37

Для нанесения электродов керамических конденсаторов, для изготовления проводников толстопленочных микросхем широко используют

проводящие	пасты.	Пасты	наносятся методом вжигания. Наибольшее
применение	нашли	пасты	для серебрения керамики. Серебряная паста

содержит углекислое серебро или окись серебра, которые при температурах выше 500 °С разлагаются:

2Ag2CО3 ® 4Ag + 2CO2 + O2.

При этом углекислый газ и кислород улетучиваются, а на поверхности керамики остается чистое серебро. Для улучшения сцепления серебра с керамикой в состав пасты вводят различные добавки. Температура вжигания пасты около 825°С. Толщина слоя металла после2 - 3 вжиганий составляет около 10 мкм. Аналогичны состав и способ вжигания паст на основе других благородных металлов — золота, платины, палладия и их сплавов, которые

более стойки к окислению, но более дороги. Специальные					пасты для
гибридных	интегральных	схем	при получении типовой		толщины слоя
порядка 10	¾ 20 мкм	имеют	значения	удельного	поверхностного

сопротивления r ~0,05¸0,1 Ом/ .

Платина - металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к самым разнообразным химическим реагентам. Платина хорошо поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Платину применяют, в частности, при изготовлении термопар для измерения высоких температур— до 1600 °С (в паре со сплавом платинородий), а также при изготовлении пасты, используемой для вжигания электродов на монолитные керамические конденсаторы.

Вследствие малой твердости платина редко применяется для контактов в чистом виде, но служит основой для ряда контактных сплавов. Сплавы платины с иридием стойки к окислению и к , износуимеют высокую твердость и допускают большое количество включений, однако дороги и применяются только для особо ответственных деталей.

2.7.2 Контактные материалы

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в электротехнике, являются контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания электрических цепей (разрывные, а также скользящие контакты). Материалы, используемые для изготовления таких контактов, называются контактными материалами.

Особо жесткие требования предъявляются к материалам, используемым в контактах, применяемых для коммутации цепей при больших значениях силы тока и напряжения. Основные из них следующие: 1-¾ высокая

38

электропроводность, 2 -¾ стойкость к эрозии и коррозии поверхности, 3 -¾

несклонность к иглообразованию и свариванию, 4 -¾

механическая

прочность и твердость (износостойкость). Требования 2 и 3 особо важны при

разрыве

контакта,

когда

возникает

электрическая

дуга

наибольшей

плотности.

В качестве контактных материаловдля разрывных контактов помимо

чистых

тугоплавких

металлов

применяют

различные

сплавы

металлокерамические

композиции.

Для разрывных контактов

в

установках

большой мощности применяют композиции из высокопроводящих(Cu , Ag

Au)

и тугоплавких

и

металлов(Со, Ni,

Мо, W, Та).

В

вакуумных

выключателях часто используют композициюCu – Cr. Хром предотвращает

приваривание контактов.

В качестве материаловдля скользящих контактов, которые должны

обладать высокой стойкостью к истиранию, используют

твердую медь,

бериллиевую бронзу (см. пункт 2.7.1), материалы системы Ag — CdO (при

содержании окиси кадмия 12—20% по массе).

В электрических машинах коллекторах для образования скользящего

контакта между неподвижной и вращающейся частями, то есть для подвода

(или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам, наиболее широко

используются графитовые щетки. Различные марки щеток отличаются по

составу и технологии изготовления, по значению удельного сопротивления,

по

допустимой

плотности

, токалинейной

скорости

на

коллекторе,

коэффициенту трения, твердости щетки и .тд. Различают

щетки угольно-

графитные, графитные, медно-графитные

с

содержанием

металлической

меди. Щетки с содержанием порошкового металла обладают особенно малым

электрическим сопротивлением и дают незначительное контактное падение

напряжения (между щеткой и коллектором).

2.7.3 Сплавы на основе железа для электронагревателей

Сплавы

высокого

сопротивления

на

основе

железа

применяют в

основном		для	электронагревательных				элементов	открытого		т
(контактирующих с атмосферой). Высокая нагревостойкость таких элементов
объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов,
образующих		при нагреве		на воздухе		практически сплошную оксидную
пленку. Такими металлами являются никель, хром, алюминий. Железо без
примесей при нагреве легко окисляется, поэтому, чем больше содержание
железа в сплаве, тем менее нагревостоек этот сплав.
Сплавы		системы Fe—Ni—Cr называют				нихромами; сплавы		системы
Fe—Cr—А1 — фехралями и хромалями.
По	принятым		стандартам		различные		сплавы	имеют	условн
обозначения,		составляемые		из букв и	чисел. Буквы обозначают			наиболее

39

			2	соответствуют прибли-
характерные элементы состава сплава. Числа
зительному	содержанию	данного	компонента	в	сплаве( массовых
процентах). Так обозначение Х15Н60			соответствует	сплаву	с содержанием
хрома около 15% и никеля — около 60%.

Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах (ТЭНах) проволока из сплава с высоким сопротивлением помещается в трубку из стойкого к окислению металла; промежуток между

проволокой и трубкой заполняют порошком диэлектрика с высокой

теплопроводностью (например, магнезией MgО). При						дополнительной
протяжке	этих	трубок	их	внешний	диаметр	уменьшается, магнезия
уплотняется	и	образует	механически		прочную	изоляцию внутреннего

проводника.

Хромали намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и доступны. Однако они менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты с поперечным сечением крупнее, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используют в электротермии для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей.

2.7.4Материалы для термопар

Взамкнутом контуре, образованном двумя различными металлическими проводниками 1 и 2 может возникать термоэлектродвижущая сила ET, если температуры спаев Т2 и Т1 различны (рисунок 2.9, а):

ET=a (Т2 - Т1)

(2.19)

где a=(k/q)×ln(n1/n2) - коэффициент термоЭДС, величина, характеризующая свойства контакта двух металлов; k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона; n1, n2 - концентрация электронов в соответствующих проводниках.

При определении температуры часто измеряют не ток в цепи с двумя спаями, а непосредственно значение термоЭДС, помещая спай проводников в зону измерения, а свободные концы с подключенным к милливольтметром - в зону с известной(эталонной) температурой (рисунок

2.9, б).

mA	1	T2
		mV

2	T1		T2
	Буква, обозначающая элемент, не всегда является первой буквой его названия (примеры исключений: Б
		2		T1

означает ниобий, Г — марганец, Д — медь, Л — бериллий, Ю — алюминий и др.)

40

	а.)			Рисунок 2.9			б.)
Выбранная		пара	материалов		должна		обладать		максимальным
значениями термоЭДС,			максимальной линейностью характеристики ET(DT)
и стабильностью свойств в данном диапазоне температур.
Для измерения высоких температур выше комнатных рекомендуются
следующие термопары:			платинородий—платина — до 1600°С; хромель—
алюмель —	до	900—1000 °С;		железо—константан,			железо—копель			и
хромель—копель — до			600 °С. Для измерения			низких		температур часто
используется	пара	медь—константан (от -200 до 350 °С). Для криогенных
температур можно использовать термопару железо—золото.
Наибольшую		термоЭДС		при	данной	разности		температур		можно

получить от термопары хромель—копель. Ее чувствительность составляет в среднем 0.07¾0.08 мВ/К.

2.7.5Сверхпроводники

Вподразделе 2.3 были приведены примеры металлов, у которых при

низких	температурах			сопротивление		резко	падает	до	очень,	мало
практически		не	измеряемой		величины. Эти		металлы		называются
сверхпроводниками, а само явление исчезновения сопротивления называется
сверхпроводимостью. Критическая температура охлаждения, при которой
совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, называется
температурой сверхпроводникового перехода Тсв.
Сверхпроводимостью могут обладать не только простые металлы, но и
различные сплавы и химические соединения. Причем компоненты таких
сплавов и		соединений		в отдельности
могут	не	обладать	сверхпроводящими
свойствами. Например, соединение CuS
— сверхпроводник с Тсв = 1,6 К, хотя ни
медь,	ни	сера		не
сверхпроводниками.
Электрический			ток, однажды		на-
веденный в сверхпроводящем контуре,
будет	длительно (годами) цирку-
лировать по этому контуру без замет-
ного	уменьшения		своей	силы	и

Рисунок 2.10 - Диаграммы состояния сверхпроводниковых металлов

41

всякого подвода энергии извне(если не учитывать неизбежного расхода энергии для работы охлаждающего устройства). Такой контур представляет

собой	простейший	пример	сверхпроводникового	электромаг, неита
требующего питания		током. Сверхпроводимость нарушается		не только при

повышении температуры свыше температуры переходаТсв, но также и при воздействии магнитного поля со значением индукции выше некоторого критического значения Вкр. Поскольку это поле может быть создано за счет

тока в самом сверхпроводнике , тонесмотря на нулевое									сопротивление,
создать сколь угодно сильные токи в сверхпроводящих электромагнитах не
удается. Каждому значению температуры данного материала, находящегося в
сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значениеBкр. На рисунке
2.12	области, ограниченные			кривой		и осями"В"	и	"Т"	представляют
сверхпроводящее состояние, а наружные области— нормальное состояние
материала.
Материалы,		находящиеся		в	сверхпроводящем			состоянии, обладают
нулевой магнитной проницаемостью, то есть, как магнетики, они являются
идеальными диамагнетиками (см. также						подраздел 8.1).		Это	означает,	что
внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее ;телоесли же
переход тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то
поле "выталкивается" из			сверхпроводника, или "выталкивает" из себя							сам
материал.
Для производства мощных электромагнитов и других практических -це
лей используются в основном твердые сверхпроводники. Они представляют
собой	сплавы	или	химические			соединения	и	обладают		сравнительно
высокими значениями Тсв			и Вкр. В		отличие от мягких			сверхпроводников

(чистые металлы), они обладают относительно плавным переходом в

сверхпроводящее состояние и обратно при изменении				температуры и
магнитной	индукции.	Примерами	практически	используемых

сверхпроводников являются ниобий и его сплавы, такие как Nb—Ti, Nb—Zr, Nb—Sn и другие. Помимо электромагнитов сверхпроводники используются для создания мощных, но малогабаритных электрических машин, трансформаторов и других устройств с высоким к.п.д.; кабельных линий для передачи больших мощностей; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии; сверхчувствительных датчиков магнитного поля;

устройств управления и памяти особых электронных приборов, являющихся
элементами криоэлектроники.
Главной проблемой в использовании так называемыхклассических
сверхпроводников,		рассмотренных	выше, является	необходимость			их
охлаждения до температуры сжижения гелия(4,2 К), что сложно и дорого.
Лишь некоторые сверхпроводники из этой группы					имеют температуру
перехода	выше	температуры	сжижения водорода(20,3		К),	например,
германид	ниобия Nb3Ge (Тсв = 23,2 К). Некоторые оксидные					керамики(в
частности,	четырехкомпонентная		керамика Y-Ba-Cu-O		определенного