Реферат. реферат. Материалы высокой проводимости (медь, алюминий, железо и др.)

• Название: Материалы высокой проводимости (медь, алюминий, железо и др.)
• Анкор: Реферат
• Дата: 28.05.2022
• Размер: 68.5 Kb.
• Имя файла: реферат.doc
• Тип: Документы; #554571

Югорский государственный университет

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

по дисциплине
«Материаловедение и технологии конструкционных материалов»
на тему
«Материалы высокой проводимости (медь, алюминий, железо и др.)»

Выполнил: студент группы ЗЭЭ-141

Иванов Иван Иванович

Проверил: к.т.н., доцент Бубенчиков А.А.

2022

Введение
Из всех известных элементов 80% – это металлы. В Периодической таблице элементов они расположены в левой части. Носителями электрического заряда в металлах являются электроны. Такие материалы называют проводниками первого рода.

По механизму электропроводности в металлах и сплавах различают электронную (Ag, Cu, Au), дырочную (W, Be, Zn) и смешанную (Pb, Al). На проводимость металлов влияют наличие дефектов (дислокации) кристаллической структуры, внутренние напряжения, характер кристаллической структуры (мелко- или крупнокристаллическая). Все металлы, кроме самородных, получают восстановлением соответствующих соединений.

Значения удельного сопротивления ρ в металлах изменяется от 0,0016 (Ag) до ≈ 10 мкОм^.м, т.е. диапазон составляет 3 десятичных порядков.

Удельного сопротивления ρ металлов с ростом температуры увеличивается, температурный коэффициент ТКρ = α положительный. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов кристаллической решётки увеличиваются и тем самым препятствуют перемещению электронов.

ТКρ чистых металлов в твёрдом состоянии приблизительно составляет 1/273 = 0,00367 К^-1. Удельное сопротивление при, любых температурах вычисляется по формуле
ρ_t = ρ₀ (1 + αΔt). (1)
Наименьшее значение ρ имеют чистые металлы. Следует отметить, что чистые металлы обладают и большей пластичностью, чем сплавы. Примеси искажают кристаллическую решётку, делают её напряжённой и тем самым повышают прочность σ и уменьшают удлинение при разрыве ε.

Так, чистая медь имеет предел прочности при растяжении 220 МПа и удлинение 60%, а бериллиевая бронза (≈ 2% Ве) – 1350 МПа и 1,5% соответственно.

При изменении температуры металлы (как и все материалы) изменяют свои линейные размеры в соответствии с типичным уравнением: ℓ_t = ℓ₀ (1 + α₁ Δt). Здесь α₁ – температурный коэффициент линейного расширения ТК_ℓ. Величина ТК_ℓ связана с температурой плавления Т_пл металла – чем выше Т_пл, тем ниже ТК_ℓ. Между ТКR, ТКρ и ТК_ℓ существует простое соотношение
ТКR = ТКρ – ТК_ℓ. (2)
Присутствие примесей повышает ρ металла независимо от ρ примеси. Например, если в медь вводить серебро, имеющее ρ ниже, чем ρ меди, ρ сплава всё равно повышается. Для регулирования ρ в широком диапазоне чаще всего используют сплавы со структурой твёрдых растворов, механических смесей, а также химических соединений – так называемых интерметаллических соединений. Наш соотечественник академик Курнаков сформулировал четыре правила.

1. 
   Если при сплавлении компонентов образуется сплав со структурой механической смеси, то свойства сплава с изменением состава изменяются по прямолинейному закону.
   
2. 
   Если компоненты при сплавлении образуют непрерывный ряд твёрдых растворов, то свойства изменяются по криволинейному закону.
   
3. 
   Если при сплавлении компонентов образуются ограниченные твёрдые растворы, то в той части, где имеет место однофазная область твёрдых растворов, свойства изменяются по криволинейному закону, а в многофазных областях – по прямолинейному.
   
4. 
   Если компоненты смеси образуют химические соединения, то составу химического соединения соответствует максимум или минимум на кривой изменения свойств, а точки излома называют сингулярными точками.
   

1. Термо – ЭДС
При соприкосновении двух металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов W. Причиной появления W являются различные значения работы выхода электрона. В замкнутой цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников при условии, что контакты проводников находятся при разных температурах, возникает электродвижущая сила.

В этом заключается эффект Зеебека. Величина термо-ЭДС U подчиняется уравнению:
U = k/e (T₁ – T₂) ln n_a/n_b, (3)
где k – константа Больцмана, е – заряд электрона, n_a и n_b – концентрация электронов в металле а и b, T₁ – температура горячего спая, T₂ – температура холодного спая. Поскольку k/e. ln n_a/n_b – для каждой пары металлов является величиной постоянной, уравнение принимает вид U = с (T₁ – T₂). Этот эффект используется для измерения температур с помощью термопар, с называется температурным коэффициентом термо-ЭДС термопары.
2. Материалы высокой проводимости
По величине проводимости проводники подразделяются на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. К материалам высокой проводимости относятся серебро Аg, медь Cu и её сплавы – бронзы и латуни, алюминий Аℓ, железо Fe и его сплавы, а также золото Аu, платина Рt, хром Сr и ряд других. Они используются для изготовления проводов и кабелей.

Самой высокой проводимостью обладает серебро: ρ = 0,016 мкОм^.м, ТК_ρ = 3,6^.10^-3, Т_пл = 960 ^оС, плотность 10500 кг/м³, до 200 ^оС устойчиво к окислению. Для предохранения от коррозии серебро покрывают лаком или другим металлом – палладием Рd. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мкм, использующейся при небольших токах. Предел прочности при растяжении σ_р ≈ 200 МПа, удлинение при разрыве ≈ 50%.

Серебро по сравнению с медью и алюминием находит ограниченное применение: в сплавах с медью, никелем или кадмием – для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр – 10; ПСр – 25 и др., в виде пасты для непосредственного нанесения на диэлектрики.

Проводниковая медь. Электролитическая медь красновато-оранжевого цвета, чистотой 99,9 (марка М1) и температурой плавления Т_пл = 1083 ^оС имеет ρ = 0,018 кие диаметром до 0,03 – 0,01 мм, а также тонкие ленты. Медь достаточно устойчива к атмосферным воздействиям, но при температурах выше 800 ^оС происходит интенсивное окисление. В присутствии СО₂ продуктом окисления является основной карбонат меди по составу близкий малахиту. Иногда для борьбы с коррозией медь покрывают серебром.

В зависимости от метода получения проволоки её свойства могут существенно отличаться. При холодной протяжке получают твёрдую (твёрдотянутую) медь (МТ), которая, благодаря влиянию наклёпа имеет высокий предел прочности при растяжении (360 – 390 МПа) и малые относительное удлинение перед разрывом (0,5 – 2,5%), твёрдость и упругость при изгибе. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твёрдость и небольшую прочность (260 – 280 МПа), но большое удлинение при разрыве (18 – 35%) и более высокую удельную проводимость.

Медные электротехнические сплавы – это бронзы и латуни. Бронзы содержат небольшие количества олова Sn, кремния Si, фосфора P, бериллия Be, хрома Cr, магния Mg, кадмия Cd, алюминия А1 и др. Они обладают более высокой прочностью (800 -1350 МПа), но меньшей проводимостью. Марки бронз обозначают буквами Бр., за которыми следуют буквы и цифры, показывающие, какие легирующие добавки и в каком количестве содержатся в данной бронзе. Например, Бр.ОФ6,5–0,15 содержит 6 – 7% олова и 0,15% фосфора.

Введение в медь кадмия значительно повышает механическую прочность и твёрдость при незначительном снижении проводимости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Самую большую прочность имеет бериллиевая бронза (2% Ве) – 1350 МПа, но проводимость по сравнению с медью уменьшается в 5 – 10 раз.

Из проводниковых бронз изготавливают провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.

Латуни – это медные сплавы, содержащие до 45% цинка и малые количества Al, Fe, Mn, Si, Sn, Pb. Прочность латуней увеличивается приблизительно в 2 раза, а удельное сопротивление – на 40%.

Алюминий обладает достаточно высокой проводимостью (ρ = 0,028 мкОм^.м) и стойкостью к коррозии, которая обеспечивается самопроизвольном образованием защитной оксидной плёнки Аℓ₂О₃ с большим электрическим сопротивлением. Плотность алюминия (2700 кг/м³) в 3,5 раза меньше, чем плотность меди, а ρ больше всего в 1,63 раза, поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости на единицу длины использовать алюминий выгоднее, чем медь, – его требуется меньше. Удельное сопротивление алюминия резко возрастает в присутствии примесей Мg, Mn, Fe, прочность при растяжении – 90 – 170 МПа и удлинение при разрыве 0,5 – 25%.

Достоинство алюминия, заключающееся в наличии на поверхности защитного оксидного слоя, является и его недостатком, т. к. создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта, затрудняет пайку обычными методами. С другой стороны этот слой оксида позволяет использовать алюминиевую проволоку без изолирующего лакового покрытия в слаботочных трансформаторах.

К недостаткам алюминия относится также и значительная термо-ЭДС в контакте с медью.

Железо (стали) имеют ρ ≈ 0,1 мкОм^.м, но зато высокую прочность (σ_р = 1200–1500 МПа) и используется для изготовления проводов воздушных линий электропередачи, биметаллической проволоки типа «ядро – оболочка» с медной оболочкой.

Для повышения электростабильности, коррозионной стойкости, снижения термо-ЭДС в радиоэлектронике и микроэлектронике в качестве материалов высокой проводимости используют также золото, платину, хром.
3. Материалы высокого удельного сопротивления
Эта группа проводниковых материалов представляют собой сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением и малым значением температурного коэффициента удельного сопротивления. Все они имеют структуру твёрдых растворов. Материалы этой группы используются как приборные высокоомные проводники, нагревательные сплавы, материалы для термопар.

К приборным высокоомным проводникам относятся манганин, константан и никелин. Манганин содержит: Cu – 84 – 86%, Mn – 12–13%, Ni – 2 – 3%. Цвет манганина светло-оранжевый, плотность 8400 кг/м³, Т_пл = 960 ^оС, ρ = 0,42 – 0,43 мкОм^.м, ТКρ = (2 – 6). 10^-6 К^-1. Максимальная рабочая температура ≈ 300^оС. Недостатком манганина является высокое значение термо-ЭДС с медью ≈ 1,0 мкВ/К. Разработан новый манганин, имеющий термо-ЭДС с медью ≈ 0,1 мкВ/К. Из манганина изготавливают мягкие и твёрдые проволоки диаметром 0,02 – 6 мм, используемые в производстве резисторов и потенциометров высокого класса.

Константан – сплав, содержащий Cu 58 – 60%, Ni 32 – 40% и 1 – 2% Мn. Цвет константана – серебристо-жёлтый плотность 8900 кг/м³, температура плавления Т_пл = 1260 ^оС, ТКЛР = 14^.10^-6 К^-1. Удельное сопротивление ρ ≈ 0,5 мкОм^.м, ТКρ при нормальных температурах = – (5 – 25). 10^-6 К^-1, т.е., имеет отрицательное значение. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: он может длительно работать при 450 ^оС. Недостатком константана является высокая термо-ЭДС в паре с медью и с железом – это может вызывать ошибки измерений в мостовых и потенциометрических схемах. Зато термопары медь – константан (термо – ЭДС = 45 – 55 мкВ/К) широко используются для измерения температур, а сам константан является тензометрическим материалом и применяется для изготовления проволочных тензодатчиков. Действие тензодатчиков основано на изменении сопротивления при деформации тензометрического элемента.

Нагревательные сплавы стойки к окислению при высоких температурах. Это объясняется образованием на их поверхности плотной оксидной плёнки, чаще всего это оксид хрома Cr₂O₃ или закись никеля NiO. Эти оксиды не испаряются при высоких температурах и имеют ТКЛР близкие к ТКЛР сплава, поэтому не растрескиваются при нагревании.

Нагревостойкие материалы обычно представляют собой сплавы хрома и никеля, называемые нихромами (Х15Н60, Х20Н80), хрома и алюминия, называемые хромалями (Х23Ю5Т), железа и хрома, называемые фехралями (Х13Ю4)

Нихром имеет ρ ≈ 1 мкОм^.м, ТК_ρ ≈ 10^-4 К^-1 и максимальную рабочую температуру ≈ 1000 ^оС, хромали имеют более высокое ρ ≈ 1,3 мкОм^.м и более высокую рабочую температуру – до 1400 ^оС. Фехрали дешевле нихромов, но имеют более низкую рабочую температуру = 750 – 1000^оС.
4. Сплавы для термопар
Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

копель (56% Cu + 44% Ni), ρ = 0,46 мкОм^.м; алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg); хромель (90% Ni и 10% Cr), ρ = 0,66 мкОм^.м; платинородий (90% Рt и 10% Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

медь – константан и медь-копель – до 350 ^оС;

хромель-копель, железо-копель, железо-константан – до 600 ^оС;

хромель-алюмель – до 900 – 1000 ^оС;

платинородий-платина – до 1600 ^оС.

Самая высокая термо-ЭДС у термопары хромель-копель (ХК), самая низкая – у термопары платинородий-платина.
5. Контактные материалы
Надёжность электрических контактов – основная забота специалистов, работающих в области электротехники, и главным образом, – из-за их ненадёжности. Причина частых отказов электрических контактов лежит в поверхностных свойствах контактов.

При соприкосновении двух металлов возникает электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта. Это связано с тем, что никакую металлическую поверхность нельзя выполнить совершенно гладкой.

Поэтому кажущаяся площадь контакта не соответствует фактической площади, которая существенно меньше – ведь соприкасаться друг с другом могут только самые большие выступы. Следовательно, ток может протекать только через малые участки фактического контакта. Размеры этих площадок нельзя определить, так как они случайны и, кроме того, зависят от существенно изменить усилия, с которым сжимаются контакты – чем больше усилие, тем больше размеры площадок фактического контакта. Химическое изменение поверхности контактов могут значительно увеличить переходное электрическое сопротивление.

В зависимости от назначения контакты подразделяются на слабо-, средне- и сильнонагруженные, постоянные, скользящие и разрывные. Для работы в контактах выбирают материалы, соответствующие режиму работы. Как правило, материалы контактной пары различаются.

К контактным материалам предъявляются следующие требования: коррозионная стойкость, малое значение эрозии, износостойкость, отсутствие свариваемости, дугостойкость, высокая твёрдость, большой коэффициент теплопроводности, высокая удельная электрическая проводимость.

Обычно используют металлы и сплавы с высокой температурой плавления – Pt, Pd, Ag, Au, Cu и её сплавы, например, бронзы, сплавы типа Cu – Cr, Cu – Ag – Cd, Ag – Cu, Ag – Pd, Au – Ni, Au – Ag – Pt, Pt – Ni, Pt – W, Pt – Ir, Pt – Rh и другие, металлокерамические композиции. Неправильный выбор контактных материалов приводит с течением времени к изменению величины контактного сопротивления и контактной ёмкости.

Для разрывных контактов, работающих для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, кроме тугоплавких металлов и сплавов используют материал системы Ag – CdO при содержании оксида кадмия 12 – 20%.

Для скользящих контактов применяют холоднотянутую (твёрдую) медь, бериллиевую бронзу, а также материалы системы Ag – CdO, медь – графит (3–5-%), графит, пропитанный легкоплавкими металлами (Pb, Sn) или воскообразными веществами.
6. Припои
Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайку проводят с целью создания механически прочного шва или с целью получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением.

Припой расплавляется, смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми металлами. Припой диффундирует в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Припои подразделяются на мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 400 ^оС, к твёрдым – с Т_пл выше 500 ^оС.

Мягкие припои – в основном оловянно-свинцовые (ПОС) с содержанием олова от 18 до 90%. Они используются для пайки меди и её сплавов, серебра, оцинкованного железа.

Твёрдые припои – медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр). Они используются для пайки меди и её сплавов, а также (ПСр) серебра, платины, вольфрама, стали.

Список литературы
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: учебник, 5-е изд. - СПб.: Лань, 2003. – 368 с.

2. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение: учебник для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 648 с.

3. Справочник по электротехническим материалам. Т.1 // Под ред. Ю.В. Корецкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Киреева. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 307с.

4. Справочник по электротехническим материалам. Т.2 // Под ред. Ю.В. Корецкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Киреева. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 464с.

5. Справочник по электротехническим материалам. Т.3 // Под ред. Ю.В. Корецкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Киреева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 728с.

6. Потапов М.А. Электротехнические материалы. Проводниковые материалы. Диэлектрики: Учебное пособие/ МАДИ. – М., 1989. – 81 с.

7. Потапов М.А. Электротехнические материалы. Полупроводниковые и магнитные материалы: учебное пособие / МАДИ. – М., 1993. -92 с.