Матеріали високої провідності

Мідь: Переваги міді, що забезпечують їй широке використа-ння в якості провідникового матеріалу, такі:

1) низький питомий опір;

2) висока механічна міцність;

3) задовільна стійкість до корозії;

4) хороша обробка (мідь протягується в листи, стрічки);

5) відносна легкість спаювання і зварювання.

Домішки інших металів різко понижують провідність міді. Тому для основних марок провідниковій міді допускається вміст домішок не більше 0,1%, причому вміст кисню, суттєво погіршує механічні властивості міді.

Мідь отримують шляхом переробки мідних руд. Після декі­лькох плавок руди з інтенсивним дуттям мідь, призначена для еле­ктротехніки, обов’язково проходить процес електролітичної очис­тки. Отримані після електролізу катодні пластинки переплав-ляють і протягують у вироби потрібного поперечного перерізу.

Марки міді – М 1 і М 0. Марка М 1 містить 99,9% міді, а в за­гальній кількості домішок (0,1%), кисню повинно бути не менше 0,08%.

Марка М 0, в якій є не більше 0,05% домішок, в тому числі не вище 0,02% кисню.

При холодній протяжці отримують тверду мідь (МТ), яка має високу міцність при розтягу і має відносне видовження перед розривом, і володіє гнучкістю при згині. Якщо ж мідь нагріти до декількох сот градусів, то отримується м’яка мідь (ММ), яка плас-тичніша, менш тверда, але має велике видовження перед розривом, більш високу питому провідність.

М'яка мідь, питомий опір якої при 20 ^оС не повинен переви­щувати 0,017241 мкОм·м. у вигляді дротів різного перерізу й фо­рми, як правило, застосовується для виготовлення струмопровід-них жил кабелів, обмотувальних і монтажних проводів, екранів си-лових кабелів, обмоток трансформаторів і т.д., де важлива гнуч-кість і пластичність (не повинна пружинити при згині), а не міц-ність.

Тверда (холоднокатана) мідь, питомий опір якої має бути не більше 0,0180 мкОм·м, застосовується в основному там, де необ­хідно забезпечити високу механічну міцність, твердість, пружність і опір до стирання. Такі вимоги пред'являються до міді при вигото­вленні контактних проводів, шин розподільних пристроїв, колекто­рних пластин електричних машин і т.д.

Помітний вплив на механічні й електричні характеристики міді має температура. При нагріванні вище 200 ^оС у результаті процесу рекристалізації механічні й електричні характеристики міді погіршуються. Крім того, питома провідність міді істотно за­лежить від наявності домішок. Так, при вмісті в міді 0,5% домішок цинку, кадмію, або срібла її питома провідність зменшується на 5%.

Рис.4.8. Залежність питомої провідності γ міді від вмісту домішок

(в % по масі).

До недоліків міді варто також віднести її схильність до ато­мосферної корозії з утворенням окисних і сульфідних плівок. Шви­дкість окислювання зростає при нагріванні, але міцність зчеплення окисної плівки з металом не велика. Внаслідок окислювання мідь не придатна для слабкострумових контактів, тому що металеве від-шаровування і термічне розкладання викликає підвищене зно­шу-вання мідних контактів при великих струмах.

Механічні й електричні характеристики провідникової міді визначають області її застосування.

Мідь є порівняно дорогим і дефіцитним матеріалом і як провідниковий матеріал все ширше замінюється іншими матері-алами, зокрема алюмінієм.

Срібло – білий, блискучий метал, стійкий проти окислення при нормальній температурі. Характеризується найменшим пито-мим опором ρ. Високі механічні властивості срібла (σ _р = 200 МПа, Δl/l = 50 %) дають змогу промислово виготовляти з нього провід­ники різного діаметру аж до мікропроводів діаметром від 20 мкм і менше. Такий провід використовують для виготовлення контактів на невеликі струми. Як провідник, срібло використовують у виді гальванічного покриття у відповідних високочастотних пристроях. Срібло використовують також для безпосереднього нанесення на діелектрики в якості електродів у виробництві керамічних і слю­дяних конденсаторів. Однак необхідно знати, що при підвищених температурах і вологості атоми срібла схильні мігрувати на повер­хні і всередину діелектрика, викликаючи порушення роботи при­строю.

До недоліків срібла слід віднести також його властивість легко утворювати плівки сірчаних з’єднань, що мають підвищений питомий опір, що робить необхідним захист срібних покриттів ла­ками або дуже тонкими шарами більш стійкого металу, наприклад паладію. Необхідно відмітити, що срібло відносять до гостродефі-цитних дорогих металів.

Алюміній є другим за значенням (після міді) провіднико-вим матеріалом. Це представник так званих легких металів (тобто металів з густиною меншою за 5·10³ кг/м³). Алюміній володіє по­ниженими в порівнянні з міддю властивостями – як механічними так і електричними. При однаковому перерізі і довжині електрич­ний опір алюмінієвого проводу більше, ніж у мідного в 0,028/0,0172 = 1,63 рази. Звідси, щоб отримати алюмінієвий прові­дник такого ж електричного опору як і мідний, потрібно взяти його переріз у 1,63 рази більшим, тобто діаметр повинен бути в 1,3 рази більше діаметра мідного проводу. Звідси зрозу-міло: якщо конструкція електротехнічного пристрою повинна мати обмежені габарити, то заміна міді алюмінієм затруднена. Якщо ж порівняти по масі два зразки алюмінієвого та мідного проводів од­нієї ж довжини і одного опору, то виявиться, що алюмінієвий про­від хоч і товстіший (в 1,3 рази) мідного, але легший від нього при­близно в 2 рази.

В електротехнічній промисловості використовується алю-міній, що містить не більше 0,5% домішок, марки А 1. Більш чистий алюміній марки АВ 00 (не більше 0,03% домішок) застосовують для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів, корпусів оксидних конденсаторів. Алюміній найвищої чистоти марки АВ 0000 містить домішок не більше 0,004%.

Алюміній активно окислюється і покривається тонкою плів-кою окису з високим електричним опором. Ця плівка захищає алюміній від корозії, але створює великий перехідний опір у місцях контакту алюмінієвих проводів, що унеможливлює пайку алюмінію звичайними методами. Для пайки алюмінію застосовують спеціаль-ні пасти-припої або ультразвукові паяльники.

Важливе практичне значення має проблема захисту від галь-ванічної корозії місць контакту міді й алюмінію. Коли область кон­такту піддається впливу вологи, то виникає місцева гальванічна пара з досить високим значенням термоЕРС, причому полярність цієї пари така, що струм на зовнішній поверхні контакту спрямований від алюмінію до міді, внаслідок чого алюмінієвий провідник може бути сильно зручнований корозією. Для усунення цього місця з'єднання мідних провідників з алюмінієвими повинні бути ретельно захищені від зволоження.

Рис.4.8. Температурні залежності теплоємності с, коефіцієнта лінійного розширення α _l, питомого опору ρ для алюмінію.

До недоліків алюмінію слід віднести:

– низька механічна міцність; відпалений алюміній у три рази менш міцний при розриві, ніж відпалена мідь; питомий опір прак-тично в 1,6 раза більше, ніж у міді; стрімко піддається електролі-тичної корозії.