Главная | Обратная связь

МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции.

Материалы высокого сопротивления по назначению можно разделить на проводниковые резистивные материалы, пленочные резистивные материалы, материалы для термопар.

Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).

К проволочным резистивным материалам предъявляются следующие требования:

удельное электрическое сопротивление r при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм×м и высокая стабильность его значения во времени;

малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью;

малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr; технологичность.

В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов) резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с заметно деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов. Для получения проволоки разного диаметра, применяемой для изготовления проволочных резисторов различного назначения, наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля. Важнейшие электрические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения меди и никеля.

Манганин - сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца (от лат. manganum). Его примерный состав: медь Си - 85% (большое содержание меди придает сплаву желтоватый цвет), марганец Мn - 12%, никель Ni - 3%.

Константан представляет собой твердый раствор никеля и меди, получивший свое название за высокое постоянство коэффициента удельного электрического сопротивления r (константа) при изменении температуры. Ориентировочный состав константана: медь Си - 58,5%, никель Ni - 40%, марганец Мп - 1,5%.

Широкому применению константана препятствует его повышенная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования:

высокий коэффициент удельного электрического сопротивления r, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr, длительная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и доступность компонентов.

К нагревостойким сплавам относят сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку.

Нихромы представляют собой твердые растворы никель-хром (Ni-Сг) или тройные сплавы никель-хром-железо (Ni-Cr-Fe). Железо вводится в сплав для обеспечения лучшей обрабатываемости и снижения стоимости.

Нихромовая проволока применяется для изготовления проволочных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пленочных резисторов интегральных схем.

Хромоалюминиевые сплавы фехраль и хромаль намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевле и менее дефицитны. Однако они менее технологичны, более твердые и хрупкие. Из них получают проволоку большего диаметра и ленты с большим поперечным сечением, поэтому их используют в электронагревательных устройствах большей мощности и промышленных электрических печах.

Пленочные резистивные материалы получают из исходных материалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свойства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изоляционные основания (подложки) методом термического испарения в вакууме; катодным, реактивным и ионоплазменным распылением, электрохимическим и химическим осаждением и др. В качестве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, слоистые пластики и др.

требования:- возможность изготовления стабильных во времени резисторов с низким ТКr,

- хорошая адгезия к подложкам,

- высокая коррозионная стойкость и устойчивость к длительному воздействию высокой температуры.

Их разделяют на металлопленочные и металлооксидные, композиционные, углеродистые.

Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резисторов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, палладий, рений, вольфрам и сплавы на их основе. Толщина тонких резистивных пленок 1...10 мкм;

Керметные резистивные пленки содержат проводящую и диэлектрическую фазы. Эти пленки наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (Cr, Ni, Fe) и оксидов (SiO₂, ТiO₂, Nd₂0₃ неодим).

Металлооксидные материалы образуют резистивные пленки, которые обладают высокой термостойкостью. Наиболее широкое применение для изготовления таких резистивных пленок получили материалы на основе двуокиси олова (Sn0₂).

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используют проводники (порошки серебра, палладия) и полупроводники (оксиды серебра, палладия, карбиды кремния, вольфрама).

В качестве связующих веществ применяют термопластичные и термореактивные полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали.

Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением.

до 350°С - медь-константан, медь-копель; до 600°С - железо-константан, железо-копель, хромель-копель; до 900...1000°С - хромель-алюмель; до 1600°С - платинородий-платина.

Для измерения криогенных температур можно использовать термопару железо-золото.

Группу благородных металлов (серебро, платина, палладий, золото) составляют металлы, обладающие наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды и действию агрессивных сред (кислот, щелочей).

Серебро Ag. самый электропроводный металл (удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре r = 0,016 мкОм-м); имеет высокие механические свойства (предел прочности при растяжении s_B = 200 МПа, относительное удлинение при разрыве d примерно 50 %), что позволяет промышленно изготавливать проводники различного диаметра, включая микропровода диаметром 20 мкм и менее;

при вжигании или напылении образует прочные покрытия на диэлектриках;

при повышенных температурах и влажности атомы серебра мигрируют по поверхности и внутрь диэлектрика, вызывая нарушение работы устройства;

химическая стойкость ниже, чем у других благородных металлов;

образует окислы с высокой электропроводностью;

Серебро используют в производстве конденсаторов в чистом виде и сплавах как материал для слаботочных контактов, в виде гальванических покрытий в ответственных ВЧ и СВЧ устройствах и тонких токопроводящих пленок в печатных платах, в монтажных проводах. Оно входит в состав тугоплавких серебряных припоев.

Платина Pt. Платина - светло-серый металл со следующими свойствами:

- не соединяется с кислородом;

- наиболее химически стойкий (устойчив к большинству кислот);

- имеет высокую пластичность (предел прочности при растяжении после отжига а примерно 150 МПа, относительное удлинение при разрыве d = 30...32%);

- легко поддается механической обработке;

- образует спаи с легкоплавкими стеклами благодаря близости коэффициентов линейного расширения;

- редко применяется по причине высокой стоимости.

Платину используют как материал для сеток в мощных генераторных лампах, при изготовления термопар в паре с платинородием для измерения высоких температур (до 1600°С), для особо тонких нитей (диаметром примерно 1 мкм) в подвижных системах электрометров. Платина входит в состав проводящих паст, вжигая которые на монолитные керамические конденсаторы, получают электроды.

Золото Аu. Золото - металл желтого цвета со следующими свойствами:

- имеет высокую пластичность (относительное удлинение при разрыве e = 40%), что позволяет получать фольгу толщиной 0,08 мкм и менее (это в 250 раз тоньше человеческого волоса);

- коррозионную стойкость к образованию сернистых пленок при комнатной температуре и при нагревании;

- химическую стойкость.

Золото в чистом виде и в виде сплавов с платиной, серебром, никелем, цирконием, имеющими повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость, применяют для изготовления прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фотоэлементов, для вакуумного напыления тонких пленок полупроводниковых и гибридно-пленочных интегральных схем, золочения контактных поверхностей электронных ламп СВЧ, корпусов микросхем.

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления более 1700°С. Эти металлы, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при повышенных температурах активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них эксплуатируют в вакууме или среде инертных газов (аргон Аr, азот N₂ и др.). Механическая обработка тугоплавких металлов затруднена из-за их повышенной твердости и хрупкости.

Тугоплавкие металлы (вольфрам W, рений Re, молибден Мо, тантал Та, титан Ti, ниобий Nb, цирконий Zr, гафний Gf) применяют в электровакуумной технике, полупроводниковом производстве и микроэлектронике, для подвижных контактов и в качестве материала для сверхпроводников.

Вольфрам W. Вольфрам - светло-серый металл, который обладает следующими свойствами: - наиболее высокая температура плавления;

- очень большая плотность; - наименьшее значение температурного коэффициента линейного расширения ТКl изо всех чистых металлов, применяемых в вакуумной технике;

Основная область применения вольфрама - изготовление нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвенного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле, испарителей для нанесения в вакууме тонких пленок различных материалов. Для контактов с большими значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.

Молибден Мо. Молибден - близкий по своим свойствам к вольфраму металл, но почти в 2 раза легче последнего. Он обладает следующими свойствами:

- самое низкое удельное электрическое сопротивление r из всех тугоплавких металлов;

-допустимая рабочая температура ниже, чем у вольфрама;

- окисление начинается с температуры 500 °С.

Молибден применяют для изготовления анодов и сеток генераторных ламп, крючков для поддерживания вольфрамовых нитей, теплоотводов в корпусах мощных ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов

Титан Ti. Титан обладает следующими свойствами: - пластичность;

- сравнительно высокая механическая прочность;

-высокая газопоглощающая способность, особенно при нагревании до температуры 500 °С.

Он получается термической диссоциацией йодистых соединений. ТД - это распадение молекул на несколько более простых частиц - атомов, радикалов или ионов (от лат. dissociato - разъединение, разделение).

Титан применяется для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых электродов электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

Цирконий Zr. Цирконий - металл, который в слитках похож на сталь, хорошо куется. Высокая концентрация циркониевой пыли в воздухе пожароопасна, так как порошкообразный цирконий при температуре свыше 75 °С легко воспламеняется.

Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды), обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа.

Ртуть Hg

Ртуть - единственный чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Он обладает следующими свойствами:

- легко испаряется даже при комнатной температуре, и пары ее очень вредны;

- применение паров ртути в газоразрядных приборах обусловлено более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами;

- чистая ртуть и ее соединения относятся к ядовитым веществам;

- в ртути хорошо растворяются щелочные и редкоземельные металлы (магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, серебро, золото);

- слабо растворяются в ртути медь и никель; - не растворяются в ртути железо и титан.

Получают ртуть металлургическим способом, подвергая ее многократной очистке. Завершающей операцией является вакуумная перегонка при температуре примерно 200 °С.

Применяют ртуть в лампах дневного света, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах.

Для получения электрических контактов в радиоэлектронике применяют токопроводящие пасты, клеи, эмали, объединяемые общим названием - контактолы.

Адгезионные свойства таких композиций определяются связующей основой (смолой), а проводимость достигается применением наполнителей (мелкозернистых порошков металлов).

Контактолы обладают следующими свойствами:

- высокая прочность и эластичность; - хорошие антикоррозионные свойства; - низкая плотность; - удельное электрическое сопротивление в 5... 100 раз выше, чем у мягких припоев (удельное электрическое сопротивление r находится в пределах 1 • 10^-2...6 • 10^-4 Ом • см).

В зависимости от типа металлического наполнителя выделяют контактолы, содержащие серебро, никель, палладий, золото, посеребренный никель и др.