Проводниковые материалы

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным электрическим сопротивлением . К ним относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах весьма мало.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

1) По агрегатному состоянию

Разделяют на газообразные, жидкие и твердые.

а) газообразные

К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками и обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением . Однако при напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.

б) жидкие

К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.

Они разделяются по механизму прохождения тока через вещество

Проводники первого рода - проводниками с электронной (металлической) электропроводностью

Механизм прохождения электрического тока через; твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического тока, который создается приложенным извне напряжением.

Проводники второго рода - механизм прохождения электрического тока через них осуществляется двумя путями:

- с переносом частиц вещества;

- электронным

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора.

Большинство металлов имеют высокую температуру плавления (табл. 3.1). Только ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы системы индий-галий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.

Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.

в) твердые

К твердым проводникам относят металлы и сплавы.

Таблица 3.1. Температура плавления металлов

В периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева 75% элементов - металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса вещества одного металла в другой, как это имеет место при прохождении тока в электролитах, поскольку перенос электрических зарядов осуществляется только электронами.

2) по характеру применения

металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление < 0, 1 мкОм× м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление > 0, 3 мкОм× м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при очень низких температурах называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, что обусловлено особенностями металлической связи между атомами. В качестве проводников применяются также неметаллические материалы (уголь, графит, угольно-графитовые композиции, высокоионизированные газы). Они обладают механическими, физико-химическими и технологическими свойствами.

Механические свойства

К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

1) Твердость

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).

Испытания материалов на твердость вдавливанием шарика по методу Бринелля проводят с помощью стального закаленного шарика диаметром 10, 5 или 2, 5 мм в испытываемый материал под действием нагрузки в течение определенного времени (рис. 3.1). Диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой выбирают по специальным таблицам в зависимости от толщины и твердости материала.

Перед испытанием поверхность детали или образца зачищают напильником или наждачным кругом.

Рис. 3.1. Схема определения твердости материала по методу Бринелля:

Р - нагрузка; D - диаметр стального шарика; d- диаметр отпечатка; S - толщина образца

После испытания диаметр отпечатка измеряют при помощи градуированного увеличительного стекла в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диаметр отпечатка d зависит от твердости материала.

Твердость по методу Бринелля определяется отношением численного значения нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F_OT и измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м²):

где D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.

К недостаткам метода Бринелля относятся:

- невозможность определять твердость проволоки и изделий толщиной менее 3 мм;

- проведение испытаний на контрольных образцах, так как на рабочих деталях остаются заметные следы от вдавливания шарика;

- невозможность испытывать материалы, твердость которых выше твердости стального шарика (450 НВ), так как при этом шарик начинает деформироваться и искажать показания;

- продолжительность процесса испытания.

Твердость материала по методу Роквелла определяют по глубине вдавливания в испытуемый материал стального шарика диаметром d = 1, 59 мм под нагрузкой массой 100 кг или алмазного конуса с углом при вершине 120° при нагрузках 60 и 150 кг на твердомерах.

Рис. 3.2. Схема определения твердости материала по методу Роквелла:

а - конус, вдавленный под нагрузкой Р₀;

б - отпечаток конуса после снятия нагрузки Р₀; в - конус, вдавленный под нагрузкой Р₀+Р₁

г - отпечаток конуса после снятия основной нагрузки Р₁

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р₀, а затем основную – Р₁ Твердость при этом характеризуется разностью глубин проникновения шарика или алмазного конуса h-h₀ под нагрузками Р=Р₁+Р₀ и Р₀ (рис. 3.2). Эта разность глубин определяется автоматическим индикатором, циферблат которого разделен на 100 делений. Циферблат имеет черную и красную шкалы. При испытаниях шариком отсчет производят по красной шкале и твердость обозначают HRB, при испытании алмазным конусом -по черной шкале и твердость обозначают HRC. Шариком определяют твердость мягких металлов, а алмазным конусом - твердых.

К достоинствам метода Роквелла относят:

- измерение твердости в более широком диапазоне (до 700 НВ);

- пригодность для определения твердости более тонких изделий, чем при методе Бринелля;

- наличие очень малых отпечатков на испытуемом образце.

Недостатком метода является необходимость подготовки образцов, соответствующих определенным требованиям (толщина образца должна быть не менее 10 глубин вдавливания, диаметр круглых образцов не должен быть меньше 10 мм).

Твердость по методу Виккерса определяют вдавливанием в испытуемый материал алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под нагрузкой. В результате на поверхности образца остается квадратный отпечаток, длина диагонали которого характеризует твердость материала. Чем больше диагональ, тем ниже твердость. Диагонали измеряют с помощью микроскопа. Твердость по методу Виккерса HV определяют по таблицам в зависимости от длин диагоналей отпечатка (рис. 3.3).

Этим методом можно измерять твердость мягких и твердых материалов при малой толщине образцов и деталей.

Недостатки метода - длительность процесса замера и необходимость тщательной подготовки образца.

Рис. 3.3. Схемы измерения диагонали отпечатка пирамиды:

а - первоначальное положение штрихов; б - положение штрихов для измерения диагонали отпечатка; 1 - левый штрих; 2 - правый штрих; 3 - отпечаток пирамиды

2) Упругость - это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

3) Вязкость - это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром. Образец стандартной формы свободно устанавливают на опоры копра. Маятник массой Р поднимают на высоту h₂ и отпускают. Падая, маятник разрушает образец, который по инерции поднимается на некоторую высоту h₁

Работа удара в джоулях, затраченная на излом образца,

4) Ударная вязкость - это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Испытаниям на ударную вязкость подвергают те материалы, из которых изготавливают сталь, применяемую в условиях ударных нагрузок. Для проведения такого испытания берут стандартный образец, на котором делают надрез. Испытания образцов проводят на специальных установках - копрах маятникового типа. Образец разрушают с помощью маятника. Ударную вязкость определяют по формуле, зная работу, затраченную маятником на разрушение образца, и площадь поперечного сечения образца в месте надреза:

,

где а - ударная вязкость, Дж/м²; A_к - работа, затраченная на разрушение образца, Дж; Р - нагрузка, создаваемая массой маятника, Н; H - высота поднятия центра тяжести маятника, м; h - высота поднятия маятника после разрушения образца, м; F_K - площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м².

В производственных условиях а_н и А_н определяют по таблицам.

На ударную вязкость не испытывают такие хрупкие материалы, как чугун, силумин, закаленная инструментальная сталь.

5) Пластичность - это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности электроматериалов используют относительное удлинение образца при разрыве и относительное сужение площади поперечного сечения образца .

Относительным удлинением называют отношение абсолютного удлинения образца к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженной в процентах:

где l_р - длина образца после разрыва, м.

Относительным сужением называют отношение абсолютного сужения площади поперечного сечения образца после разрыва к его первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:

Значения относительного удлинения и относительного сужения для некоторых материалов приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Относительные удлинение и сужение некоторых материалов

6) температурный коэффициент линейного расширения ТК l – это коэффициент, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании. Однако наиболее легко изменение размеров изделия при нагревании фиксируется по максимальному размеру длины. Различают температурный коэффициент линейного расширения при данной температуре ТК l и его среднее значение в интервале температур (1/град):

где l₀, 1_Т - геометрические размеры изделий, соответствующие температурам Т₀ и T.

Значение ТК/ твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления. Минимальные значения ТК/ характерны для тугоплавких металлов, которые используют для вакуум-плотных спаев со стеклом, керамикой и другими диэлектрическими материалами.

7) Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е разрушение образца происходит при равенстве предела текучести , и предела прочности при растяжении . Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю.

К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.

8) Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия (растяжения) на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами. Для испытания на растяжение изготавливают образцы в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров. Образцы закрепляют в зажимах разрывной машины и прикладывают к ним растягивающую нагрузку.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести .

где F_t - нагрузка, соответствующая физическому пределу текучести, Н; S₀ - первоначальное сечение образца материала, м².

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F_д, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении а:

где F_д - нагрузка, соответствующая пределу прочности, Н.

9) Усталость - это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины. Под действием многократных повторно-переменных (изменяющихся только по значению) и знакопеременных нагрузок (сжатие и растяжение) металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности, т.е. наступает усталость. Свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных или знакопеременных напряжений называется выносливостью.

Испытания на выносливость проводят на специальных машинах, вращая образцы с одновременным приложением изгибающих нагрузок, создающих растяжение и сжатие.

Физико – химические свойства

Кфизико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.

Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением , удельной электрической проводимостью , температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления и коэффициентом теплопроводности.

1) Плотность

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые.

К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м3. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды.

К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).

2) Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы

где R - сопротивление образца, Ом; S - площадь поперечного сечения образца, м²; l - длина образца, м.

Величину измеряют в омах на метр (Ом× м), однако для практических целей 1 Ом× м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, например в микроомах на метр. Диапазон значений металлических проводников (при нормальной температуре) от 0, 016 для серебра до 10 мкОм× м для некоторых сплавов.

Удельная проводимость металлических проводников согласно клас­сической теории металлов может быть выражена следующим образом:

где е — заряд электрона, n_o — число свободных электронов в еди­нице объема металла, λ —средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки, т — масса электрона, υ _т — средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов υ _т (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации сво­бодных электронов no: например, для меди и никеля это различие меньше 10%. Поэтому значение удельной проводимости γ (или удельного сопротивления ρ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике λ, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового матери­ала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличе­нию ρ.

Значения металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

Сопротивление проводников R_s на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2, 7 раза по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению , называют удельной электрической проводимостью (См/м):

Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

3) Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления

Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры.

Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным.

Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электро­нов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега элек­трона λ, уменьшается подвиж­ность электронов и, как следст­вие, уменьшается удельная про­водимость металлов и возрастает удельное сопротивление. Иными словами, тем­пературный коэффициент удельного сопротивле­ния металлов (К^-1) положителен.

,

где - элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры

Согласно выводам электронной теории металлов значения α _р чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к ТК расширения идеаль­ных газов, т. е. 1: 273 = 0, 0037 К^-1 повышен­ными значениями α _р обладают некоторые металлы, в том числе ферромагнитные металлы — железо, никель и кобальт.

Для чистых металлов в твердом состоянии должен быть близок к температурному коэффициенту объема идеальных газов, т.е. 1/273 = 0, 00367 К^-1. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма и галлий), удельное электрическое сопротивление при плавлении снижается.

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

где , - значения , соответствующие температурам Т₀ и Т.

4) Изменение удельного со­противления при упругом растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

где ρ — удельное сопротивление металла при механическом напря­жении σ, ρ _о — удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, — коэффициент механического на­пряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус — сжатию.

Изменение ρ при упругих деформациях объясняется измене­нием амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии — уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термиче­ской обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения. Наблюдающееся иногда при деформациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объясняется вторичными явлениями: уплотнением металла, разру­шением оксидных пленок и т. д.

5) Теплопроводность металлов

За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и количество которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, теплопро­водность γ _T металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Оче­видно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повы­шении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость γ уменьшаются, отношение γ _T/γ теплопроводности металла к его удельной проводимости должно возрастать.

6) Термоэлектродвижущая сила

Рис. 4.1. Схема термопары

При соприкосно­вении двух различных металлических проводников между ними воз­никает контактная разность потен­циалов. Причина появления этой раз­ности потенциалов заключается в раз­личии значений работы выхода элек­тронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из элек­тронной теории металлов следует, что контактная разность по­тенциалов между металлами А и В, равна:

где U_А и U_В — потенциалы соприкасающихся металлов;

п_A и п_B — концентрации электронов в металлах А и В;

k и е, — постоянная Больцмана и заряд электрона.

Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей по­тенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру Т₁, а другой — температуру T₂. (рис. 4.1). В этом случае между спаями возникает термо-э. д. с., равная

что можно записать в виде

(4.1)

где с — постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т. е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна раз­ности температур спаев.

Фактически соотношение (4.1) соблюдается не всегда и зави­симость термо-э.д.с. от разности температур спаев может быть не строго линейной.

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных метал­лов или сплавов (термопара), может быть использован для изме­рения температур. В термопарах используются проводники, имею­щие большой и стабильный коэффициент термо-э.д.с. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стре­мятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-э.д.с. относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо-э.д.с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, вы­числяемый по тому же выражению (5-7), что и для диэлектриков, интересен не только с точки зрения работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного со­единения со стеклами, керамикой и т. д. при изменении температуры и т. п.). Он необходим также и для расчета темпе­ратурного коэффициента электрического сопротивления провода .

Для чистых металлов обычно α _l< < α _p, так что в формуле можно пренебречь α _l по сравнению с α _p и считать прибли­женно α _R = α _p. Однако для сплавов, имеющих малый α _p, формула может иметь существенное практическое значение. Значение α _l твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении к температуре плавления. Поэтому, как правило, при нормальной температуре легкоплавкие металлы имеют сравни­тельно высокие, а тугоплавкие — сравнительно низкие значения α _l.

К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств мате­риала проводят соответствующие лабораторные испытания.