 |
Материалы с высоким сопротивлением
|
|
|
|
В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции.
Манганин – пластичный сплав светло-оранжевого цвета, температура плавления – 960 °С. Состав сплава: 12 % Mn и 3 % Ni, остальное – Cu (табл. 10.2). Манганин – основной сплав для электроизмерительных приборов и образцовых сопротивлений высокого класса точности: эталонов магазинов, мостовых схем, шунтов. Достоинство сплава: малая зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, низкая термоэдс при контакте с медью (1–2 мкВ/К). Для стабилизации электрических характеристик манганин подвергают в течение 10 ч отжигу в вакууме при 550–600 °С и медленному охлаждению. Также отжигают при 200 °С намотанные катушки. Из манганина изготовляют мягкую и твердую проволоку диаметром 0,02–6 мм и ленты толщиной до 0,08 мм и шириной до 270 мм.
Таблица 10.2
Свойства проводниковых сплавов с высоким сопротивлением
| Параметр | Манганин | Константан | Нихром | Фехраль | Хромаль |
| Плотность, г/см3 | 8,4 | 8,9 | 8,2–8,5 | 7,5 | 7,1 |
| Удельное сопротивление, мкОм·м | 0,4–0,5 | 0,45–0,55 | 1,1–1,2 | 1,2–1,3 | 1,3–1,5 |
| Температурный коэффициент удельного сопротивления, 105 К-1 | 2–4 | 0–2 | |||
| Предел прочности при растяжении, МПа | 450–600 | 450–700 | 650–700 | ||
| Относительное удлинение при разрыве, % | 15–30 | 20–40 | 25–30 | 10–15 | |
| Рабочая температура, °С |
Константан – сплав серебристо-желтого цвета, температура плавления – 1260 °С. Название получил за постоянство удельного электрического сопротивления при изменении температуры. Состав: 40 % Ni и 1,5 % Mn, остальное – Cu. Вредной примесью является сера, которая образует с никелем эвтектику с низкой температурой плавления. Связь между зернами нарушается, переработка слитков в проволоку становится невозможной. Эвтектика способствует развитию межкристаллитной коррозии. Для устранения вредного влияния серы добавляют марганец. После гомогенизации слитки подвергают прокатке и волочению, протягивают в проволоку диаметром до 0,02 мм.
|
|
|
При нагревании до 900 °С константан окисляется, на поверхности образуется сплошная оксидная пленка. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, резисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. В паре с медью константан имеет высокую термоэдс (40–50 мкВ/К), что затрудняет применение в точных измерительных схемах. Это же свойство позволяет использовать константан в паре с медью или железом для изготовления термопар. Константан применяют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов. Широкое применение константана ограничено вследствие большого содержания дефицитного никеля.
Сплавы для электронагревательных элементов. К этим сплавам на основе железа предъявляются следующие требования: высокое удельное электрическое сопротивление и малый его температурный коэффициент, длительная работа на воздухе при температурах до 1000 °С и выше, технологичность, невысокая стоимость. Высокая жаростойкость сплавов достигается при добавлении к железу никеля, хрома и алюминия, которые образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку из оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO. В марках сплавов буквы обозначают: Х – хром, Н – никель, Ю – алюминий, Т – титан. Цифра, следующая за буквой, – процентное содержание металла.
Нихромы представляют собой твердые растворы двойных (никель-хром) сплавов. Железо вводится для лучшей обрабатываемости и снижения стоимости. В отличие от никеля и хрома железо легко окисляется, жаростойкость сплава снижается. Температурные коэффициенты линейного расширения сплава и оксидной пленки должны иметь близкие значения. Растрескивание пленки происходит при резких сменах температуры. Кислород проникает в трещины и продолжает процесс окисления. При многократном кратковременном включении проволока из нихрома перегорает быстрее, чем при непрерывной работе. Для увеличения срока службы проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью (обычно жженой магнезией MgO). Такие нагревательные элементы применяют в электрических кипятильниках, которые работают длительное время. Нихром применяется для изготовления проволочных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пленочных резисторов интегральных схем. Плавка сплавов осуществляется в индукционных вакуумных печах. Отливки обжимают до 12 мм, волочением изготавливают проволоку диаметром до 0,12 мм.
|
|
|
Фехраль и хромаль – сплавы на основе никеля, хрома и алюминия. Фехраль содержит 12–15 % Cr, 3–5 % Al, 1 % Mn, остальное – Fe. Хромаль содержит 23–27 % Cr, 4–5 % Al, остальное – Fe. Они дешевле нихромов и недефицитны, однако менее технологичны, так как более твердые и хрупкие. Из них получают проволоку большего диаметра и ленты с большим поперечным сечением. Используют в электронагревательных устройствах большей мощности и промышленных электрических печах.
Пленочные резистивные материалы получают из исходных материалов и используют в микроэлектронике. Свойства пленок и исходных материалов отличаются. Пленки наносят на изоляционные основания (подложки) различными методами. В качестве подложки используют стекло, керамику, пластики и др. К материалу пленки предъявляются следующие требования: высокое удельное электрическое сопротивление и малый его температурный коэффициент, хорошая адгезия к подложкам, коррозионная стойкость. Пленочные материалы делят на металлопленочные, металлооксидные, композиционные, углеродистые.
Для изготовления металлопленочных и металлооксидныхрезисторов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, рений, вольфрам и сплавы на их основе.
|
|
|
Металлопленочные материалы. Пленки имеют мелкозернистую структуру. В зависимости от толщины (1–10 мкм) пленки и условий нанесения параметры резисторов регулируются в широком диапазоне. Пленки из титана и тантала наносят распылением в атмосфере азота, кислорода или углерода. Электрическое сопротивление возрастает, так как совмещены процессы получения проводящих и диэлектрических слоев в одном цикле. На поверхности металлических пленок образуются оксиды титана и тантала, которые обладают хорошими диэлектрическими свойствами. Пленки из рения и вольфрама получают методом катодного распыления и защищают тонким слоем двуокиси кремния.
Многокомпонентные металлосилицидные сплавы. Сплавы марки PC (кремний и легирующие компоненты: хром, никель, железо) выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40–70 мкм и применяют для получения тонкопленочных, в том числе и прецизионных, микросхем общего и частного применения. В состав сплава марки МЛТ входит 43,6 % кремния, 17,6 % хрома, 14,1 % железа и 24,7 % вольфрама. Сплав выпускается в виде мелкозернистых порошков. Главная область применения – производство металлопленочных резисторов.
Керметы – композиты, получаемые спеканием керамических и металлических порошков. Керметные резисторы обладают хорошей однородностью свойств и повышенной термостойкостью. Матрицей, связующим компонентом являются металлы (Fe, Ni, Со, Сг, Mo, W и их сплавы), наполнителем – керамические вещества (оксиды Be, Mg, Ti, Ni, Si). В полупроводниковом производстве тонкопленочных резисторов широкое применение имеет кермет Cr–SiO2 (от 10 до 60 % SiO2).
Металлооксидные материалы обладают высокой термостойкостью. Наиболее широко применяется двуокись олова SnO2, которая обладает хорошей адгезией к подложкам и высокой кислотостойкостью.
Композиционные материалы представляет механическую смесь мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используют проводники (порошки серебра, палладия) и полупроводники (оксиды серебра, палладия, карбиды кремния, вольфрама). В качестве связующих веществ – термопластичные и термореактивные полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали.
|
|
|
Углеродистые материалы используют в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Углеводороды метанового ряда при высоких температурах разлагаются с образованием на подложках пиролитического углерода, который по структуре и свойствам близок к графиту.
Пиролитические резистивные пленки углерода обладают следующими свойствами: высокая стабильность параметров, устойчивость к импульсным перегрузкам, низкий уровень шумов, отрицательный температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК ρ, малая зависимость электрического сопротивления от приложенного напряжения и частоты, низкая себестоимость.
Материалы для термопар.
Работа выхода электронов. В металле много свободных электронов. Если электрон покидает металл, то на поверхности образуется избыточный положительный заряд. Под действием кулоновской силы притяжения он возвращается обратно. Быстрые электроны удаляются от поверхности на несколько межатомных расстояний. Отрицательный заряд препятствует вылету электронов. Для того чтобы удалить электрон из металла, необходимо совершить определенную работу выхода.
При контакте двух разных металловвозникает контактная разность потенциалов (до нескольких вольт), которая как экспериментально в 1797 г. установил А. Вольта, зависит: 1) от химического состава и температуры двух соприкасающихся металлов; 2) от контактной разности потенциалов крайних проводников при последовательном соединении нескольких проводников при одинаковой температуре.
На рис. 10.8 изображены два металла с разными работами выхода электронов (W 1 < W 2), т. е. с различными положениями верхнего заполненного электронами энергетического уровня – уровня Ферми (F 1 > F 2). Кинетическая энергия и концентрация электронов, находящихся на уровнях Ферми, в разных металлах различна. Электроны с более высоких энергетических уровней первого металла переходят на низкоэнергетические уровни второго металла. Первый металл заряжается положительно, энергетические уровни смещаются относительно дна зоны проводимости вниз. Второй металл заряжается отрицательно, энергетические уровни смещаются вверх. Процессы смещения уровней и перехода электронов будут продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми обоих металлов не выровняются (состояние равновесия). В результате возникает разность потенциалов
|
|
|
,
препятствующая дальнейшему переходу электронов. Работа выхода электронов не зависит от того, находятся металлы в контакте или нет.
Термопара состоит из двух изолированных разных проводников (термоэлектродов), сваренных с одного конца, и проводов, подсоединенных к свободным концам. Согласно второму закону Вольта, в замкнутой цепи из двух проводников (см. рис. 10.9), находящихся при одинаковой температуре, электродвижущая сила (э.д.с.) не возникает, т. е. не происходит возбуждения электрического тока. В местах соединения создаются равные и противоположные э.д.с. Если один конец термопары нагреть, то равенство э.д.с. нарушается и возникает термоэдс – поток электронов от горячего конца к холодному (эффект Т. Зеебека, 1821 г.). Направление тока при T 1 > T 2на рис. 10.9 показано стрелкой, при T 1 < T 2возникнет ток обратного направления. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, на горячем – положительный.
Способ подключения термопары к регистрирующему прибору показан на рис. 10.10. Соединения медных проводов с термоэлектродами («холодные спаи» термопары) термостатируют – помещают в сосуд с плавящимся льдом. «Горячий спай» жестко крепится к объекту, температура которого измеряется. Для термопар применяют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением (табл. 10.3). Их выбирают по следующим характеристикам: допустимая рабочая температура спая; удельное электрическое сопротивление; температурный коэффициент удельного сопротивления ТК ρ; коэффициент термоэдс.
Таблица 10.3
Характеристика сплавов для изготовления термопар
| Параметр | Копель | Хромель | Платинородий | Алюмель |
| Состав сплава | 44 % Ni; 56 % Сu | 90 % Ni; 10 % Сr | 90 % Pt; 10 % Rh | 95 % Ni; 5 % Al, Si, Rh |
| ρ, мкОм·м | 0,465 | 0,66 | 0,19 | 0,305 |
Термопары применяются для измерения следующих температур: до 350 °С – медь-константан, медь-копель; 600 °С – железо-константан, железо-копель, хромель-копель; 1000 °С – хромель-алюмель; 1500 °С – платинородий-платина; 2000 °С – вольфрам-молибден; 2500–2800 °С – вольфраморениевый сплав (5–20 % рения). Термопары на основе благородных металлов могут использоваться при длительном применении в любой среде, термопары на основе тугоплавких металлов – в инертной среде или в вакууме. Для измерения криогенных температур используется термопара железо-золото.
|
|
|
