Реферат: Материалы с высокой проводимостью
Оглавление:
1. Введение 2
2. Медь иеё сплавы 2
3. Алюминийи его сплавы 6
4. Списоклитературы 9
1. Введение.
Материалы с высокой проводимостью. Кматериалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; достаточно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость.
Основнымявляется требование максимальной удельной проводимости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформацииметалла, возникающей при штамповке или волочении, что приводит к разрушению отдельных зерен металла. Влияние деформацийметалла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во время которого уменьшается число дефектов в металле иувеличиваются средние размеры кристалловметалла. В связи с этим проводниковые материалы используют в основном вотожженном (мягком) состоянии.
Наиболеераспространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми врадиоэлектронике, являются цветные металлы(медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще ширеиспользуют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и болеедешевы по сравнению с чистыми металлами.Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать втех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяячерные металлы, чугун и сталь.
Для улучшения свойств цветные сплавыподвергаются термической обработке — отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках.Закалка и старение повышают механические свойства.
2. Медь и ее сплавыМедь. Медьявляется одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Онаобладает следующими свойствами:
малым удельным электрическим сопротивлением(из всех металлов только серебро имеет удельноеэлектрическое сопротивление на несколько процентов меньше,чем у меди);
высокой механической прочностью;
удовлетворительной коррозионной стойкостью(даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);
хорошей паяемостью и свариваемостью;
хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).
Свойства медной проволоки приведены ниже.
Марка ………………………………………………………………………………………………………МТ…………………………………………………ММ
Плотность, D, кг/м3…………………………………………………………………8,96·103……………………………………8,90·103
Удельное электрическое
сопротивление r, мкОм•м, неболее……………………………0,0179… 0,0182 0,0175
Предел прочности при растяжении s ,
МПа, не менее……………………………………………………………………………………360...390 260...280
Относительное удлинение
при разрыве Dl/l,%……………………………………………………………………0,5...2,5 18...35
Медь получают чаще всего в результатепереработки сульфидных руд. Примеси снижают электропроводностьмеди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера,мышьяк. Содержание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивлениемеди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия даютувеличение сопротивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначеннаядля электротехнических целей, обязательно подвергаетсяэлектролитической очистке. Катодные пластины меди, полученныев результате электролиза*, переплавляют в болванкимассой 80…90 кг, которые прокатывают и протягивают,создавая изделия необходимого поперечного сечения.
Для изготовления проволоки болванки сначалаподвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5...7,2мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволокунужных поперечных сечений.
В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медьмарки М1 содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей,в общем количестве которых кислорода должно бы не более 0,08%. Медь марки МО содержит примесей не более 0,05 в томчисле кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему держанию кислорода медь марки МО обладает лучшимимеханическими свойствами, чем медь марки М1. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01% при
/>
*Совокупность процессов электрохимическогоокисления — восстановления, происходящих напогруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.
месей) является вакуумная медь марки МВ,выплавляемая в вакуумных индукционных печах.
При холодной протяжке получают твердую(твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределомпрочности при растяжении, твердостью и упругостью (приизгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).
Твердую медь применяют в тех случаях, когданеобходимо обеспечить высокую механическую прочность,твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин,изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.
После отжига до нескольких сотен градусов(медь рекристаллизуется при температуре примерно 270°С) споследующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ).Мягкая медь имеет проводимость на 3…5% выше, чем у твердоймеди.
Мягкая отожженная медь служитэлектротехническим стандартом, по отношению к которомуудельную электрическую проводимость металлов и сплавоввыражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическаяпроводимость такой меди равна 58 мкСм/м, соответственно r = 0,017241 мкОм-м при значении ТКr = 4,3·10-3К-1.
Мягкая медь широко применяется дляизготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольногосечения в кабелях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет большогозначения.
Из специальных электровакуумных сортов медиизготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств:магнетронов, клистронов, некоторых типов волноводови др.
Медь сравнительно дорогой и дефицитныйматериал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходымеди на электротехнических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с другими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было переплавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводниковыйматериал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.
В ряде случаев, когда от проводниковогоматериала требуется не только высокая проводимость, но иповышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемостьистиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержаниемлегирующих примесей.
Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и другихэлементов, среди которых цинк не является основнымлегирующим элементом, называют бронзами (табл. 3.3).
Таблица 3.3. Основные свойства некоторых проводниковыхбронз
Параметр Кадмиевая Бериллиевая Фосфористая Удельная электропроводность по отношению к электротехническому стандарту, % 95/90 37/30
(10…15)/
(10…15)
Предел прочности при растяжении sр, МПа
До 310/730 (700…790)/ (1620…1750) 400/970 Относительное удлинение при разрыве Dl/l, % 50/4 20/9 50/3Примечание.
1. Составкадмиевой бронзы 0,9% Cd, остальное Cu; бериллиевой — 2,25%
остальное Cu; фосфористой 0,1% Р, 7% Sn, остальное Cu.
2. В числителе данные для отожженной латуни, взнаменателе — для твердотянутой.
При правильно подобранном составе бронзыимеют значительно более высокие механические свойства, чемчистая медь (значения предела прочности бронз могут доходитьдо 800…1200 МПа 1 более). Бронзы обладают малой объемнойусадкой (0,6…0,8 %) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5…2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают избронзы.
Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), послекоторых ставя буквы, обозначающие вид и количестволегирующих добавок. На пример, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллияВе, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5%олова 8п,, 0,15 фосфора Р, остальное медь Cu).
Введение в медь кадмия дает существенноеповышение механической прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости g.
Кадмиевую бронзу МК (0,9% кадмия Сd, остальное Cu) применяют дляконтактных проводов и коллекторных пластин особоответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методахсварки.
Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза,механической прочностью, твердостью и стойкостью кмеханическому износу (предел прочности при растяжении sр до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250˚С.<sup/>Она находит применение при изготовленииответственных токоведущих пружин для электрических приборов,щеткодержателей токоштепсельных и скользящих контактов.
Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15(6,5% олова Sn, 0,1 фосфора Р, остальное медь Cu) отличается низкой электропроводностью. Из нее изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в электроприборах.
Латуни. Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%).
Основные свойства некоторых латуней приведеныниже.
Сплав и егосостав……………………………………………………………………………………Л68(68%Cu, Л59-1 (59%Cu,
32 % Zn) 1%Pb,40%Zn)
Удельнаяпроводимость по отношению
к электротехническому стандарту меди, %………………………………………46/30 30/20
Предел прочности при растяжении sр,Мпа…………………………………380/880 350/450
Относительное удлинение при разрыве Dl/l,%……………………………65/5 25/5
Примечание. В числителе данные дляотожженной латуни, взнаменателе – для твердотянутой.
Латуни прочнее, пластичнее меди, обладаютдостаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют пониженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевлемеди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшомколичестве вводят алюминий, никель, марганец.
Латуни хорошо штампуются и легкоподвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле,экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпачки радиотехнических ламп).
В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л(обозначениелатуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие легирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb, остальноецинк Zn).
2. Алюминий и его сплавы
Алюминий. Алюминий относится к так называемым легким металлам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного -2700 кг/м3).
Алюминий обладает следующими особенностями:
удельное электрическое сопротивление r алюминия (при содержании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше,чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегдавозможна, особенно в радиоэлектронике;
алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;
из-за высоких значений удельной теплоемкости итеплоты плавления алюминия нагревание алюминиевогопровода до расплавления требует больших затрат энергии, чем нагревание ирасплавление такого же количества меди;
Даже при одинаковой стоимости алюминия и медив слитках стоимость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже,однако использование алюминия для изолированных проводов вбольшинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;
алюминий на воздухе активно окисляется ипокрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов;
алюминий менее дефицитен, чем медь;
существенным недостатком алюминия какпроводникового материала является низкая механическаяпрочность, для ее повышения алюминий подвергается механическойобработке;
прокатка, протяжка и отжиг алюминияаналогичны соответствующим операциям для меди;
примеси значительно снижают проводимость алюминия.
Алюминий высокой степени чистоты (примесей неболее 0,001… 0,01%) марок А999 и А995 используютдля изготовления анодной и катодной фольги электролитическихконденсаторов и в микроэлектронике для получения тонкихпленок.
Менее чистый алюминий марок А97 и А95(примесей не более 0,03%) используют для корпусовэлектролитических конденсаторов, статорных ироторных пластин воздушных конденсаторов. Из алюминиевойфольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.
Промышленность выпускает алюминиевуюпроволоку следующих марок: АТП — твердая повышеннойпрочности, АТ — твердая, АПТ — полутвердая, АМ — мягкая.
Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже.
Марка алюминия…………………………………………………………………………………АТ АМ
Плотность D, кг/ м3…………………………………………………………………2600…2700 2600…2700
Удельное электрическое
сопротивление r, мкОм-м, неболее…………………………………0,0295 0,0290
Пределпрочности при растяжении
sр, МПа, не менее…………………………………………………………………………160…170 80
Относительное удлинение
при разрыве Dl/l, % ……………………………………………………………………1,5…2,0 10…18
По мере снижения твердости проволоки в1,9…2,7 раза уменьшается предел ее прочности при растяжении.Максимальное значение предела прочности sp алюминиевого провода болеечем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-занизкой механической прочности правильная эксплуатация алюминиевыхповодов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзяпротаскивать по твердому грунту, скручивать медной проволокой,загрязнять поверхность.
Алюминиевые сплавы. Сплав алъдрей (0,3. ..0, 5% меди Си, 0,4… 0,7% кремния 51,0,2… 0,3% железа Ре, остальное алюминий А1) обладаетследующими свойствами:
повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия, приближаясь к твердотянутой меди sр = 350 МПа);
сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к немупо удельному электрическому сопротивлению (r = 0,0317 мкОм-м);
более высоким пределом вибрационнойпрочности по сравнению с чистым алюминием.
Применяется для изготовления проводовмалонагруженных линий электропередачи.
Магналий (сплавалюминия с магнием) отличается низкой плотностью. Применяетсядля изготовления стрелок различных электрорадиотехническихприборов.
Силумин относится кгруппе литейных сплавов с повышенным содержаниемкремния, меди и марганца. Он обладает хорошей жидкотекучестью,малой усадкой, большой плотностью и повышенной прочностью по сравнению с алюминиеми широко применяется для корпусов воздушных конденсаторов.
Дюраль принадлежит кдеформируемым сплавам алюминия с медью, магнием имарганцем. Медь и магний улучшают механические свойства сплава,а марганец увеличивает твердость и коррозионную стойкость,которая является недостаточной по сравнению с другимикоррозионными сплавами. Для защиты от коррозии его покрывают лаками, красками или слоем алюминия.
В обозначениях дюралей после буквы Д стоятцифры, указывающие на наличие легирующих добавок, например Д1 (3,8% меди Cu, 0,4...0,8% магния Mg, марганца Mn).
Список литературы:
1. Журовлева Л.В., Электроматериаловедение: Учебникдля начального профессионального образования. М.: Изд. Центр «Академия»; ИРПО,2000. –312 с.