Реферат: Материалы с высокой проводимостью
Реферат: Материалы с высокой проводимостью
Оглавление:
1.
Введение 2
2.
Медь и
её сплавы 2
3.
Алюминий
и его сплавы 6
4.
Список
литературы 9
1. Введение.
Материалы с высокой проводимостью. К
материалам 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.
Основным
является требование максимальной удельной проводимости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации
металла, возникающей при штамповке или волочении, что приводит к разрушению отдельных зерен металла. Влияние деформаций
металла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во время которого уменьшается число дефектов в металле и
увеличиваются средние размеры кристаллов
металла. В связи с этим проводниковые материалы используют в основном в
отожженном (мягком) состоянии.
Наиболее
распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в
радиоэлектронике, являются цветные металлы
(медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире
используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более
дешевы по сравнению с чистыми металлами.
Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать в
тех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяя
черные металлы, чугун и сталь.
Для улучшения свойств цветные сплавы
подвергаются 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 сплавы
Медь. Медь
является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она
обладает следующими свойствами:
малым удельным электрическим сопротивлением
(из всех металлов только серебро имеет удельное
электрическое 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, не
более……………………………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 результате
переработки сульфидных руд. Примеси снижают электропроводность
меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера,
мышьяк. Содержание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление
меди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают
увеличение сопротивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначенная
для электротехнических целей, обязательно подвергается
электролитической очистке. Катодные пластины меди, полученные
в результате электролиза*, переплавляют в болванки
массой 80…90 кг, которые прокатывают и протягивают,
создавая изделия необходимого поперечного сечения.
Для изготовления проволоки болванки сначала
подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5...7,2
мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку
нужных поперечных сечений.
В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медь
марки 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 том
числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими
механическими свойствами, чем медь марки М1. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01% при
*Совокупность процессов электрохимического
окисления - восстановления, происходящих на
погруженных 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 пределом
прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при
изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).
Твердую медь применяют в тех случаях, когда
необходимо 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) с
последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ).
Мягкая медь имеет проводимость на 3…5% выше, чем у твердой
меди.
Мягкая отожженная медь служит
электротехническим стандартом, по отношению к которому
удельную электрическую проводимость металлов и сплавов
выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая
проводимость такой меди равна 58 мкСм/м, соответственно r = 0,017241 мкОм-м при значении ТКr = 4,3·10-3К-1.
Мягкая медь широко применяется для
изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного
сечения в кабелях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет большого
значения.
Из специальных электровакуумных сортов меди
изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств:
магнетронов, клистронов, некоторых типов волноводов
и др.
Медь сравнительно дорогой и дефицитный
материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы
меди 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 проводниковый
материал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.
В ряде случаев, когда от проводникового
материала требуется не только высокая проводимость, но и
повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость
истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием
легирующих примесей.
Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других
элементов, среди которых цинк не является основным
легирующим элементом, называют бронзами (табл. 3.3).
Таблица 3.3. Основные свойства некоторых проводниковых
бронз
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 |
50/3 |
Примечание.
1. Состав
кадмиевой 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, в
знаменателе - для твердотянутой.
При правильно подобранном составе бронзы
имеют значительно более высокие механические свойства, чем
чистая медь (значения предела прочности бронз могут доходить
до 800…1200 МПа 1 более). Бронзы обладают малой объемной
усадкой (0,6…0,8 %) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5…2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из
бронзы.
Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после
которых ставя буквы, обозначающие вид и количество
легирующих добавок. На пример, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллия
Ве, 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 существенное
повышение механической прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости g.
Кадмиевую бронзу МК (0,9% кадмия Сd, остальное Cu) применяют для
контактных проводов и коллекторных пластин особо
ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах
сварки.
Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза,
механической прочностью, твердостью и стойкостью к
механическому износу (предел прочности при растяжении sр до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250˚С.
Она находит применение при изготовлении
ответственных 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 приведены
ниже.
Сплав и его
состав……………………………………………………………………………………Л68(68%Cu, Л59-1 (59%Cu,
32 % Zn) 1%Pb,40%Zn)
Удельная
проводимость 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 для
отожженной латуни, в знаменателе – для твердотянутой.
Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают
достаточно 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 дешевле
меди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом
количестве вводят алюминий, никель, марганец.
Латуни хорошо штампуются и легко
подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле,
экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпачки радиотехнических ламп).
В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л
(обозначение
латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие легирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1 % свинца Pb, остальное
цинк 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 всегда
возможна, особенно в радиоэлектронике;
алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;
из-за высоких значений удельной теплоемкости и
теплоты плавления алюминия нагревание алюминиевого
провода до расплавления требует больших затрат энергии, чем нагревание и
расплавление такого же количества меди;
Даже при одинаковой стоимости алюминия и меди
в слитках стоимость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже,
однако использование алюминия для изолированных проводов в
большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;
алюминий на воздухе активно окисляется и
покрывается 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 как
проводникового материала является низкая механическая
прочность, для ее повышения алюминий подвергается механической
обработке;
прокатка, протяжка и отжиг алюминия
аналогичны соответствующим операциям для меди;
примеси значительно снижают проводимость алюминия.
Алюминий высокой степени чистоты (примесей не
более 0,001... 0,01%) марок А999 и А995 используют
для изготовления анодной и катодной фольги электролитических
конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких
пленок.
Менее чистый алюминий марок А97 и А95
(примесей не более 0,03%) используют для корпусов
электролитических конденсаторов, статорных и
роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алюминиевой
фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.
Промышленность выпускает алюминиевую
проволоку следующих марок: АТП - твердая повышенной
прочности, 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, не
более…………………………………0,0295 0,0290
Предел
прочности 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 в
1,9…2,7 раза уменьшается предел ее прочности при растяжении.
Максимальное значение предела прочности sp алюминиевого провода более
чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-за
низкой механической прочности правильная эксплуатация алюминиевых
поводов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзя
протаскивать 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) обладает
следующими свойствами:
повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия, приближаясь к твердотянутой меди sр = 350 МПа);
сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему
по удельному электрическому сопротивлению (r = 0,0317 мкОм-м);
более высоким пределом вибрационной
прочности по сравнению с чистым алюминием.
Применяется для изготовления проводов
малонагруженных линий электропередачи.
Магналий (сплав
алюминия с магнием) отличается низкой плотностью. Применяется
для изготовления стрелок различных электрорадиотехнических
приборов.
Силумин относится к
группе литейных сплавов с повышенным содержанием
кремния, меди и марганца. Он обладает хорошей жидкотекучестью,
малой усадкой, большой плотностью и повышенной прочностью по сравнению с алюминием
и широко применяется для корпусов воздушных конденсаторов.
Дюраль принадлежит к
деформируемым сплавам алюминия с медью, магнием и
марганцем. Медь и магний улучшают механические свойства сплава,
а марганец увеличивает твердость и коррозионную стойкость,
которая является недостаточной по сравнению с другими
коррозионными сплавами. Для защиты от коррозии его покрывают лаками, красками или слоем алюминия.
В обозначениях дюралей после буквы Д стоят
цифры, 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: Учебник
для начального профессионального образования. М.: Изд. Центр «Академия»; ИРПО,
2000. –312 с.