Материалы высокой проводимости

Эти материалы применяются для изготовления электрических проводов различного назначения, токоведущих деталей приборов, аппаратуры и электрических контактов. Основные требования, предъявляемые к этим материалам: низкое удельное сопротивление (r < 0,1 мкОм×м); достаточная прочность и пластичность; коррозионная стойкость; технологичность; способность подвергаться сварке и пайке; низкая стоимость. Используются алюминий, медь и их сплавы, а также благородные и тугоплавкие металлы.

Медь. Среди металлов (исключая серебро и золото) чистая медь имеет наименьшее удельное сопротивление (r = 0,017 мкОм×м), обладает высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью (прокаткой, волочением, ковкой, а также пайкой и сваркой). Электротехническую медь получают путем переработки сульфидных руд с последующей электролитической очисткой. Полученные пластины протягивают в полуфабрикаты требуемого сечения (шины, полосы, прутки). Методом холодной протяжки получают твердую медь (МТ), после отжига – мягкую медь (ММ). Свойства наклепанной и отожженной меди приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Свойства меди

Отожженную медь применяют для проводов, жил кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, токоведущих деталей приборов. Твердую медь используют, если необходимо обеспечить высокую прочность, твердость и износостойкость (неизолированные провода, коллекторные пластины электрических машин и др.).

По содержанию примесей медь делится на марки по ГОСТ 859–78. Железо, кремний и фосфор повышают удельное сопротивление меди на 50 % и более (рис. 10.5). Висмут и свинец вызывают растрескивание при горячей обработке давлением (красноломкость) из-за образования легкоплавких эвтектик. Кислород с медью образует оксиды, что затрудняет пайку, лужение. Водород вызывает хрупкость, образуя микротрещины.

Для электротехнических целей используют бескислородную медь марки М00 (до 0,01 % примесей), которую получают из электролитической переплавом в вакууме, а также медь марок М0 (0,05 % примесей) и М1 (0,1 % примесей). Из бескислородной меди изготовляют детали магнетронов, волноводов, резонаторов, приборов СВЧ. Медь применяют в микроэлектронике в виде тонких проводящих пленок.

Медь используется в спаях со стеклами. Коэффициент линейного расширения у меди больше, чем у стекол, но она обладает низким пределом текучести и высоким коэффициентом теплопроводности.

Сплавы на основе меди. Латуни и бронзы прочнее и дешевле чистой меди, устойчивы к коррозии, технологичны. Их применяют после холодной обработки давлением, либо в отожженном состоянии.

Из однофазных латуней путем обработки давлением в холодном состоянии изготовляют волноводы, платы приборов, крепежные изделия, детали разъемов и выключателей. Из более прочных двухфазных латуней детали приборов можно изготавливать обработкой резанием. Добавление 1–2 % марганца повышает стойкость латуни к дуговому разряду. Изготавливают штепсельные разъемы, зажимы, контакты.

Для пружинных контактов, мембран применяют холоднодеформированную оловянную бронзу. Недостаток – низкая электропроводность. Самой высокой электропроводностью среди всех бронз обладает кадмиевая бронза. Она прочнее отожженной меди в 3 раза. Кадмий повышает температуру рекристаллизации меди. Провода из твердотянутой бронзы не теряют прочности при нагреве до 250 °С. Бронзу применяют для коллекторных пластин, пружинных контактов, проводов повышенной прочности. Хромистая бронза имеет высокую электропроводность, обладает высокой износостойкостью и применяется для скользящих контактов. Бериллиевая бронза обладает высоким пределом упругости, твердостью, сопротивлением усталости и износу, высокой электропроводностью. После термообработки (закалка + старение) происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением метастабильной фазы – интерметаллида CuBe. Это обеспечивает дисперсионное упрочнение и повышение предела прочности до 1300 МПа. Применяют для изделий ответственного назначения: упругих токоведущих элементов точных приборов (пружинных контактов, мембран), деталей, работающих в сложных условиях – при больших давлениях и температурах.

Биметалл – сталь, покрытая слоем меди. Применяется для уменьшения расхода меди и повышения механических свойств. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий и электролитический. В первом случае сталь покрывают медью в литейной форме, затем ее прокатывают и растягивают. Холодный способ обеспечивает большую равномерность покрытия, но меньшую прочность сцепления. Биметаллическая проволока выпускается диаметром от 1до4 мм. Содержание меди в биметалле – не менее 50 % от веса проволоки. Биметаллическую проволоку применяют для линий связи, электропередач. Изготавливают шины распределительных устройств, полосы для рубильников, токоведущие части электрических аппаратов.

Алюминий – второй по значимости металл высокой проводимости после меди (r = 0,028 мкОм·м). При одинаковом сопротивлении и длине алюминиевый провод в два раза легче медного, хотя его сечение примерно в 1,6 раза больше. Алюминий обладает высокой пластичностью, позволяющей изготовлять проволоку различного сечения и фольгу толщиной до 6–7 мкм; хорошей способностью отражать световые и тепловые лучи, которая близка к отражающей способности серебра и увеличивается с повышением чистоты металла.

Технический алюминий получают путем электролиза глинозема Al₂O₃, алюминий высокой чистоты – дополнительным электролитическим рафинированием. На электропроводность алюминия различные примеси также влияют в неодинаковой степени (рис. 10.6). Наиболее сильно электропроводность снижают примеси хрома, ванадия и марганца, которые образуют с алюминием твердые растворы. Менее заметно влияют на электропроводность никель, кремний, железо, цинк. В меньшей степени, чем примеси, на электропроводность алюминия влияет степень его деформации и режим термической обработки. Отрицательное влияние деформации на электропроводность устраняется отжигом.

Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты марки АЕ (0,5 % примесей), высокой чистоты А97 (0,03 %) и особой чистоты А999 (0,001 %). Алюминий используется для обмоточных, монтажных, установочных проводов, линий электропередач, кабельных жил. Пленки алюминия особой чистоты широко используют в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений и контактов.

Алюминиевые провода применяют без изоляции. Тонкая, прочная пленка Al₂O₃ обладает высоким электрическим сопротивлением, а также защищает металл от коррозии. Более толстый слой пленки получают с помощью электрохимической обработки. Алюминиевая оксидная изоляция прочна механически и термически; применяется в электролитических конденсаторах, различных катушках без дополнительной межвитковой и межслойной изоляции (слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение 100 В, толщиной 0,04 мм – 250 В). Недостаток изоляции: ограниченная гибкость, возникают трудности при пайке. Алюминиевые провода обычно соединяют холодной сваркой.

Промышленные алюминиевые сплавы содержат не менее двух-трех легирующих элементов, которые вводятся главным образом для повышения механической прочности. Например, для изготовления корпусов радиоаппаратуры и приборов широко используются дуралюмины. Для проводов воздушных линий электропередач применяют сплав альдрей – алюминий, содержащий магний, кремний и железо, который отличается повышенной пластичностью, прочностью до 350 МПа при хорошей электропроводности (ρ = 0,032 мкОм·м).