Металлы высокой проводимости

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет

имени М.К. Аммосова»

Физико-технический институт

Электроэнергетика и электротехника. Электроснабжение

Реферат

На тему «Металлы высокой проводимости»

По дисциплине: «Электрическое и конструктивное материаловедение»

Выполнил: студент II курса

Пермяков Николай Иванович

Проверил: К.т.н. Кузьмин С.А.

Якутск, 2020

Содержание

Введение

Медь и сплавы на ее основе (бронзы, латуни)

Алюминий

Железо

Благородные металлы

Введение

Наибольшей проводимостью обладают металлы, валентная зона которых заполнена не полностью, а именно с одним электроном на внешней орбите. Для них требуется минимальное возбуждение (внешнее электрическое поле), необходимое для перемещения электронов на более высокие подуровни, т.е. для возникновения электрического тока. Наиболее высокой проводимостью обладают серебро (Ag), золото (Au), медь (Cu), алюминий (Al).

Металлы и сплавы высокой проводимости должны удовлетворять ряду эксплуатационных и технологических требований.

Основная эксплуатационная характеристика - удельное электросопротивление, его значения должны быть малыми (с < 0,1 мкOм*м); кроме того, эти материалы должны иметь достаточно высокие прочность и коррозионную стойкость.

Наиболее важное технологическое свойство - пластичность, так как путем пластической деформации из этих металлов и сплавов изготовляют провода. Материалы должны также хорошо паяться и свариваться.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют медь и сплавы на ее основе (бронзы, латуни), алюминий, которые и являются основными проводниковыми материалами.

Медь и сплавы на ее основе (бронзы, латуни)

Медь - один из лучших и наиболее применяемых проводников (р = 0,017...0,018 мкОмм; меньшие значения р только у серебра - 0,016 мкОмм). Примеси сильно снижают электропроводность меди, поэтому их содержание ограничивают до 0,05% (марка М0) и до 6,1% (марка M1).

Медные проволока и лента поставляются в отожженном состоянии - марка MM (мягкая медь) или после холодной пластической деформации (наклепа) - марка MT (твердая медь).

Мягкую медь MM применяют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, токопроводящих шин, кабелей, где важна гибкость и пластичность (ув = 200... ...300 МПа, д = 40...50%).

Твердую медь MT используют, когда необходимо обеспечить высокую твердость и сопротивление истиранию, более высокую механическую прочность (ув = 350...480 МПа, д = 0,5...0,4%). Из нее изготавливают провода для воздушных линий, коллекторные пластины электрических машин и др.

Основные недостатки меди - относительно невысокая механическая прочность, невозможность использования при нагреве свыше 100...200 °С из-за снижения твердости и прочности, а также высокая стоимость. Поэтому для изготовления более прочных проводников и токопроводящих деталей (иногда работающих при нагреве свыше 100...200 °С) применяют сплавы на основе меди: бронзы и латуни (см. 8.1).

В качестве проводниковых материалов используют оловянные, бериллиевые, кадмиевые бронзы (сплавы меди с названными компонентами). Бронзы уступают меди в электропроводности, но значительно (в несколько раз), превосходят ее по пределам прочности и упругости, имеют более высокую коррозионную стойкость. Они более технологичны: хорошо обрабатываются резанием и давлением, хорошо паяются, литейные бронзы обладают хорошими литейными свойствами.

Некоторые бронзы можно упрочнить за счет термической обработки (бериллиевые), их используют для изготовления токопроводящих упругих деталей (например, пружин) электрических приборов.

Наибольшей электропроводностью (~ 90% от проводимости меди) обладает кадмиевая бронза БрКд1, содержащая 0,9...1,2% Cd. Предел прочности бронзы - 600...700 МПа, что в 2...2,5 раза выше, чем у меди, рабочая температура 200...250 °С.

Бронза этой марки применяется для изготовления контактных проводов (линии электрического транспорта) и коллекторных пластин электрических машин. металл проводимость алюминий медь

Более высокой прочностью обладают оловянные бронзы с добавками фосфора - Бр.ОФ6,5-0,15 (ув = 800...1100 МПа (после наклепа)) и бериллиевые бронзы - Бр.Б2 (ув = 1150... ...1400 МПа) и др. Из этих бронз изготавливают пружины и другие контактные элементы. Однако их электропроводность невысока - 10...15% от электропроводности меди.

Электропроводность латуней (сплавы на основе меди, в которых основной легирующий компонент - цинк) ниже, чем у меди (25...50% от электропроводности меди). Но вследствие высоких технологических свойств (особенно пластичности), достаточно высокой прочности (ув до 700 МПа) и коррозионной стойкости латуни достаточно широко используются для изготовления различных токопроводящих деталей в электротехнике и приборостроении.

Алюминий

Алюминий - по применимости второй (после меди) проводниковый материал. Он обладает высокой электропроводностью (60% от электропроводности меди) и малой плотностью (2,7 г/см3), алюминий легче меди почти в 3,5 раза (ее плотность - 8,94 г/см3). Замена меди на алюминий позволяет примерно в два раза снизить вес при той же передаваемой мощности электроэнергии. Это определило его широкое применение для изготовления проводов электропередач воздушных линий. Кроме того, алюминий используют для изготовления кабелей, обмоток трансформаторов и электрических машин, электромагнитов. Из алюминия изготавливают провода диаметром от 0,06 до 8 мм, фольгу толщиной 0,006...0,15 мм, а также шины толщиной 3...12 мм.

К недостаткам алюминия следует отнести пониженные (по сравнению с медью) прочностные свойства: ув = 70...100 МПа - в мягком отожженном состоянии (марка AM) и ув = 150... 170 МПа - в твердом состоянии после деформации (марка АТ).

Алюминий из-за наличия на поверхности оксидной пленки А12O3 плохо паяется, имеет высокое электрическое сопротивление в недостаточно зачищенных местах соединений (большое переходное сопротивление), а также подвержен электролитической коррозии.

В микроэлектронике алюминий применяют для формирования токоведущих дорожек, контактных площадок, а в окисленном виде - для изоляции.

Железо

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление r (около 0,1 мкОм-м); значение r стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

При переменном токе в стали, как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис.

В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10-0,15%, имеющая предел прочности при растяжении s_р = 700-750 МПа, относительное удлинение перед разрывом Dl/l = 5-8% и удельную проводимость g, в 6-7 раз меньшую по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей.

В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Для сердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока, имеющая а_р = 1200-1500 МПа и Dl/l = 4-5%.

Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала.

Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерывность слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки откладывается медь в виде красных пятен, заметных на общем сероватом фоне оцинкованной поверхности провода.

Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химическим неактивным газом, можно применять в бареттерах, т.е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку, для поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.

Биметалл. В некоторых случаях для уменьшения расходов цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический. Холодный способ обеспечивает равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Рисунок 4 - Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависимости от энергии квантов излучения

Биметалл имеет механические и электрические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше.

Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой -- медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии.

Биметаллическая проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм содержанием меди не менее 50% полной массы проволоки. Значение Стр (из расчета на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550-700 МПа, а Dl/l не более 2%.

Сопротивление 1 км биметаллической проволоки постоянному току (при 20°С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т.п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Благородные металлы

Группу благородных металлов (серебро, платина, палладий, золото) составляют металлы, обладающие наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды и действию агрессивных сред (кислот, щелочей).

Основные свойства благородных металлов приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные свойства благородных металлов

Серебро Ag - белый блестящий металл со следующими свойствами:

· самый электропроводный металл (удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре r= 0,016 мкОмЧм);

· имеет высокие механические свойства (предел прочности при растяжении = 200 МПа, относительное удлинение при разрыве примерно 50%), что позволяет промышленно изготавливать проводники различного диаметра, включая микропровода диаметром 20 мкм и менее;

· при напылении образует прочные покрытия на диэлектриках;

· при повышенных температурах и влажности атомы серебра мигрируют по поверхности и внутрь диэлектрика, вызывая нарушение работы устройства;

· химическая стойкость ниже, чем у других благородных металлов;

· образует окислы с высокой электропроводностью;

· образует пленки сернистых соединений с повышенным удельным сопротивлением, что требует защиты серебряных покрытий лаками или тонким слоем более стойкого металла, например палладия;

· остродефицитный материал.

Серебро используют в производстве конденсаторов в чистом виде и сплавах как материал для слаботочных контактов, в виде гальванических покрытий в ответственных ВЧ и СВЧ устройствах и тонких токопроводящих пленок в печатных платах, в монтажных проводах. Оно входит в состав тугоплавких серебряных припоев.

Платина Pt - светло-серый металл со следующими свойствами:

· не соединяется с кислородом;

· наиболее химически стойкий (устойчив к большинству кислот);

· имеет высокую пластичность (предел прочности при растяжении после отжига примерно 150 МПа, относительное удлинение при разрыве 30..32%);

· легко поддается механической обработке;

· образует спаи с легкоплавкими стеклами благодаря близости коэффициентов линейного расширения;

· редко применяется по причине высокой стоимости.

Платину используют как материал для сеток в мощных генераторных лампах, при изготовления термопар в паре с платинородием для измерения высоких температур (до 1600°С), для особо тонких нитей (диаметром примерно 1 мкм) в подвижных системах электрометров. Платина входит в состав проводящих паст, вжигая которые на монолитные керамические конденсаторы, получают электроды.

Палладий Pd - белый пластичный металл, по многим свойствам близкий к платине, в ряде случаев служит его заменителем. В отожженном состоянии имеет предел прочности на растяжение = 200 МПа при относительном растяжении на разрыв до 40%.

Получают электроды на керамических конденсаторах вжиганием палладиевой пасты наряду с платиновой. Палладий и его сплавы с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов. Благодаря высокой проницаемости для водорода его применяют в электровакуумной технике для очистки водорода.

Золото Аu - металл желтого цвета со следующими свойствами:

· имеет высокую пластичность (относительное удлинение при разрыве 40%), что позволяет получать фольгу толщиной 0,08 мкм и менее (это в 250 раз тоньше человеческого волоса);

· коррозионную стойкость к образованию сернистых пленок при комнатной температуре и при нагревании;

· химическую стойкость.

Золото в чистом виде и в виде сплавов с платиной, серебром, никелем, цирконием, имеющими повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость, применяют для изготовления прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фотоэлементов, для вакуумного напыления тонких пленок полупроводниковых и гибридно-пленочных интегральных схем, золочения контактных поверхностей электронных ламп СВЧ, корпусов микросхем.

Размещено на Allbest.ru