- •Ю. А. Манаков материаловедение
- •Методические указания по выполнению семестрового задания
- •Теоретические материалы
- •Тема 1. Основные понятия
- •Теоретический материал
- •1.1. Общие понятия и определения
- •1.2. Классификация материалов
- •1.3. Требования к материалам при их выборе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 2. Строение металлов
- •Теоретический материал
- •2.1. Кристаллические и аморфные тела
- •2.2. Строение чистых металлов
- •2.3. Кристаллографические направления и индексы
- •Анизотропия
- •2.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
- •2.5. Дефекты кристаллического строения
- •2.6. Дислокационный механизм пластической деформации
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния
- •Теоретический материал
- •3.1. Строение сплавов
- •3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 4. Строение неметаллических материалов
- •Теоретические материалы
- •4.1. Строение полимеров
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.2. Строение стекол
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.3. Строение керамики
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.4. Композиционные материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 5. Свойства материалов и их определение
- •Теоретические материалы
- •5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика
- •5.2. Механические (прочностные) свойства материалов
- •5.3. Твердость материала
- •5.4. Теплофизические свойства
- •5.5. Изменение свойств материалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
- •Теоретические материалы
- •6.1. Диффузия
- •6.2. Термическая обработка
- •Виды и операции то
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 7. Металлические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •7.1. Сплавы железа с углеродом Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
- •Классификация сталей
- •Углеродистые стали
- •Легированные стали
- •Стали и сплавы с особыми свойствами
- •Сортамент сталей
- •Вопросы для самопроверки
- •7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы
- •Проволока дкрнм-0,6-кт-л80ам гост 1066-80 –
- •Алюминий и его сплавы
- •Сплавы магния
- •Сплав мл5 гост2856-79. Титан и его сплавы
- •Бериллий и сплавы на его основе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы
- •8.2. Керамика, стекло, ситаллы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Темы 9,10,11. Электротехнические материалы
- •Теоретические материалы
- •9.1. Энергетические зоны твердого тела
- •9.2. Проводниковые материалы Понятие об электропроводности
- •Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
- •Классификация и характеристика проводниковых материалов
- •9.3. Полупроводниковые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 10. Диэлектрические материалы
- •Теоретические материалы
- •10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков
- •10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды
- •.Влияние температуры и частоты на поляризацию
- •10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
- •10.4. Диэлектрические потери
- •10.5. Электрическая прочность диэлектриков
- •10.6. Нагревостойкость диэлектриков
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 11. Магнитные материалы
- •Теоретические материалы
- •11.1. Общие положения
- •11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика
- •Магнитомягкие материалы
- •Магнитотвердые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности
- •Теоретические материалы
- •12.1. Точность размеров
- •12.2. Шероховатость поверхности
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Содержание
Классификация и характеристика проводниковых материалов
Проводниковые материалы в зависимости от величины удельного сопротивления и применения подразделяют на следующие группы:
-
металлы и сплавы высокой проводимости;
-
сплавы с повышенным и высоким удельным сопротивлением;
-
жаростойкие проводящие материалы;
-
криопроводники;
-
сверхпроводники;
-
материалы для контактов;
-
припои.
Проводниковые материалы кроме высокой удельной проводимости (малого удельного сопротивления) должны иметь достаточную прочность, хорошие технологические свойства, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение в приборостроении находят химические чистые металлы Cu, Al, Ag, Au, Sn, Re, Pd, Bi и другие., используемые в качестве проводниковых материалов, покрытий и другие., а также сплавы на их основе: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы и другие.
Серебро среди всех проводниковых материалов обладает наименьшим удельным сопротивлением (ρ=0,016 мкОм*м), невысокой твердостью НВ25, прочность σв~200 МПа и 50%. К недостаткам Ag следует отнести пониженную химическую стойкость и относительно высокую диффузию в материал подложки, на которую оно нанесено. При высокой влажности и повышенной температуре диффузионные процессы усиливаются. Применяется серебро в электротехнике и электронике в качестве материала микропроводников, в контактах, при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов.
Медь является основным проводниковым материалом в приборостроении в силу своих свойств (см. соответствующий раздел темы «Конструкционные материалы»). Отметим, что механические и электрические характеристики меди зависят на только от ее химической чистоты, но существенно и от ее состояния. Твердотянутая медь марки МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность и твердость, чем отожженная медь марки ММ. В результате отжига прочность меди марок МТ снижается, но повышается проводимость (подробнее [1,9]). Основное применение меди – токопроводящие жилы обмоточных, монтажных и установочных проводов [10], контакты, детали токопроводящих устройств.
Алюминий, обладая большим сродством к кислороду, легко окисляется на воздухе и покрывается при этом прочной оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Это обуславливает его высокую коррозионную стойкость, но и создает значительные трудности при пайке. По отношению к большинству других металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал, что в присутствии влаги способствует электрохимической коррозии в зоне контакта. Проводниковый алюминий используют для изготовления жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, прессованных жил кабелей различного назначения [10].
К сплавам с повышенным (ρ>0,3 мкОм*м) и высоким (ρ>1 мкОм*м) удельным сопротивлением относятся ранее названные медно-никелевые сплавы: манганин, мельхиор, нейзильбер, константан; сплавы с особыми свойствами– никелевые, никель-хромовые, идущие для изготовления различных резисторов (их называют еще резистивные материалы). К материалам с высоким удельным сопротивлением можно отнести и материалы для термопар.
Выпускаются различные марки материалов с повышенным и высоким ρ и сортамента в виде полос, прутков, лент, проволоки, трубок.
Основными требованиями к материалам для резисторов являются низкий ТКρ, низкая термоЭДС в паре с медью, высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Их применяют для изготовления технических (регулирующих, пусковых реостатов, нагрузочных элементов) и прецизионных (образцовые сопротивления, элементы электроизмерительных приборов, катушки сопротивления, шунты, обмотки потенциометров) изделий. Выпускаемая для изготовления резисторов из различных материалов с высоким удельным сопротивлением проволока имеет диаметр от 0,009…0,012 мм и более [4,9,10]. Сплавы на основе благородных металлов кроме высокой коррозионной стойкости имеют малую термоЭДС в паре с медью. Основные параметры сплавов с повышенным и высоким сопротивлением приведены в таблице 7.
Таблица 7
Основные параметры проводниковых материалов
Материал |
ρ, мкОм*м |
ТК ρ*10-6 ,оС-1 |
термоЭДС в паре с Сu, мкВ/оС |
σв, МПа |
tраб, оС |
Материалы высокой проводимости |
|||||
Серебро |
0,016 |
4000 |
|
|
|
Медь |
0,017 |
4300 |
|
|
|
Золото |
0,024 |
3800 |
|
|
|
Алюминий |
0,028 |
4200 |
|
|
|
Материалы с высоким удельным сопротивлением |
|||||
Нейзильбер МНЦ15-20 |
0,3…0,32 |
360 |
14,4 |
350…1100 |
|
Манганин МНМц3-12 |
0,4…0,52 |
10…25 |
1,0 |
400…540 |
200 |
Константан МНМц40-1,5 |
0,45…0,52 |
-2 |
40 |
400…640 |
500 |
Сплав Х15Н60 |
1,09…1,12 |
14 |
– |
900 |
|
Сплав Н80ХЮД-Ви |
1,3…1,35 |
14 |
– |
1000 |
150 |
Сплав Х21Ю5ФМ-Ви |
1,4…1,5 |
14 |
– |
>800 |
480 |
Платина-иридий ПлИ-10 |
0,22..0,24 |
133 |
0,5…5 |
350…400 |
|
Палладий-вольфрам ПдВ-20 |
0,85…1,1 |
75 |
0,5…5 |
880…1760 |
|
Материалы жаростойкие |
|||||
Нихром Х20Н80 |
1,0…1,1 |
-(110…130) |
– |
700 |
1100 |
Фехраль Х23Ю5Т |
1,3…1,4 |
65 |
– |
800 |
1200 |
Хромаль Х13Ю4 |
1,2…1,35 |
100…120 |
– |
700 |
900 |
Жаростойкие проводящие материалы кроме высокого удельного сопротивления имеют высокую рабочую температуру (таблица 7). Это сплавы на основе Cr-Ni (нихромы) и Fe-Cr-Al (фехром, хромали), обладающие повышенной стойкостью к окислению при высоких температурах за счет легирования Al. Их применяют для изготовления нагревательных элементов, пусковых реостатов, работающих в тяжелых условиях. Недостаток фехралей, хромалей – низкие технологические свойства.
С понижением температуры удельное сопротивление в металлах уменьшается (рисунок 29). Однако есть металлы и сплавы, у которых при критической температуре значение ρ резко падает до нуля – материал становится сверхпроводником (рисунок 31).
П ереход металла в сверхпроводящее состояние связан с фазовыми превращениями. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и с ионами кристаллической решетки. Электроны с противоположными спинами спариваются, образуя электронные (куперовские) пары. Результирующий спиновый момент становится равным нулю, и сверх проводник превращается в диамагнетик. В состоянии сверхпроводимости куперовские пары обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергетическими импульсами между ними и решеткой нет, т.е. электронные пары не рассеиваются на узлах кристаллической решетки. Сопротивление материала становится равным нулю.
При повышении температуры до значений, выше критической Ткр, куперовские пары распадаются, и состояние сверхпроводимости исчезает. Она исчезает также в сильных магнитных полях и при пропускании большого тока (критические значения поля и тока).
Сверхпроводниками являются ниобий, сплавы на его основе. Применяются сверхпроводники для изготовления обмоток мощных генераторов, электромагнитов, туннельных диодов, устройств памяти, при создании магнитных полей большой напряженности, в криогенных гироскопах с магнитным подвесом. В настоящее время получены керамические высокотемпературные сверхпроводники, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах минус 160…168оС, которая может быть получена с помощью жидкого азота (температура порядка минус 195оC).
К криопроводникам относятся материалы, которые при охлаждении до температур ниже минус 170оС приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. При низкой температуре удельное сопротивление проводника обусловлено, в основном, наличием примесей и дефектами кристаллической решетки, выражение (2). Поэтому криопроводники должны обладать высокой степенью чистоты и отсутствием дефектов строения, что можно обеспечить отжигом.
Н а рисунке 32 приведена температурная зависимость удельного сопротивления особо чистых Al, Cu, Be. Наименьшим сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий.
Однако его использование в качестве криопроводника затруднено вследствие низкий технологичности, дороговизны и токсичности. Криопроводники Al, Cu применяют в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких газов водорода (-252оС), неона (-246оС) и азота (-196оС).
Материалы для контактов. Электрические контакты подразделяют на:
разрывные –периодически замыкают и размыкают электрическую цепь;
скользящие –осуществляют передачу тока с подвижной части прибора, электрической машины на неподвижную;
неподвижные –обеспечивают электрическое соединение неподвижных проводников, например, двух контактных проводов с использованием зажимов.
Материалы для контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь малое переходное сопротивление Rпер, высокую коррозионную и эрозионную стойкость, твердость, высокую электро- и теплопроводность, химическую стойкость, износостойкость, не должны свариваться при работе и другие.
В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные, Iраб<5A; средне- и высоконагруженные Iраб>(5…15)А. Слабонагруженные контакты изготовляют из благородных металлов Au, Ag, Pt, Pd, их сплавов, а также сплавов Pt+Ru, Pt+Rh, Cu+Ag и других. Они обладают низким переходным сопротивлением и повышенной стойкостью против окисления. Но у них низкое сопротивление эрозионному изнашиванию, поэтому эти материалы можно использовать только в слабонагруженных контактах.
Средне- и высоконагруженные контакты часто изготавливают методом порошковой металлургии на основе вольфрама, молибдена, серебро-оксид кадмия, серебро-оксид меди, медь – графит, серебро – графит, серебро – никель, а также Ag+Ni+C, Ag+W+Ni, Cu+W+Ni и другие. Медная и серебряная фазы в этих композициях обеспечивают высокую тепло- и электропроводность контакта, а тугоплавкая композиция W, Мо – стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариваемости.
Сплавы на основе серебра и окисленной меди (СОМ-10), полученные по особой технологии [1], являются композиционным материалом, и обладают высокой стойкостью к свариванию и электроэрозионному изнашиванию. Применяются в высоконагруженных контактах, как разрывных, так скользящих.
Скользящие контакты должны обладать высокой стойкостью к истирающим нагрузкам, особенно при сухом трении. Не следует использовать один и тот же материал в скользящей контактной паре, так как при этом сильно увеличивается износ.
Наиболее высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов на основе меди (МГ3,МГ5 – соответственно 3 и 5% графита) и серебра (СГ3, СГ5). Медно- и серебрографитовые щетки применяются широко в электрических машинах.
В приборостроении в качестве щеток скользящих контактов применяют проволоку из проводниковых бронз, реже латуней, отличающиеся высокой механической прочностью, износостойкостью, упругостью, антифрикционными свойствами и стойкостью к атмосферной коррозии (например, латуни ЛМц58-2, бронзы БрБ2, БрКд1 и другие). Кадмиевые бронзы по электропроводимости близки к электропроводности меди. Для изготовления коллекторных пластин и колец используют медно-никелевые сплавы, твердую медь, а также медь, легированную серебром.
Сплавы, используемые для соединения металлических деталей при помощи расплавленного дополнительного материала, называется припоями. Они используются при пайке с целью получения электрического или механического соединения. Различают припои двух типов: для низкотемпературной (tпл 400оС) и высотемпературной (tпл > 600оС) пайки. В приборостроении широкое применение находят для пайки металлов высокой проводимости низкотемпературные припои, которые должны иметь небольшое переходное электрическое сопротивление, обеспечивать хорошую смачиваемость поверхности, близкие ТКЛР материала соединяемых деталей и припоя. Этим требованиям отвечают припои на основе олово-свинец (припои ПОС) и олово-цинк (припои ПОЦ). Для пайки меди и ее сплавов применяют припой марок ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 и другие. Цифра показывает процентное содержание олова. Эвтектический сплав ПОС-61 имеет tпл=183оС, хорошую жидкотекучесть и широко применяется для пайки в ПС.
Для снижения температуры пайки припой олово-свинец легируют кадмием. Это припои марок ПОСК (tпл ~ 140…160oС).
Для пайки алюминия и его сплавов применяют сплавы на основе металлов олово-цинк: ПОЦ90, ПОЦ60 и другие, затвердевающие при темпераурах tзатв ~ 199…250oC, и имеющие диаграмму состояния эвтектического типа,
Для пайки изделий, не допускающих нагрева до температуры более 100оС, используют сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием: сплав Вуда (tпл = 60оС), сплав Розе (tпл = 94оС) и другие.
При повышенных требованиях к электропроводности и механической прочности соединения при пайке используют припои, легированные серебром: например, ПСр1,5 (1,5% Ag) – температура плавления и затвердевания зависит от процентного содержания серебра и изменяется от 225 до 305оС.