Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

.pdf
Скачиваний:
84
Добавлен:
27.08.2020
Размер:
1.81 Mб
Скачать

Электропроводность неотожженного алюминия меньше, чем отожженного. При 20 ° С ρ отожженного алюминия равно 2,6·10- 8 Ом·м и 2,8·10- 8 Ом·м при содержании Al не менее 99,997 % и 99,5 % соответственно. При температуре плавления Тпл = 657 ° С величина ρ возрастает приблизительно на один порядок. Особенности температурной зависимости электропроводности алюминия:

при 20 ° С электропроводность алюминия меньше, чем электропроводность меди, но при Т менее 80 К, наоборот, γAl больше γCu;

алюминий в отличие от меди имеет сверхпроводимость при Тс

меньше 1,2 К (рис. 5.11).

ρ

Рис. 5.11. Температурная зависимость удельного сопротивления алюминия

Зависимость электропроводности алюминия от содержания примесей приведена на рис. 5.12.

γ

100%

1

2

3

4

50%

30%

5

6

Содержание примесей

0,25% 0,5%

Рис. 5.12. Зависимость удельной электропроводности γ алюминия от содержания примесей (% масс.):

1 − Ni; 2 − Fe; 3 −Cu; 4 − Ag; 5 − Ti; 6 −Mn

133

Алюминий на воздухе сразу окисляется и на его поверхности образуется тонкий оксидный слой (Al2O3). Пленка очень плотная и дальнейшее окисление не происходит, т. е. практически, можно считать, что, алюминий устойчив к кислороду. Толщина пленки Al2O3 может быть искусственно увеличена до 30 – 40 мкм. Искусственное увеличение толщины пленки производится методом электролитического анодирования в слабом растворе серной и щавелевой кислоты (Н2С2О4) при 20 ° С и напряжении 10 – 15 В. Этот способ используется для изготовления оксидных конденсаторов.

Алюминий практически не реагирует с водой и серой, но реагирует с серной кислотой.

К достоинствам алюминия относятся:

высокая электропроводность и теплопроводность (218 Вт/(м·К)); высокая стойкость к окислению; низкая плотность, в 3,3 раза меньше, чем у меди (масса медного

провода будет в два раза выше, чем масса алюминиевого при одном и том же сопротивлении, но диаметр алюминиевого провода будет в 1,3 раза больше, чем диаметр медного провода);

легко подвергается анодированию (используется для создания оксидных конденсаторов и цветных покрытий на алюминиевых конструкциях в строительстве);

недефицитность. Недостатки алюминия:

низкая механическая прочность; алюминий нельзя подвергнуть пайке и сварке обычными спосо-

бами (с помощью оловянно-свинцовых припоев); алюминиевые провода требуют большого количества электри-

ческой изоляции, (при одном и том же токе диаметр алюминиевого провода в 1,3 раза больше медного).

Применение алюминия: для монтажных проводов;

для силовых электрических кабелей;

134

для изготовления оксидных конденсаторов; для изготовления CD- и DVD-дисков;

в ЛЭП в композиции со стальным проводом.

Сплавы алюминия. Цель создания сплавов из алюминия это, как и в случае сплавов меди, повышение механической прочности. Сплавы делятся на литейные и деформируемые (способные растягиваться). Ассортимент алюминиевых сплавов достаточно обширный. Поэтому ниже приведены только два наиболее используемых сплава.

Дюралюминий (дюраль). Название сплава произошло от лат. «durus» — твердый. Дюраль состоит из Al, меньше 5 % Cu и меньше 2,5 % Mn. Предел механической прочности на разрыв дюраля составляет 300 МПа, но электропроводность дюраля много меньше, чем алюминия.

Алдрей. Данный сплав состоит из Al, 1 %(Mg + Si) и (0,2 – 0,3) %Fe. Предел механической прочности на разрыв алдрея составляет 350 МПа. Удельное электрическое сопротивление при 20 ° С равно 3,2·10- 8 Ом·м, то есть этот сплав имеет относительно высокую электропроводность при относительно высокой механической прочности.

Применение алюминиевых сплавов: авиастроение; судостроение;

автомобильная промышленность; строительство;

емкости для жидкостей (например, канистры для бензина). Серебро. В таблице Д. И. Менделеева серебро (Ag) находится

под № 47 в Iб группе. Серебро входит в группу «благородных метал- лов», то есть таких металлов, которые характеризуются высокой коррозионной устойчивостью (в первую очередь, к кислороду и воде). Распространенность серебра в Земной коре порядка 10- 5 %. Этот металл встречается в виде самородков, поэтому известен очень давно

135

(например, в 7 веке до н. э. из серебра делали монеты). Кроме самородков, серебро встречается в виде сульфидных соединений (Ag + S).

В настоящее время технология получения серебра из сульфидных материалов основана на обработке минералов цианидами (растворение в водном растворе синильной кислоты) с последующим электролизом. Физические свойства серебра: температура плавления — 961 ° С, плотность — 10,4 г/см3. Серебро — металл серебристого цвета, обладающий высокой отражательной способностью.

Электрические и теплофизические свойства серебра (при 20 ºС): удельное электрическое сопротивление равно 1,6·10- 8 Ом·м; коэффициент теплопроводности равен 453 Вт/(м·К). По электропроводности и теплопроводности серебро занимает первое место среди металлов.

Предел механической прочности серебра на разрыв равен 200 МПа. Брусок серебра можно раскатать до толщины 0,25 мкм.

При температуре плавления 961 ° С удельное электрическое сопротивление равно 15·10-8 Ом·м.

Серебро до 250 ° С не реагирует с кислородом, при бó льшей температуре наблюдается слабое взаимодействие. С водой серебро не реагирует. С серой серебро взаимодействует, образуя сульфид серебра (Ag2S). Также серебро взаимодействует с концентрированными кислотами (серной и азотной).

К достоинствам серебра относятся:

самая высокая электропроводность и теплопроводность; высокая стойкость к окислению и к воде; высокая отражательная способность.

Недостатки серебра:

дефицитность, предопределяющая относительно высокую стоимость;

взаимодействует с серой (на поверхности серебра образуется темный налет — слой Ag2S);

относительно невысокая механическая прочность.

136

Серебро широко используется в электротехнике и радиотехнике, а также и в других областях техники:

электрические контакты, выполненные из сплавов серебра (Ag + Cu и Ag + Cu + Au), в которых медь обеспечивает высокую механическую прочность, а серебро и золото высокую электропроводность и стойкость к воздействию кислорода;

серебряный припой (относится к группе твердых припоев, у которых рабочая температура превышает 500 ° С). Эти пропои содержат серебро, медь и цинк. Существуют, например, следующие марки припоев (ПСр12, ПСр30, ПСр70), где цифрами обозначается процентное содержание серебра;

серебряные пасты для металлизации керамики, слюды, стекол с целью создания металлических электродов, в частности, для изготовления резисторов;

проводники в интегральных схемах; микропровод (диаметром более 0,25 мкм); рефлекторы и зеркала; фотография; медицина; ювелирные изделия.

Золото. В таблице Д. И. Менделеева золото (Au) находится под № 79 в Iб группе.

Распространенность золота в Земной коре порядка 5·10- 7 %. Этот металл встречается в виде самородков в горных породах (прожилки в кварце), а также в океанской и морской воде. В одной тонне морской воды содержится в среднем около 0,02 мг золота. Общее количество золота в океанской и морской воде в виде хлористых и бромистых соединений составляет 27 млн. тонн. Золото попадает в мировой океан, в первую очередь, с помощью рек, размывающих сушу. Например, воды реки Амур выносят в океан примерно 8 тонн золота в год. Однако, добыча золота из морской (океанской) воды в настоящее время является нерентабельной.

137

Первое место по запасам и добыче золота на суше занимает Южная Африка, второе — США, третье — РФ, четвертое — Китай, пятое — Австралия.

В настоящее время технология получения золота из минералов основана на обработке их цианидами с последующим электролизом. Физические свойства золота: температура плавления 1063 ° С, плотность 19,3 г/см3. Золото — металл желтого цвета. Коэффициент теплопроводности при 20 ° С равен 312 Вт/(м·К). Удельное электрическое сопротивление Au при 20 ° С равно 2,0·10- 8 Ом·м. Предел механической прочности равен 140 МПа, твердость — 2,5 балла. У золота са-

мая высокая пластичность

l

меньше 70 %. Из одного грамма золота

 

l

 

(путем раскатки) можно сделать микропровод длиной 2 км или пластину площадью 1 м2.

В РФ выпускается 2 марки золота: «999,9» — более 99,99 % золота и «999» — более 99,9 % золота.

При 20 ° С удельное электрическое сопротивление равно 2·10- 8 Ом·м. При температуре плавления 1063 ° С удельное электрическое сопротивление равно 30·10- 8 Ом·м. У золота при нормальном давлении и макроразмерах сверхпроводимость отсутствует.

Золото не взаимодействует с серой, водой, кислородом и с большинством кислот (серной, соляной, азотной). Растворить золото можно в «царской водке» (3 части HCl + 1 часть HNO3). Золото взаимодействует с газообразным хлором и бромом при 100 – 150 ° С. Золото растворяется в жидкой ртути, образуя золотую амальгаму (Au + 2Hg → AuHg2). В частности, на этом процессе был основан способ, применявшийся в древности для извлечения золота из тканей с золотыми нитями.

К достоинствам золота относятся:

высокая электропроводность и теплопроводность (третье место среди металлов);

высокая коррозионная стойкость;

138

отсутствие взаимодействия с плавиковой кислотой, что важно для интегральных схем

Недостатки золота:

дефицитность (в Земной коре содержится не более 5·10- 7 %); низкая механическая прочность (140 МПа); высокая истираемость.

Применение золота:

90 % золота используется в банковском деле и ювелирных украшениях;

10 % используется в технике.

Применение в области электро- и радиотехники:

электрические контакты для цепей со слабыми токами (реле, размыкатели). Для этих контактов применяют только сплавы золота

(Ag + Cu, Zn + Cu + Au; Ag + 65 %Au и Ag + 75 %Au — наиболее час-

то используемые); проводники в интегральных схемах;

золотые пасты для металлизации керамики, стекла (аналогично с серебром);

высокотемпературные припои (Au + Ag + Pt и Au + Ag + Pd).

5.3.2. Криопроводники

Криопроводники — такие проводники, которые при температуре меньшей, чем 77 К (температура испарения жидкого азота), обнаруживают резкое изменение удельного электрического сопротивления на три – четыре порядка относительно ρ при нормальных условиях, а также демонстрируют слабую зависимость сопротивления от температуры (рис. 5.13).

Криопроводники — термоотожженные проводники с минимальным содержанием примесей. Только при этом можно достичь у проводника высокой электропроводности (табл. 5.4).

139

ρ

Рис. 5.13. Температурная зависимость удельного электрического сопротивления криопроводника

Таблица 5.4

Влияние примесей и отжига на электропроводность алюминия

Материал

Содержание алюминия, %

ρ300К ρ20К

Холоднотянутый

более 99,5 %

40

 

 

 

Термоотожженный

более 99,5 %

60

 

 

 

Термоотожженный

более 99,99 %

700

 

 

 

Термоотожженный

более 99,999 %

2400

 

 

 

Термоотожженный

более 99, 9999 %

более

(лабораторный образец)

6000

 

 

 

 

К криопроводникам относят обычно только два металла: алюминий и бериллий. Температурные зависимости удельного сопротивления для этих проводников представлены на рис. 5.14.

ρ

ρ = 4,0·10-8 Ом·м

ρ = 2,8·10-8 Ом·м

Ве: ρ ≈ 1,0·10-10 Ом·м

Рис. 5.14. Температурные зависимости удельного сопротивления алюминия и бериллия (численные значения ρ для Al и Be, приведенные на рисунке, относятся к температурам 300 К и 4,2 К)

140

Из данных, представленных на рис. 5.14, можно сделать вывод о том, что, если в распоряжении имеется жидкий гелий, то целесообразно применять алюминий. В том случае, если по экономическим причинам используют жидкий азот, то следует применять бериллий, так как при температуре меньше 77,4 К удельное сопротивление бериллия более слабо по сравнению с алюминием зависит от температуры.

Бериллий. В таблице Д. И. Менделеева бериллий (Be) находится под № 4 в II группе. Распространенность бериллия в Земной коре порядка 3·10- 4 %. Этот металл не встречается в виде самородков, только в виде соединений, например, в составе изумруда (Be – Al – Si – Cr – O). Физические свойства бериллия: температура плавления 1284 ° С, плотность 1,83 г/см3 (меньше, чем плотность алюминия). Бериллий — легкий металл серебристого цвета. Порошок бериллия токсичен. Электрические свойства: удельное электрическое сопротивление при 20 ° С равно 4·10- 8 Ом·м. Имеется сверхпроводимость при Тс равной 0,03 К.

Применение бериллия:

в качестве криопроводника;

бериллиевая бронза Cu + ≤ 10 % Be. Из нее делают безыскровые электрические контакты, так как эта бронза пружинит. Изготавливают также инструменты для работы в шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать инструменты из обычной стали;

легирующая добавка, повышающая механическую прочность легких сплавов. Это важно для авиации, ракетостроения.

5.3.3. Классификация проводников различного назначения

Для этой группы материалов важными являются не электрические, а другие физические свойства (теплофизические, механические, радиационные и другие).

Проводники по температуре плавления делятся на три группы: материалы с высокой температурой плавления (больше2500 °С);

141

материалы со средней температурой плавления (более 500 ° С и менее 2500 ° С);

материалы с низкой температурой плавления (меньше 500 ° С).

Проводники различного назначения с высокой температурой

плавления (тугоплавкие металлы)

Свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 5.5.

Изделия из тугоплавких металлов изготавливают с помощью специальных технологий. Это связано с тем, что отсутствуют материалы для тиглей, в которых можно плавить эти металлы. Необходимо, чтобы температура плавления тигля была выше, чем температура плавления металла.

Таблица 5.5

Проводники с высокой температурой плавления (более 2500 °С)

Проводники

Температура

Примечание

плавления, ° С

 

 

 

 

 

Вольфрам (W)

3380

Плотность 19,3 г/см3

Рений (Re)

3180

 

 

 

Осмий (Os)

3050

Плотность 22,6 г/см3

Тантал (Та)

2850

 

 

 

Молибден (Mo)

2620

 

 

 

Ниобий (Nb)

2470

Тс = Тс мах = 9,4 К

 

 

 

Из оксидных материалов самым тугоплавким является оксид тория (Тпл = 3050 ° С). Однако, такой температуры недостаточно, чтобы расплавить, например, W, Re, Os, поскольку прежде чем расплавится металл, произойдет расплавление тигля, в котором находится нагреваемый металл. Поэтому в случае тугоплавких металлов применяют метод порошковой металлургии: порошкообразные частицы металла спекаются при температуре спекания, которая ниже температуры плавления (частицы укрупняются).

Вольфрам. В таблице Д. И. Менделеева вольфрам находится под № 74 в VIб группе. Распространенность вольфрама в Земной коре

142

Соседние файлы в папке Экзамен