К проводниковым материалам относятся металлы, очищенные от примесей, а также сплавы металлов.
Чистые металлы используют для изготовления различного рода проводов: обмоточных, установочных, монтажных, кабелей, фольги. Проводниковые сплавы чаще всего применяют в виде проволок и лент в резисторах, добавочных сопротивлениях, потенциометрах.
Проводниковые материалы делятся на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления.
К особой группе проводниковых материалов относится электротехнический уголь, широко применяемый в электротехнике.
В последнее время особый интерес вызывают сверхпроводники и гиперпроводники — материалы, обладающие чрезвычайно малый удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах, но это материалы будущего.
Материмы высокой проводимости
К материалам высокой проводимости предъявляются следующие требования: возможно большая проводимость (возможно меньшее удельное сопротивление); возможно меньший температурный коэффициент удельного сопротивлений; достаточно высокая механическая прочность, в частности предел прочности при растяжении и удлинении при разрыве, характеризующий в известной степени гибкость — отсутствие хрупкости; способность легко обрабатываться прокаткой, волочением для изготовления проводов малых и сложных сечений; способность хорошо свариваться и спаиваться, создавая при этом надежное соединение с малым электрическим сопротивлением; достаточная коррозионная стойкость. Для разных случаев применения эти требования в той или иной степени варьируют. Например, для большинства обмоток электрических машин и аппаратов выгоднее иметь как можно меньшее удельное сопротивление, даже если за счет его несколько снизится и предел прочности при растяжении. Для контактных (троллейных) воздушных проводов, работающих на разрыв и на истирание, особое значение приобретают механические характеристики: повышенные предел прочности при растяжении, твердость, стойкость против истирания.
Наиболее широко используемыми в электротехнике материалами высокой проводимости являются медь и алюминий.
Медь, применяемая в качестве проводникового материала, в зависимости от количества примесей имеет две марки (из общих десяти): МО и Ml. Первая обладает лучшими свойствами и из нее может быть получена тонкая проволока. Примеси ухудшают проводимость меди. Изделия из меди могут быть твердыми, неотожженными после прокатки, волочения, — медь МТ (твердая медная проволока) и мягкими, отожженными, — медь ММ. Удельное сопротивление меди колеблется примерно в пределах от 0,017 до 0,018 мкОМ-м; меньшее значение относится к мягкой меди, большее— к твердой.
Предел прочности при растяжении меди колеблется в пределах от 260 до 390 МПа, меньшее значение относится к мягкой меди, большее — к твердой; относительное удлинение при разрыве составляет 18...35% для мягкой меди и 0,5...2,5% для твердой.
Медь нашла самое широкое распространение для изготовления обмоточных проводов электрических машин и аппаратов (в том числе диаметром, равным тысячным долям миллиметра), шин, стержней, трубок, профильного проката, например полос трапециевидного сечения для коллекторных пластин. При этом мягкая медь идет на изготовление обмоточных проводов и кабелей, а твердая — контактных проводов и коллекторных пластин. Необходимо учитывать особенности меди при ее применении в сельскохозяйственном производстве — она усиленно корродирует в атмосфере животноводческих ферм, содержащей пары аммиака.
Алюминий по своему значению занимает второе место после меди среди проводниковых материалов, при этом значение алюминия все более возрастает, в частности в связи с недостатком меди. В электротехнике применяют алюминий, содержащий не более 0,6% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВОО применяют для изготовления фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты марки АВ000О имеет примесей не более 0,001 %.
Алюминиевая проволока подразделяется на твердую неотожженную АТ, мягкую отожженную AM, полутвердую АПТ и твердую повышенной прочности АТП. Удельное электрическое сопротивление алюминия почти одинаково для твердой и мягкой проволоки и составляет в среднем 0,029 мкОм-м; предел же прочности при растяжении резко различен и составляет 160...170 МПа для алюминиевой проволоки АТ и 80 МПа для AM; соответственно удлинение при растяжении составляет 1,5.,.2% н 10...18%.
Для изготовления проводов и кабелей (ГОСТ 6132—71) используется алюминий марки АЕ (ГОСТ 4004—64). Поскольку алюминий в 3,3 раза легче меди, его широко применяют п крановом электрооборудовании, в электрооборудовании самолетов и т. п.
В последнее время мягкий алюминий очень широко используют для изготовления обмоток трансформаторов, установочных проводов, а твердый — для изготовления шин распределительных устройств и линий электропередач. В электропромышленности алюминий Нашел Широкое распространение для заливки короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей.
Для замены свинца в защитных кабельных оболочках используется алюминий с содержанием примесей не более 0,01% (вместо 0,5% для обычного проводникового алюминия), Этот алюминий более мягок, пластичен и обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии. Сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием и пр. получили название бронз, а с цинком — латуни.
Бронзы имеют значительно более высокие механические свойства, чем медь. Например, прочность бронз на разрыв может достигать 800...1200 МПа и более. Однако электропроводность бронз меньше, чем у меди. У разных бронз свойства различные. Так, кадмиевая твердотянутая бронза имеет электропроводность по отношению к меди 90%, а сопротивление разрыву — до 1050 МПа; твердотянутая фосфористая бронза — соответственно 10...15% и 1050 МПа. Еще большую механическую прочность имеет бериллиевая бронза (до 1350 МПа).
Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин электрических машин особо ответственного назначения. Бронзы нашли широкое распространение для изготовления токопроводящих пружин.
Латунь достаточно пластична при повышенной механической прочности по сравнению с медью, поэтому из нее штампуют и вытягивают различные токопроводящие детали, например обоймы для щеток, фасонные болты, гайки и т. п. При электропроводности в 4 раза меньше меди латунь в 2 с лишним раза прочнее ее (до 880 МПа) и пластичнее (удлинение до 5%).
Альдрей — сплав алюминия с марганцем, кремнием и железом— имеет удельное сопротивление, близкое к алюминию (р = = 0,0317 мкОм>м), а временное сопротивление разрыву в два раза больше сопротивления алюминия (350 МПа) при той же плотности— 2,7 мг/м3.
Сталеалюминиевый провод (марки АС) широко применяется в линиях электропередач, представляет собой сердечник из стальных жил, обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Механическая прочность этого провода определяется в основном стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевых проводов уменьшает возникновение короны, так как уменьшает напряженность электрического поля на поверхности провода.
Сталь (железо) — дешевый, недефицитный и механически прочный металл, применяется как проводниковый материал для проводов линий связи, а также при передаче небольших мощностей, например, в сельскохозяйственных районах, где он используется в виде шин, рельсов трамваев, электрифицированных железных дорог, метро и пр.
Для сердечников упомянутых выше сталеалюминиевых проводов применяются особо крепкая проволока с временным сопротивлением разрыву 1200... 1500 МПа и удлинением при разрыве 4...5%.
Обычно применяемая в качестве проводникового материала мягкая сталь содержит 0,1...0,15% углерода и имеет электропроводность в 6...7 раз меньше по сравнению с медью, плотность около 7,8 мг/м3, временное сопротивление разрыву 700...750 МПа с удлинением при разрыве 5...8%, температура плавления 1400°С.
Железо имеет высокий температурный коэффициент сопротивления ТКР (около 0,057 К-1), поэтому оно применяется в бареттерах— приборах, использующих зависимость сопротивления от тока.
Сталь имеет малую коррозионную стойкость, поэтому стальные провода обычно покрывают цинком.
Биметалл — сталь, покрытая снаружи слоем меди горячим или холодным способом. Механические и электрические свойства биметалла являются промежуточными между свойствами сплошного медного и стального проводника того же сечения; механическая прочность биметалла выше, чем меди, но электропроводность меньше. Содержание меди должно быть не менее 50% от полного веса проволоки. Временное сопротивление разрыву не менее 550... 700 МПа, а удлинение не более 2%. Сопротивление 1 км биметаллической проволоки для постоянного тока при нормальной температуре (20°С или 293 К) и диаметре проволоки 1 мм составляет примерно 64 Ом, при 2 мм — 16 Ом, при 3 мм — 7 Ом и при 4 мм —4 Ом.
Такая проволока широко применяется в линиях связи, а также в линиях электропередач, для изготовления шин распределительных устройств, полос для рубильников и т. п.
Натрий — весьма перспективный, самый легкий проводниковый материал. Однако он имеет удельное электрическое сопротивление в 1,7 раза больше, чем у алюминия, химически активен на воздухе и с водой, механически непрочен. Натриевые провода и кабели изготовляются в полиэтиленовых оболочках, обеспечивающих его герметизацию, механическую прочность и электрическую изоляцию.
Припои — специальные сплавы, применяемые при пайке различных металлов. Как правило, спаиваемые металлы при пайке остаются твердыми, а припои, имеющие значительно меньшую температуру плавления, плавятся, и на границе соприкосновения припоя и металлов происходит сложный физико-химический процесс.
Припои подразделяются на мягкие и твердые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 400°С (673 К), а к твердым — припои с температурой плавления выше 500°С (773 К). Предел прочности мягких припоев в 7...10 раз меньше, чем твердых.
Выбор припоя зависит от рода спаиваемых металлов, требуемой механической прочности шва, его удельной электрической проводимости и коррозионной стойкости.
Мягкими припоями в основном являются припои оловянносвинцовые с содержанием олова от 18 (ПОС-18) до 90% (ПОС-90). Существуют мягкие припои с добавками алюминия, серебра, висмута и кадмия, имеющие пониженную температуру пайки, но при этом меньшую механическую прочность шва.
Наиболее распространенными твердыми припоями являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр).
Флюсы — вспомогательные материалы для получения надежной пайки. Они растворяют и удаляют окислы и загрязнения металлов и припоев, уменьшают поверхностное натяжение расплавленного припоя, улучшают его растекаемость и смачиваемость соединяемых им поверхностей. По воздействию на металл флюсы делятся на активные (кислотные), бескислотные, активированные и антикоррозионные. Первые приготовляют на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов и т. д. Они хорошо растворяют оксидные пленки на поверхности металлов, обеспечивая хорошую адгезию и, следовательно, высокую прочность шва. Однако остатки флюса вызывают интенсивную коррозию спая и основного металла, и поэтому при монтажной спайке электро- и радиоприборов активные флюсы не применяются. К бескислотным флюсам относятся канифоль и флюсы на ее основе с добавками спирта и глицерина, а к активированным — флюсы на основе канифоли с добавлением активаторов — небольших количеств солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты и т. п. Часто эти флюсы позволяют паять без удаления окислов после обезжиривания. Антикоррозионные флюсы приготовляют на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений, а также на основе органических кислот.
Сплавы высокого сопротивления
Сплавы высокого сопротивления по своему применению подразделяются на три группы: для измерительных приборов, для реостатов, для электронагревательных приборов.
Первые сплавы имеют большее значение удельного сопротивления, малое значение ТКр, малую термо-э. д. с. относительно меди и высокую стабильность свойств с течением времени.
Вторые сплавы, помимо большого значения удельного сопротивления, должны иметь повышенную нагревостойкость (до 200°С или 473 К) и отличаться дешевизной.
Третьи сплавы в отличие от второй группы сплавов должны иметь нагревостойкость еще выше — до 1000°С (1273 К) и даже выше.
Основными сплавами для измерительных приборов являются манганин и константен.
Манганин —сплав 86% меди, 12% марганца и 2% никеля. Допускаемая рабочая температура до 200°С (473 К), удельное сопротивление 0,42...0,48 мкОм-м; ТКр около (6...50) • 106К-1; коэффициент термо-э. д. с. по отношению к меди также очень мал — около 1...2 мкВ/К, механическая прочность при растяжении 600 МПа при удлинении 15...30%, плотность 8400 кг/м3.
Манганин — наилучший материал для образцовых резисторов
(сопротивлений), магазинов сопротивлений и шунтов.
Константан — сплав 60% меди и 40% никеля. Удельное сопротивление 0,48...0,52 мкОм-м; ТКр близок к нулю. По механическим свойствам константан близок к манганину-.
Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов при рабочей температуре до 450°С (723 К).
Путем термообработки на поверхности константана можно получить электроизоляционную оксидную пленку с пробивным напряжением до 1 В.
В паре с медью или железом константан имеет коэффициент термо-э. д. с. порядка 43 мкВ/К (с медью) и 54 мкВ/К (с железом), поэтому он широко применяется при изготовлении термопар для измерения температуры до нескольких сотен градусов, но не может быть использован в измерительных схемах, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений.
Реостатные сплавы имеют, как правило, медную основу, но для удешевления стоимости сплава примерно половина содержания никеля заменяется цинком и железом. Удельное сопротивление таких сплавов 0,3...0,4 мкОм*м; длительно допустимая температура
.300°С (473...573 К).
Сплавы для электронагревательных приборов имеют в своей основе металлы: железо, никель, хром, алюминий. Основные из этих сплавов —нихром, ферронихром, фехраль, хромаль. Их основные характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3
Механическая прочность сплавов при растяжений порядка 800 МПа при удлинении 10...30%, плотность примерно от 7 до 8,5 Мг/м3.
Длительность жизни проволоки зависит от равномерности ее сечения по длине, однородности состава и режима работы. В местах с уменьшенным сечением нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают. При резких сменах температур происходит растрескивание оксидных пленок на поверхности проволоки и кислород воздуха, проникая в трещины, приводит к дальнейшему окислению сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательных приборов их элементы перегорают значительно быстрее, чем при непрерывной работе элемента при той же температуре. Длительность работы электронагревательных элементов может быть достигнута путем их герметизации, что используется в технике (электрические кипятильники и т. п.).
Нихромы весьма технологичны, их легко можно протягивать в сравнительно тонкую проволоку или ленту. Однако в них велико содержание дорогого и дефицитного компонента — никеля.
Фехрали и хромали намного дешевле, но менее технологичны, более тверды, хрупки. Из них могут быть получены проволоки и ленты только относительно большого сечения. Поэтому они нашли применение в основном в качестве нагревательных элементов в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности.
Различные металлы
Свинец — мягкий пластичный малопрочный металл с плотностью 11,4. мг/м3, имеет высокую коррозионную стойкость к воде, серной и соляной Кислотам, но нестоек к азотной и уксусной кислотам и гниющим органическим веществам, извести и другим соединениям. Его применяют в электротехнике в качестве оболочки кабелей для защиты последних от воды, для изготовления плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов, защитных экранов в рентгеноустановках и т. д.
Следует помнить, что свинец и его соединения ядовиты.
Олово — мягкий тягучий металл с плотностью 7,3 кг/дм3 и температурой плавления 232°С (505 К). При обычных условиях олово не окисляется, водостойко, на него очень медленно воздействуют разведенные кислоты. Олово широко применяется для защиты металлов (лужение), входит в состав бронз и сплавов. Тонкая оловянная фольга применяется в производстве конденсаторов.
Серебро — благородный металл, стойкий против окисления при нормальной температуре, имеет плотность 10,5 кг/дм3, температуру плавления 960°С (1233 К) и наименьшее из металлов удельное сопротивление — 0,0162 Ом-мм2/м. Серебро применяется для изготовления контактов, для нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в конденсаторах и т. д.
Платина — металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реагентам, прекрасно обрабатывается, технологичен. Из платины получают особо тонкие нити для подвесок подвижных систем в электромерах и других высокочувствительных приборах, а также для изготовления термопар для измерения высоких температур до 1600°С (1873 К). Платина применяется как основа для контактных сплавов ответственных приборов. Заменителем платины служит в ряде случаев палладий. Кроме того, в электротехнике находят применение такие материалы, как молибден, золото, кобальт, кадмий, индий, галлий и ртуть.
