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