 |
|
МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
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.
Основным является требование максимальной удельной проводимости материала.
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.
Медь. Свойства:
- 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).
Медь получают чаще всего в результате переработки сульфидных руд.
В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и М0. Медь марки Ml содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно быть не более 0,08%. Медь марки М0 содержит примесей не более 0,05%, в том числе кислорода не более 0,02%.
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).
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 мкОм/м, соответственно r = 0,017241 мкОм×м при значении ТКr = 4,3×10-3К-1.
Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами. Состав кадмиевой бронзы 0,9 % Cd, остальное Сu; бериллиевой - 2,25 % Be, остальное Сu; фосфористой 0,1 % Р, 7% Sn, остальное Сu. При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь. Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. Например, бериллиевая бронза Бр.В2.
Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%). 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. В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозначение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие легирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 E9 % меди Си, 1 % свинца РЬ, остальное цинк Zn).
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, AT - твердая, АПТ - полутвердая, AM - мягкая.
Сплав альдрей (0,3 ... 0,5 % меди Сu, 0,4...0,7 % кремния Si, 0,2...0,3 % железа Fe, остальное алюминий Аl) обладает следующими свойствами:
- повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия, приближаясь к твердотянутой меди 0 = 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 Сu, 0,4...0,8% магния Mg, марганца Мn).
Железо и его сплавы. Железо обладает следующими свойствами:
- более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное электрическое сопротивление (r примерно 0,1 мкОм×м), что ограничивает возможности применения железа как проводникового материала;
- высокий температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr;
- высокая механическая прочность;
- дешевизна и доступность материала;
- большая магнитная проницаемость и высокая индукция насыщения;
- технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).
Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электровакуумных приборах как материал для анодов, экранов и других элементов, работающих при температурах до 500 °С. Как ферромагнитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.
Стали. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0.05% принято называть техническим железом, с содержанием углерода 0,05... 1,35%) - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.
В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода всегда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1 ...0,37 %); марганец Мn (0,2...0,8 %); сера S (0,03...0,06 %); фосфор Р (0,03 ... 0,07%).
По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкционную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.
В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова «Сталь» ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь 10 (содержание углерода 0,1 %).
Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, называются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значительной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.