Исследование физических свойств материалов. Часть 3. Электрические свойства проводниковых материалов


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА





                ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
                МАТЕРИАЛОВ





Часть III

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ


Учебно-методическое пособие







НОВОСИБИРСК

2011

УДК 621.315.55+537.31(075.8)
     Ш655



Рецензенты:
А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИТ СО РАН, С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц. НГТУ

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки» и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для подготовки бакалавров


     Шишкин А.В.
Ш 655 Исследование физических свойств материалов : учеб.-метод. пособие. - В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - Ч. 3. Электрические свойства твердых диэлектриков. - 42 с.

         ISBN 978-5-7782-1679-2

          В пособии рассмотрены классификация проводниковых материалов и теоретические основы их электрических свойств. Описаны конструкция и работа лабораторного стенда для исследования электропроводности и температурного коэффициента электросопротивления.
          Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлениям: 140600 - Электротехника, электромеханика и электротехнологии, 080502 -Экономика и управление на предприятии электромашиностроения, 220301- Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) дневного и заочного отделений.








УДК 621.315.61+537.31(075.8)


ISBN 978-5-7782-1679-2

                     © Шишкин А.В., Дутова О.С., 2011 © Новосибирский государственный

технический университет, 2011

        ВВЕДЕНИЕ

   Цель пособия - помочь студентам в получении теоретических знаний и практических навыков по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» в части, касающейся электрических свойств проводниковых материалов.
   Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно и/или в совокупности с другими веществами.
   Материаловедение - это раздел научного знания, посвященный свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов.
   Курс материаловедения и технологии конструкционных материалов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике.
   Электрические свойства тел - одни из важнейших свойств. Жизнь современного человека уже невозможна без электричества. Используемые в настоящее время человеком электрические устройства по размерам различаются на 12 порядков: от наноразмерных изделий до крупных электростанций и ускорителей. Практически во всех таких устройствах применяются и проводники, и диэлектрики, и полупроводники. Поэтому знание механизмов электропереноса и электросопротивления и умение управлять ими при создании и эксплуатации материалов приобретают особую значимость.
   Проводниковые материалы - одни из основных и широко применяемых материалов, что связано в первую очередь с повсеместным производством и использованием электрической энергии. Они доставляют энергию электромагнитного поля точно по назначению (материалы высокой проводимости, контактные, припои), нормируют ее (резистивные), преобразуют (материалы нагревательных и солнечных элементов, сверхпроводники), являются функциональными элементами измерительных и управляющих устройств (термоэлектродные). Таким образом, спектр применения проводниковых материалов очень широк. Благодаря наличию металлической проводимости любой металл может быть использован как проводниковый в том или ином качестве.

3

            1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО НАЗНАЧЕНИЮ


   К проводниковым материалам относятся:
   - материалы высокой проводимости;
   - контактные материалы;
   - припои и контактолы;
   - резистивные материалы;
   - материалы для нагревательных элементов;
   - термоэлектродные материалы.


        1.1. Материалы высокой проводимости

   Главные требования, предъявляемые к материалам высокой проводимости, - высокая электропроводность, доступность и технологичность. Основные материалы, которые по совокупности удовлетворяют этим требованиям, - медь, алюминий и их сплавы. Такие проводящие материалы, как золото, серебро, широко используются, например, в электронной промышленности при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов, для контактов реле, пускателей и др.

    1.1.1. Медь и ее сплавы

   Промышленностью в качестве материалов высокой проводимости используется как чистая медь, так и сплавы на ее основе: латуни и бронзы.
   Важнейшим из металлов высокой проводимости является медь, что обусловлено совокупностью характерных для нее свойств:
   -     минимальное удельное электросопротивление р (только серебро имеет р примерно на 5 % меньше, чем чистая медь);


4

   -     высокая для большинства случаев практического применения механическая прочность;
   -     удовлетворительная стойкость к воздействию окружающей среды;
   -     хорошая технологичность (благодаря сочетанию прочности и высокой пластичности медь перерабатывается в фольгу, ленты, листы, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);
   -     относительная легкость пайки и сварки, что особенно важно при монтажных работах.
   Основной недостаток меди - ее относительная дефицитность, обусловленная сравнительно малой распространенностью в природе.
   Наименьшим удельным электросопротивлением из сплавов меди обладает чистая медь, примеси снижают ее электропроводность.
   Латуни - сплавы на основе меди, где главным легирующим элементом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокой механической прочностью и повышенным удельным электросопротивлением. Латуни стойки к атмосферной коррозии, однако многие сплавы, содержащие более 20.30 % Zn, склонны к растрескиванию из-за одновременного действия остаточных напряжений в изделии и коррозионного воздействия аммиака, а также сернистого газа во влажной атмосфере. Это явление называется сезонной коррозией латуни, так как наблюдается оно в месяцы, характеризующиеся повышенной влажностью. Растрескивание предотвращают, проводя отжиг при 250.. .350 °C для снятия остаточных напряжений.
   Латуни широко применяются для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования.
   Бронзы - сплавы на основе меди, где главный легирующий элемент (за исключением цинка (латуни) и никеля (медно-никелевые сплавы)) определяет название бронзы. По сравнению с медью они обладают повышенным электросопротивлением, механической прочностью, твердостью, упругостью (как при нормальной, так и при повышенных температурах), стойкостью к истиранию. Для электротехники наибольший интерес представляют те бронзы, которые сочетают в себе высокую удельную электропроводность у (бериллиевая бронза) с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронзы). Из проводниковых бронз изготавливаются контактные провода для электрического транспорта, коллекторные пластины, контактные ножи, скользящие кон

5

такты, токоведущие пружины, упругие контактные элементы, щеткодержатели, электроды, зажимы и т. п.
   Из литейных оловянных и безоловянных бронз изготовляются литые токоведущие детали сложной формы с удельной проводимостью, составляющей приблизительно 10 % от проводимости чистой меди.

    1.1.2. Алюминий и его сплавы

   Вторым после меди техническим проводником по значению удельной электрической проводимости при нормальных условиях является алюминий. При пониженной температуре < 70 К его удельная электропроводность становится даже больше, чем у меди. Дополнительное достоинство алюминия состоит в том, что он самый распространенный в природе металл. С учетом дефицитности меди роль алюминия как проводникового материала высокой проводимости неуклонно возрастает.
   Достоинства алюминия: легкость (в 3,3 раза легче меди); высокая удельная электропроводность; пластичность; хорошая технологичность; коррозионная стойкость. Однако алюминий существенно уступает меди в механической прочности.
   Наличие примесей увеличивает удельное электросопротивление алюминия, поэтому в проводниковом алюминии содержание примесей не должно превышать 0,5 %. Для применения в электротехнических изделиях предусмотрены специальные марки А5Е (АЕ) и А7Е, удельное электросопротивление которых нормируется. Для изготовления прессованных токопроводящих жил используются специальные марки алюминия А75К, А8К, А8КУ. В указанных марках резко ограничено содержание примесей Ti, V, Мп, Сг, которые резко снижают проводимость алюминия.
   Оксидная защищающая от коррозии пленка на поверхности алюминия обладает электроизоляционными свойствами, создавая большое контактное сопротивление в месте соединения. Поэтому пайка алюминия обычными методами невозможна. Для пайки алюминия используются специальные пасты-припои и ультразвуковые паяльники, разрушающие оксидную пленку. Для соединения алюминиевых проводов применяется и холодная сварка - пластическое обжатие контакта, при котором пленка окисла растрескивается и выдавливается из зоны контакта, а очищенные поверхности металла прочно соединяются.


6

   Алюминий применяется для изготовления электрических проводов, кабельных, тонкопленочных и других токопроводящих изделий, конденсаторов, конденсаторной фольги, электродов в разрядниках, катодов в ионных рентгеновских трубках, в выпрямителях тлеющего разряда, электродов (диафрагм и отклоняющих пластин) в электроннолучевых трубках и т. п.
   Для алюминиевых сплавов характерно сочетание легкости с повышенной по сравнению с алюминием прочностью. Электрические, механические и технологические свойства алюминиевых сплавов регулируются различными добавками.

    1.1.3. Углеграфитовые материалы

   Из неметаллических материалов высокой электропроводностью обладает графит. Это объясняется заменой у четырехвалентного углерода ковалентных связей вдоль вертикальной оси в гексагональной структуре на ван-дер-ваальсовы силы, в результате чего появляются свободные носители электрического тока. Такое различие химической связи в структуре графита (в базисных плоскостях (0001) - прочные ковалентные связи, а между плоскостями - связи на основе сил Ван-дер-Ваальса) приводит к существенной анизотропии свойств.
   Имея высокую электропроводность, графит обладает и высокой теплопроводностью, а также термостойкостью и химической стойкостью. Благодаря своим электрическим и механическим свойствам (ван-дер-ваальсовы связи легко разрушаются) углеродистые материалы применяются в электротехнике и радиодеталестроении в качестве электропроводящих материалов. Из них изготавливают резисторы, разрядники для телефонных сетей, электроды (для прожекторов, дуговых электропечей, электролитических ванн), аноды гальванических элементов, нагреватели, щетки для электродвигателей и другие электроугольные изделия. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления.

        1.2. Контактные материалы

   Электрический контакт определяется как место перехода тока из одной токоведущей детали в другую, способное обеспечить надежное соединение двух проводников с минимальным и стабильным электриче

7

ским сопротивлением. Таким образом, понятие электрического контакта включает два элемента: поверхность соприкосновения, обладающую высокой проводимостью, и конструктивное приспособление, обеспечивающее такое соединение.
   Контакты по условиям работы подразделяются на три типа: неподвижные, коммутирующие (разрывные) и скользящие (скольжение без отрыва). При этом большинство электрических контактов содержит элементы разных типов, но в замкнутом состоянии они должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к неподвижному контакту.
   По значению коммутируемого тока контакты подразделяют на слаботочные (сила тока I < 1 А) и сильноточные (сила тока I > 1 А).
   Материалы для коммутирующих контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям:
   -  быть устойчивыми против коррозии;
   -  быть стойкими против электрической эрозии и износа;
   -  не свариваться;
   -     обладать высокой механической износостойкостью, особенно на истирание;
   -     легко обрабатываться металлорежущим инструментом и прирабатываться друг к другу;
   -     обладать высокой проводимостью и большим коэффициентом теплопроводности;
   -  иметь низкую стоимость.
   Для изготовления слаботочных контактов используются благородные и тугоплавкие металлы (Ag, Pt, Pd, Au, W, Mo) и сплавы на их основе в виде твердых растворов, в том числе дисперсионно-твердеющих и диффузионно-окисленных.
   Сильноточные (мощные) разрывные контакты изготовляются главным образом из металлокерамических композиций (псевдосплавов), получаемых методами порошковой металлургии. Композиции производят из меди, серебра и их сплавов с небольшими примесями некоторых других элементов и веществ (W, Ni, С, CdO, CuO).
   Скользящие контакты работают примерно в таких же условия, что и разрывные, однако специфическим требованием для них является повышенная стойкость к механическому износу и трению. Скользящие контакты применяются в устройствах токосъема электротранспорта, в электрических машинах (между щетками и коллектором или контактными кольцами), в реостатах, ползунковых переключателях и

8

других конструкциях. Значительный износ скользящих контактов возникает при сухом трении, если оба контакта изготовлены из одного материала или при неудачном выборе пар. Высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов. Для изготовления скользящих контактов широко применяются бронзы и латуни, отличающиеся высокой механической прочностью, упругостью и износостойкостью, антифрикционными свойствами, стойкостью к атмосферной коррозии.
   Из неметаллических материалов для скользящих контактов наибольшее распространение получили различные углеродные материалы. Так, для изготовления щеток, служащих для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины (для подвода или отвода тока к коллектору или контактным кольцам), используются угольно-графитовые, графитовые, электро-графитированные (подвергнутые термической обработке - графитированию) и медно-графитные материалы.


        1.3. Припои и контактолы

   Припоями называют присадочные металлы или сплавы, применяемые при пайке для заполнения зазора между соединяемыми поверхностями с целью получения монолитного паяного шва. Припои обладают более низкой температурой плавления, чем соединяемые металлы.
   Припои подразделяют на две группы: мягкие - с температурой плавления < 300 °C (сплавы на основе Sn, Pb с добавками Cd, Bi и др.); твердые - с температурой плавления >300 °C, отличающиеся высокой прочностью (сплавы на основе Cu, Ag, Ni, Zn). Мягкие припои имеют временное сопротивление ов =16...100 МПа, а твердые - ов = 100.500 МПа.
   Припой выбирают в соответствии с типом паяемого металла или металлов (если они разнородны) с требуемой удельной проводимостью, механической прочностью, коррозионной стойкостью и его стоимостью.
   Для создания токопроводящего контакта при склеивании используются электропроводящие клеи и покрытия (так называемые контактолы). Они представляют собой маловязкие либо пастообразные композиции, в которых в качестве связующего применяют различные синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем служат мелко



9

дисперсные порошки металлов или графита. Выбор связующего определяется технологическими и физико-механическими свойствами кон-тактола. Электрические свойства контактола зависят в основном от свойств дисперсного наполнителя (проводимость, форма и размер частиц, концентрация).



        1.4. Резистивные материалы

   К материалам высокого сопротивления, применяемым для токоведущих частей электроизмерительных приборов, образцовых и добавочных резисторов, предъявляются особые требования:
   -     высокое удельное электросопротивление р (для уменьшения размеров и массы);
   -     малый температурный коэффициент удельного электросопротивления ТКр (для обеспечения температурной стабильности р);
   -     малая удельная термоЭДС в паре с медью a₁Cᵤ (для уменьшения ошибок измерения вследствие возникновения паразитных термоЭДС);
   -     хорошая технологичность (для получения тонкой гибкой проволоки и других полуфабрикатов).
   Для изготовления переменных резисторов, особенно низкоомных, необходимо, чтобы резистивный материал имел малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с применяемым материалом скользящего контакта.
   В зависимости от номинального сопротивления резистора, его назначений и условий эксплуатации в качестве резистивного материала используют металлы и сплавы с высоким удельным электросопротивлением, оксиды металлов, углерод, керметы (металлокерамические материалы), композиционные материалы. Резистивный материал в зависимости от типа резистора может применяться в виде объемного элемента, проволоки различного диаметра или пленки, осаждаемой на диэлектрическую поверхность.

    1.4.1. Медно-никелевые сплавы

   В наибольшей степени удовлетворяет перечисленным в разд. 1.4 требованиям к резистивным материалам медно-никелевый сплав манганин двух марок: МНМцЗ-12 и МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3. Легирование

10