%, не менее: M00 (99,99% Сu); М0 (99,95% Сu); М1 (99,9% Сu); М2 (99,7% Сu); М3 (99,5% Сu); М4 (99,0% Сu).

Техническую медную проволоку выпускают в  отожженном виде марок MM (мягкая) и в нагартованном МТ (твердая). Марки мягкой меди М0 и М1 (σ=270 МПа; p=0,0175 мкОм∙м) применяют для обмоточных проводов, жил кабелей, твердую медь тех же марок (σ =390 МПа; p=0,018 мкОм∙м) -для контактных проводов и коллекторов. Температура рекристаллизации меди 270° С. Вакуумную бескислородную медь (M00) используют в электровакуумных приборах (аноды мощных ламп), в элементах СВЧ-приборов (волноводы, магнетроны), для изготовления особо, тонкой проволоки и красномедной фольги. Медь марок М2, М3 и М4 применяют для получения медных сплавов –бронз и латуней.

Сплавы  на основе меди. Если проводник должен иметь повышенную прочность или стойкость к истиранию, то используют сплавы меди - латунь и бронзу, хотя удельное электросопротивление их выше.

Латунь- это сплавы системы Cu-Zn, содержащие иногда 1-2% Mn или Fe. В марках латуни цифры указывают на процентное содержание меди (например, латунь Л80, Л68). Латуни системы Cu-Zn отличаются хорошими механическими и коррозионными свойствами, поддаются ковке, штамповке, прокатке (листы , лента, полуфабрикаты) в горячем и холодном состоянии. Удельная электрическая проводимость латуни при содержании 30% Zn составляет примерно 40% от проводимости меди. Структура практически применяемых латуней при комнатной температуре представляет собой либо кристаллы α-раствора цинка в меди, либо смесь кристаллов, где β - кристаллы фазы, представляющей собой упорядоченный β-твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи и электронной концентрацией .

Бронзы-сплавы меди с оловом, кадмием, бериллием, алюминием, кремнием и другими элементами.

Бронзы  превосходят медь по механическим свойствам, химической стойкости, стойкости к истиранию, антифрикционным и другим свойствам, но имеют более низкую удельную проводимость. Наилучшими свойствами отличаются бронзы с добавками бериллия и кадмия.

Бронзу  маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, и цифры, указывающие на количeство этих элементов в целых процентах (например, БрОЦ4-3 содержит Sn 3,5-4,0%, Zn 2,7-3,3%, а также сотые и тысячные доли процента Fe, Pb, Sb, А1, Si, Р).

 

ТАБЛИЦА 1 СПЛАВЫ МЕДИ И ИХ СВОЙСТВА

Наименование сплава	Удельная проводимость σ, %*	Предел прочности σ , МПа	Относительное удлинение δ, %	Примечание
Медь М00	100	270	50	--
Латунь Л68	40	380	65	Отожженная
Бронза кадмиевая (0,9% Cd)	95	260	50	Высокая стойкость к истиранию
Бронза берилиевая БрБ2	30 (отожженная)	550	40
* От проводимости чистой меди.	17 (нагартованная)	1950	7	Термообработка (закалка и старение)

 

Структура бронз определяется типом диаграммы  состояния медь-легирующий элемент  и видом термической обработки. Лучшие марки бронз, например бериллиевую (табл. 1), применяют для токоведущих  пружин, контактов, различных мембран. Кадмиевую бронзу используют для  проводов, коллекторных пластин, скользящих контактов. Бронзы имеют широкое  применение в приборостроении. B табл. 1 приведены некоторые марки и  свойства меди и медных сплавов.

Алюминий  Al занимает третье место среди проводниковых материалов по величине удельного сопротивления, имеет малую плотность (примерно в 3,3 раза меньше, чем у меди),небольшую прочность (σ =100 МПа) и хорошую пластичность (δ=35%). Он легко окисляется на воздухе, причем на поверхности образуется газонепроницаемая пленка Аl₂O_з толщиной ~0,05 мкм, предохраняющая внутренние слои металла от дальнейшего окисления.

Промышленность  выпускает электролитический сверхчистый  алюминий А999 (99,999% Аl) и А995 (99,995% Аl), Эти марки алюминия обладают высоком пластичностью и стойкостью против коррозии. Их применяют для анодной фольги электролитических конденсаторов и для защитных кабельных оболочек. Другие маpки этой группы-А99 (99,99% Аl), А95 (99,95% A1).

Алюминий  технической чистоты маркируется  как А85 (99,85% A1), А7 (99,7% A1) и применяется для кабельных и токопроводящих изделий, фольги, плакировки сплавов. Алюминий марок А0 (99,0% Аl) иАЕ (99,5% Al) используют для получения алюминиевых сплавов, кабелей, токопроводящих изделий, шин, рамок и стрелок электроизмерительных приборов. Проводимость aлюминия сильно падает при наличии таких примесей, как марганец, железо, медь, вследствие увеличeния искажений кристаллической решетки, поэтому проволока из алюминия технической чистоты после отжига при t= (350+20)° C должна иметь гарантиpованную заводом-изготовителем величину удельного электросопротивления; обычно она составляет не более 0,028.10^-6 Ом∙м.

Биметаллическая проволока. Проводниковая биметаллическaя  проволока состоит из стальной сердцевины и медной или алюминиевой оболочки. Ее получают путем их совместной пластической деформации. При определенных условиях биметаллическим проводником может  считаться проводник c покрытием, полученным гальваническим осаждением, металлизацией  в вакууме и т. д.

Механическая  прочность биметалла благодаря  стальной сердцевине значительно выше, чем у меди (σ =600 МПа). Проводимость биметалла, особенно на повышенных частотах, определяется сечением поверхностной оболочки вследствие явления скин-эффекта. Кроме того, медная и алюминиевая оболочки защищают сталь от коррозии.

Проводниковую биметаллическую сталемедную  проволоку выпускают диаметром 1-4 мм, ~50% (по массе) может составлять медь.