По величине проводимости проводники подразделяются на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. К материалам высокой проводимости относятся серебро Аg, медь Cu и её сплавы – бронзы и латуни, алюминий Аℓ, железо Fe и его сплавы, а также золото Аu, платина Рt, хром Сr и ряд других. Они используются для изготовления проводов и кабелей.
Самой высокой проводимостью обладает серебро: ρ = 0,016 мкОм . м, ТКρ = 3,6 . 10 -3 , Тпл = 960 о С, плотность 10500 кг/м 3 , до 200 о С устойчиво к окислению. Для предохранения от коррозии серебро покрывают лаком или другим металлом – палладием Рd. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мкм, использующейся при небольших токах. Предел прочности при растяжении σр ≈ 200 МПа, удлинение при разрыве ≈ 50%. Серебро по сравнению с медью и алюминием находит ограниченное применение: в сплавах с медью, никелем или кадмием – для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр – 10; ПСр – 25 и др., в виде пасты для непосредственного нанесения на диэлектрики.
Секреты выбора качественного смесителя. Не экономь на своём здоровье! Часть 1
Проводниковая медь. Электролитическая медь красновато-оранжевого цвета, чистотой 99,9 (марка М1) и температурой плавления Тпл = 1083 о С имеет ρ = 0,018 мкОм . м. Выпускают тонкие проволоки диаметром до 0,03 – 0,01мм, а также тонкие ленты. Медь достаточно устойчива к атмосферным воздействиям, но при температурах выше 800 о С происходит интенсивное окисление. В присутствии СО2 продуктом окисления является основной карбонат меди по составу близкий малахиту. Иногда для борьбы с коррозией медь покрывают серебром.
В зависимости от метода получения проволоки её свойства могут существенно отличаться. При холодной протяжке получают твёрдую (твёрдотянутую) медь (МТ), которая, благодаря влиянию наклёпа имеет высокий предел прочности при растяжении (360 – 390 МПа) и малые относительное удлинение перед разрывом (0,5 – 2,5 %), твёрдость и упругость при изгибе. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твёрдость и небольшую прочность (260 – 280 МПа), но большое удлинение при разрыве (18 – 35 %) и более высокую удельную проводимость.
Медные электротехнические сплавы – это бронзы и латуни.
Бронзы обозначают буквами Бр, а латуни – буквой Л. Компоненты сплава обозначают так: А – алюминий, О – оово, Ц – цинк, Мц – марганец, Мг – магний, Ж – железо, Б – бериллий, Х – хром, Ф – фосфор, С – свинец.
Бронзы содержат небольшие количества олова Sn, кремния Si, фосфора P, бериллия Be, хрома Cr, магния Mg, кадмия Cd, алюминия А1 и др. Они обладают более высокой прочностью (800 -1350 МПа), но меньшей проводимостью, чем медь. Марки бронз обозначают буквами Бр., за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие добавки и в каком количестве содержатся в данной бронзе. Например, Бр.ОФ6,5-0,15 содержит 6 – 7 % олова и 0,15 % фосфора.
Материалы высокой проводимости. Видеолекция Яковкиной Т.Н.
Введение в медь кадмия значительно повышает механическую прочность и твёрдость при незначительном снижении проводимости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Самую большую прочность имеет бериллиевая бронза (2 % Ве) — 1350 МПа, но проводимость по сравнению с медью уменьшается в 5 – 10 раз.
Из проводниковых бронз изготавливают провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.
Алюминий обладает достаточно высокой проводимостью (ρ = 0,028 мкОм . м) и стойкостью к коррозии, которая обеспечивается самопроизвольным образованием защитной оксидной плёнки Аℓ2О3 с большим электрическим сопротивлением. Плотность алюминия (2700 кг/м 3 ) в 3,5 раза меньше, чем плотность меди, а ρ больше всего, в 1,63 раза, поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины использовать алюминий выгоднее, чем медь, — его требуется меньше. Удельное сопротивление алюминия резко возрастает в присутствии примесей Мg, Mn, Fe, прочность при растяжении – 90 – 170 МПа и удлинение при разрыве 0,5 – 25%.
Достоинство алюминия, заключающееся в наличии на поверхности защитного оксидного слоя, является и его недостатком, т.к. создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта, затрудняет пайку обычными методами. С другой стороны, этот слой оксида позволяет использовать алюминиевую проволоку без изолирующего лакового покрытия в слаботочных трансформаторах.
К недостаткам алюминия относится также и значительная термо-ЭДС в контакте с медью.
Алюминиевые сплавы подразделяются на 2 группы: литейные и деформируемые обработкой. Деформируемые подразделяются на 1) не упрочняемые термообработкой и
2) упрочняемые термообработкой.
Не упрочняемые термообработкой АМц содержат 1,0 — 1,6% Mn, АМг содержат 2,0 – 2,8 Mg, 0,2 – 0,4 Mn, АМг5 – 4,0 – 5,5 Mg 0,3 – 0,6 Mn. Структура – твёрдый раствор.
Упрочняемые – дюралюмины и авиаль. Содержат 3 – 6 компонентов. Дюралюмины – это сплавы Al — Cu – Mg + Mn. Марки Д1, Д16, Д18… Авиаль, например В95, содержат Zn (6%), Mg (2,3%), Cu (1,7%), Mn (0,4%), Cr (0,2%). Марки АК4, АК6, АК8, АК4-1.
Литейных алюминиевых сплавов много. Марки АЛ (алюминиевый литейный) АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 (силумины Al — Si), АЛ-3, АЛ-5, АЛ-6, АЛ-32 (Al-Si-Cu), АЛ-7, АЛ-19 (Al-Cu), АЛ-8, АЛ-13, АЛ-22 (Al-Mg), АЛ-1, АЛ-11, АЛ-24. Наиболее известны силумин и сплавы алюминия с медью. Типичный силумин – АЛ-2 содержит 10 – 13% кремния.
Железо (стали) имеют ρ ≈ 0,1 мкОм . м, но зато высокую прочность (σр = 1200 – 1500 МПа) и используется для изготовления проводов воздушных линий электропередачи, биметаллической проволоки типа «ядро – оболочка» с медной оболочкой.
Для повышения электростабильности, коррозионной стойкости, снижения термо-ЭДС в радиоэлектронике и микроэлектронике в качестве материалов высокой проводимости используют также золото, платину, хром.
4.3.2. Материалы высокого удельного сопротивления.
Эта группа проводниковых материалов представляют собой сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением и малым значением температурного коэффициента удельного сопротивления. Все они имеют структуру твёрдых растворов. Материалы этой группы используются как приборные высокоомные проводники, нагревательные сплавы, материалы для термопар.
К приборным высокоомным проводникам относятся манганин, константан и никелин. Манганин содержит: Cu — 84 — 86 %, Mn – 12-13 %, Ni – 2 – 3 %. Цвет манганина светло-оранжевый, плотность 8400 кг/м 3 , Тпл = 960 о С, ρ = 0,42 – 0,43 мкОм . м, ТКρ = (2 – 6) . 10 -6 К -1 . Максимальная рабочая температура ≈ 300 о С. Недостатком манганина является высокое значение термо-ЭДС с медью ≈ 1,0 мкВ/К. Разработан новый манганин, имеющий термо-ЭДС с медью ≈ 0,1 мкВ/К. Из манганина изготавливают мягкие и твёрдые проволоки диаметром 0,02 – 6 мм, используемые в производстве резисторов и потенциометров высокого класса.
Константан – сплав, содержащий Cu 58 — 60 %, Ni 32 — 40 % и 1 – 2% Мn. Цвет константана – серебристо-жёлтый плотность 8900 кг/м 3 , температура плавления Тпл = 1260 о С, ТКЛР = 14 . 10 -6 К -1 . Удельное сопротивление ρ ≈ 0,5 мкОм . м, ТКρ при нормальных температурах = -(5 — 25) . 10 -6 К -1 , т.е., имеет отрицательное значение. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: он может длительно работать при 450 о С. Недостатком константана является высокая термо-ЭДС в паре с медью и с железом – это может вызывать ошибки измерений в мостовых и потенциометрических схемах. Зато термопары медь – константан (термо – ЭДС = 45 – 55 мкВ/К) широко используются для измерения температур, а сам константан является тензометрическим материалом и применяется для изготовления проволочных тензодатчиков. Действие тензодатчиков основано на изменении сопротивления при деформации тензометрического элемента.
Нагревательные сплавы стойки к окислению при высоких температурах. Это объясняется образованием на их поверхности плотной оксидной плёнки, чаще всего это оксид хрома Cr2O3 или закись никеля NiO. Эти оксиды не испаряются при высоких температурах и имеют ТКЛР близкие к ТКЛР сплава, поэтому не растрескиваются при нагревании.
Нагревостойкие материалы обычно представляют собой сплавы хрома и никеля, называемые нихромами (Х15Н60, Х20Н80), хрома и алюминия, называемые хромалями (Х23Ю5Т), железа и хрома, называемые фехралями (Х13Ю4)
Нихром имеет ρ ≈ 1 мкОм . м, ТКρ ≈ 10 -4 К -1 и максимальную рабочую температуру ≈ 1000 о С, хромали имеют более высокое ρ ≈ 1,3 мкОм . м и более высокую рабочую температуру – до 1400 о С. Фехрали дешевле нихромов, но имеют более низкую рабочую температуру = 750 – 1000 о С.
Сплавы для термопар. При соприкосновении двух металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов W. Причиной появления W являются различные значения работы выхода электрона. В замкнутой цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников при условии, что контакты проводников находятся при разных температурах, возникает электродвижущая сила. В этом заключается эффект Зеебека. Величина термо-ЭДС U подчиняетсяуравнению:
U = k/e (T1 – T2) ln na/nb, (4.3)
где k – константа Больцмана, е – заряд электрона, na и nb – концентрация электронов в металле а иb, T1 – температура горячего спая, T2 – температура холодного спая. Поскольку k/e . ln na/nb – для каждой пары металлов является величиной постоянной, уравнение принимает вид U = с (T1 – T2). Этот эффект используется для измерения температур с помощью термопар, с называется температурным коэффициентом термо-ЭДС термопары.
Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:
копель (56 % Cu + 44% Ni), ρ = 0,46 мкОм . м; алюмель (95 % Ni, остальное Al, Si и Mg); хромель (90 % Ni и 10 % Cr), ρ = 0,66 мкОм . м; платинородий (90 % Рt и 10 % Rh).
Термопары могут применяться для измерения следующих температур:
медь – константан и медь-копель – до 350 о С;
хромель-копель, железо-копель, железо-константан – до 600 о С;
хромель-алюмель – до 900 – 1000 о С;
платинородий-платина – до 1600 о С.
Самая высокая термо-ЭДС у термопары хромель-копель (ХК), самая низкая – у термопары платинородий-платина.
Источник: studopedia.su
Проводниковые материалы: медь, алюминий, бронза, латунь.
К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.
Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников весьма узок и составляет от 0,016 мкОм×м для серебра до 1,6 мкОм×м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.
Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением.
По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:
· проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.;
· конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т.д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;
· сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т.п.;
· контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;
· материалы для пайки всех видов проводниковых материалов.
Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью и пластичностью.
2. Медь
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки М0 и М1.
Почти все изделия из проводниковой меди изготавливаются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.
Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).
При температурах термообработки выше 900 °C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.
В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07—0,15%, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами.
Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.
3. Латуни
Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%.
Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.
Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.
· латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей;
· латуни марок ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электрических двигателей и для токоведущих деталей, изготовленных резанием и штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями;
· латунь ЛА67-2,5 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;
· латуни ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.
4. Проводниковые бронзы
Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых в основном вызвана недостаточной в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.
Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз.
· кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из числа всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;
· бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °C, и электрической проводимостью в 2—2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например: токоведущие пружины, отдельные виды щеткодержателей, скользящие контакты в различных приборах, штепсельные разъемы и т.п.;
· фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.
Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8—15% проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.
Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные, где основными легирующими элементами являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni.
5. Алюминий
Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.
Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.
Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.
Прочная пленка окиси быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.
Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.
Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим путем.
Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.
Таблица 1. Основные характеристики проводниковых материалов
Плотность, кг/м 3 ·10 3
Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом×м·10 –6
Средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °C, 1/град
Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин
Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины
Источник: eti.su
Презентация, доклад Проводниковые материалы
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Проводниковые материалы. Презентация на заданную тему содержит 48 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас — поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Презентации » Образование » Проводниковые материалы
>»>