Проводники

В технике используют металлы и сплавы с разным удельным электрическим сопротивлением (р).

Сплавы с малым р предназначены для передачи электрической энергии с минимальными потерями; сплавы с большим р – для изготовления нагревателей, деталей электроизмерительных приборов.

Металлы высокой проводимости

Наибольшей проводимостью обладают металлы, валентная зона которых заполнена не полностью, а именно с одним электроном на внешней орбите. Для них требуется минимальное возбуждение (внешнее электрическое поле), необходимое для перемещения электронов на более высокие подуровни, т.е. для возникновения электрического тока. Наиболее высокой проводимостью обладают серебро (Ag), золото (Au), медь (Cu), алюминий (Al).

Металлы и сплавы высокой проводимости должны удовлетворять ряду эксплуатационных и технологических требований.

Основная эксплуатационная характеристика – удельное электросопротивление, его значения должны быть малыми (ρ < 0,1 мкOм•м); кроме того, эти материалы должны иметь достаточно высокие прочность и коррозионную стойкость.

Наиболее важное технологическое свойство – пластичность, так как путем пластической деформации из этих металлов и сплавов изготовляют провода. Материалы должны также хорошо паяться и свариваться.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют медь и сплавы на ее основе (бронзы, латуни), алюминий, которые и являются основными проводниковыми материалами.

Медь и сплавы на ее основе (бронзы, латуни)

Медь – один из лучших и наиболее применяемых проводников (р = 0,017...0,018 мкОмм; меньшие значения р только у серебра – 0,016 мкОмм). Примеси сильно снижают электропроводность меди, поэтому их ОГЛАВЛЕНИЕ ограничивают до 0,05% (марка М0) и до 6,1% (марка M1).

Медные проволока и лента поставляются в отожженном состоянии – марка MM (мягкая медь) или после холодной пластической деформации (наклепа) – марка MT (твердая медь). Мягкую медь MM применяют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, токопроводящих шин, кабелей, где важна гибкость и пластичность (σв = 200... ...300 МПа, δ = 40...50%). Твердую медь MT используют, когда необходимо обеспечить высокую твердость и сопротивление истиранию, более высокую механическую прочность (σв = 350...480 МПа, δ = 0,5...0,4%). Из нее изготавливают провода для воздушных линий, коллекторные пластины электрических машин и др.

Основные недостатки меди – относительно невысокая механическая прочность, невозможность использования при нагреве свыше 100...200 °С из-за снижения твердости и прочности, а также высокая стоимость. Поэтому для изготовления более прочных проводников и токопроводящих деталей (иногда работающих при нагреве свыше 100...200 °С) применяют сплавы на основе меди: бронзы и латуни (см. 8.1).

В качестве проводниковых материалов используют оловянные, бериллиевые, кадмиевые бронзы (сплавы меди с названными компонентами). Бронзы уступают меди в электропроводности, но значительно (в несколько раз), превосходят ее по пределам прочности и упругости, имеют более высокую коррозионную стойкость. Они более технологичны: хорошо обрабатываются резанием и давлением, хорошо паяются, литейные бронзы обладают хорошими литейными свойствами. Некоторые бронзы можно упрочнить за счет термической обработки (бериллиевые), их используют для изготовления токопроводящих упругих деталей (например, пружин) электрических приборов.

Наибольшей электропроводностью (~ 90% от проводимости меди) обладает кадмиевая бронза БрКд1, содержащая 0,9...1,2% Cd. Предел прочности бронзы – 600...700 МПа, что в 2...2,5 раза выше, чем у меди, рабочая температура 200...250 °С. Бронза этой марки применяется для изготовления контактных проводов (линии электрического транспорта) и коллекторных пластин электрических машин.

Более высокой прочностью обладают оловянные бронзы с добавками фосфора – Бр.ОФ6,5-0,15 (σв = 800...1100 МПа (после наклепа)) и бериллиевые бронзы – Бр.Б2 (σв = 1150... ...1400 МПа) и др. Из этих бронз изготавливают пружины и другие контактные элементы. Однако их электропроводность невысока – 10...15% от электропроводности меди.

Электропроводность латуней (сплавы на основе меди, в которых основной легирующий компонент – цинк) ниже, чем у меди (25...50% от электропроводности меди). Но вследствие высоких технологических свойств (особенно пластичности), достаточно высокой прочности (σв до 700 МПа) и коррозионной стойкости латуни достаточно широко используются для изготовления различных токопроводящих деталей в электротехнике и приборостроении.

Алюминий – по применимости второй (после меди) проводниковый материал. Он обладает высокой электропроводностью (60% от электропроводности меди) и малой плотностью (2,7 г/см3), алюминий легче меди почти в 3,5 раза (ее плотность – 8,94 г/см3). Замена меди на алюминий позволяет примерно в два раза снизить вес при той же передаваемой мощности электроэнергии. Это определило его широкое применение для изготовления проводов электропередач воздушных линий. Кроме того, алюминий используют для изготовления кабелей, обмоток трансформаторов и электрических машин, электромагнитов. Из алюминия изготавливают провода диаметром от 0,06 до 8 мм, фольгу толщиной 0,006...0,15 мм, а также шины толщиной 3...12 мм.

К недостаткам алюминия следует отнести пониженные (по сравнению с медью) прочностные свойства: σв = 70...100 МПа – в мягком отожженном состоянии (марка AM) и σв = 150... 170 МПа – в твердом состоянии после деформации (марка АТ).

Алюминий из-за наличия на поверхности оксидной пленки А12O3 плохо паяется, имеет высокое электрическое сопротивление в недостаточно зачищенных местах соединений (большое переходное сопротивление), а также подвержен электролитической коррозии.

В микроэлектронике алюминий применяют для формирования токоведущих дорожек, контактных площадок, а в окисленном виде – для изоляции.

В качестве проводниковых материалов используют также благородные металлы – серебро и золото, для которых характерна весьма высокая коррозионная стойкость, однако их применение ограничено высокой стоимостью и дефицитностью.

Серебро обладает весьма низким (меньше, чем у меди) удельным электросопротивлением (ρ = 0,016 мкОм•м). Высокая пластичность серебра позволяет получать из него очень тонкую проволоку и фольгу. В чистом виде серебро применяют в микроэлектронике для изготовления микропроводников, гальванических покрытий в ответственных высокочастотных и сверхвысокочастотпых устройствах, для контактов в слаботочных цепях. Сплавы серебра с медью, никелем или кадмием применяют для изготовления контактов реле и других электроаппаратов.

Золото имеет очень высокую пластичность. Из него изготавливают устойчивые к агрессивным средам покрытия, контакты, электроды, а в микроэлектронике используют как проводниковый материал и защитное покрытие элементов интегральных схем. Удельное электросопротивление золота (ρ = 0,024 мкОм•м) выше, чем у меди и серебра.