Матеріали електропровідні
Визначення і загальна характеристика
МАТЕРІА́ЛИ ЕЛЕКТРОПОВÍДНІ — матеріали з відносно низьким питомим електричним опором (до 10-6 Ом∙м). Електропровідниками є всі метали та сплави, а також при певних умовах рідини і гази. Якість М. е. визначається характеристиками електропровідності та механічними властивостями. Основні характеристики електропровідності: питома електропровідність або зворотна їй величина, питомий електричний опір і температурний коефіцієнт опору. За механізмом переносу електричного заряду розрізняють електропровідники I-го (з електронним типом провідності; метали та сплави) і II-го (з іонною провідністю; електроліти й іонізовані гази) родів.
За властивостями М. е. класифікують на матеріали високої провідності (Ag, Cu, Al, Fe та ін.); жароміцні метали (W, Mo, Ta та ін.); сплави з високим питомим опором; контактні матеріали; метали та сплави електровакуумної техніки (W, Pd та ін.); припої та флюси; електровугільні вироби тощо. До рідких електропровідників належать Hg при кімнатній т-рі (Тпл = -39 °С), метали в розплавленому стані та електроліти (водні розчини лугів, кислот і солей). Hg використовують у випрямлячах електричного струму, кварцових і люмінесцентних лампах, акумуляторах тощо; розплавлені метали — у магнітогідродинамічних генераторах; електроліти — для проведення електролітичних процесів. Найкращими провідниками є Ag, Cu, Au і Al, яким властива низька механічна міцність (див. Табл. 1).
Табл. 1. Електричні та механічні властивості металів
| Метал | Електричні властивості | Механічні властивості при випробуванні на розтяг | Густина, т/м3 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Питомий опір, мкОм⋅м | Температурний коефіцієнт опору, 10-3, град-1 | Межа міцності, МПа | Відносне подовження, % | ||
| Срібло (Ag) | 0,016 | 4,0 | 100–200 | 40–50 | 10,5 |
| Мідь (Cu) | 0,017 | 4,3 | 220–240 | 60 | 8,94 |
| Золото (Au) | 0,024 | 3,8 | 100–140 | 30–50 | 19,3 |
| Алюміній (Al) | 0,028 | 4,2 | 50–80 | 30–45 | 2,7 |
| Берилій (Be) | 0,04 | 6,0 | 200–550 | 0,2–2 | 1,83 |
| Магній (Mg) | 0,045 | 4,2 | 120–200 | 8–12 | 1,74 |
| Натрій (Na) | 0,046 | 5,0 | – | – | 0,97 |
| Вольфрам (W) | 0,055 | 4,6 | 110–415 | – | 19,8 |
| Молібден (Mo) | 0,057 | 4,6 | 310–570 | 2–55 | 10,2 |
| Цинк (Zn) | 0,059 | 4,0 | – | – | 7,14 |
| Кобальт (Co) | 0,062 | 6,0 | 260–500 | 5–50 | 8,71 |
| Нікель (Ni) | 0,073 | 6,5 | 400–600 | 30–50 | 8,9 |
| Залізо (Fe) | 0,098 | 6,0 | 330 | 33 | 7,87 |
| Платина (Pt) | 0,105 | 3,9 | 150 | 30–35 | 21,4 |
| Олово (Sn) | 0,120 | 4,4 | 10–40 | 40 | 7,31 |
| Хром (Cr) | 0,128 | – | – | – | 7,19 |
| Свинець (Pb) | 0,207 | 3,7 | 12–13 | 55 | 11,4 |
| Галій (Ga) | 0,560 | – | – | – | 5,91 |
| Ртуть (Hg) | 0,958 | 0,9 | – | – | 13,55 |
Благородні метали мають обмежене застосування, їх наносять тонким шаром на контактні поверхні з метою підвищення електричної провідності та стійкості до корозії. Найбільшого поширення набули метали Cu, Al і Fe. У міжнародній технічній документації електропровідність матеріалів часто зазначають у відсотках IACS (International Annealed Cop-per Standard), згідно з якою за 100 % прийнято електропровідність дроту з чистої Cu діаметром 2 мм при 20 °С після відпалу при 500 °С протягом 30 хв. (58 МС/м). Використовують здебільшого Cu чистотою 99,98–99,999 % (ДСТУ ГОСТ 859-2003, європейська норма EN 1982:99), з якої виробляють струмопровідні жили проводів і кабелів, деталі радіоапаратури, дріт, листи, тонку фольгу та ін. Cu постачають переважно у вигляді холодно- або гарячедеформованого прокату у твердому, напівтвердому, мʼякому (відпаленому) та порошковому станах.
Сплави металів Cu і Sn (бронзи) мають кращі механічні властивості, ніж Cu та сплави Cu–Zn (латуні). Al порівняно з Cu у 3,5 раза легший і має питомий опір у 1,6 раза більший, але він поширеніший у природі та має меншу вартість.
За хімічним складом і способом виготовлення, розрізняють Al первинний (ДСТУ ГОСТ 11069:2003, європейський аналог EN 573-3), технічний і той, що використовують для розкислення. Для проводів повітряних ліній з великим натягом і навантаженням застосовують алюмінієвий сплав, легований Mg, Si, Fe (альдрей), який за механічною міцністю приблизно дорівнює Cu, а за легкістю — Al. Технічно чисте Fe (із вмістом домішок до 0,1 % мас., зокрема й С до 0,02 %) і мʼяку сталь (0,1–0,15 % С) використовують для виготовлення сердечників електромагнітів, якорів електричних машин тощо. Широко застосовують біметали, ідея створення яких ґрунтується на скін-ефекті, згідно з яким щільність змінного струму знижується у напрямку до середини провідника. Тому, напр., у високочастотних провідниках центральну частину провідника виготовляють із дешевшого (і більш міцнішого) металу з гіршими електричними характеристиками (біметалічний дріт Cu–Fe, Cu зовні; Cu–Ag, Ag зовні). Для виготовлення захисних оболонок у кабельній продукції, плавких запобіжників використовують Pb і його сплави, однак з огляду на його високу токсичність цей метал поступово витісняє поліхлорвініл. В електронній і вакуумній техніці використовують тугоплавкі метали та їхні сплави (W–Mo, Mo–Re, W–Re, Ta–Nb та ін.), для яких характерна висока температура плавлення (до 3000 °С). Недавні відкриття нових властивостей М. е. — кріопровідність, надпровідність та наноструктурні ефекти — сприяли для розвитку ідей і технологічних досягнень вакуумної та твердотіл. електроніки. Сплави з великим питомим електроопором на основі Cu та Mn, Ni, Cr, Al використовують в електровимірювальних і електронагрівальних приладах, реостатах, резисторах тощо. (див. Табл. 2).
Табл. 2. Склад (% мас.) та властивості сплавів високого опору
| Матеріал (марка) | Оптимальна робоча температура, °C | Електричні властивості | Механічні властивості при випробуванні на розтяг | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Питомий опір, мкОм⋅м | Температурний коефіцієнт опору, 10-3, град-1 | Межа міцності, МПа | Відносне подовження, % | ||
| Фехралі: | |||||
| 13Cr–4Al–0,6Ni–Fe (Х13Ю4) | 750 | 1,26 | 15 | 700 | 10–20 |
| 17Cr–5Al–0,6Ni–Fe (Х17Ю5) | 950 | 1,30 | 6 | 700 | 10–20 |
| Хромалі: | |||||
| 23Cr–5Al–0,6Ni–0,6Mn–Fe (Х23Ю5Т) | 1100 | 1,29–1,45 | 6,5 | 660 | 14 |
| 27Cr–5Al–0,6Ni–Fe (Х27Ю5Т) | 1250 | 1,37–1,47 | 5 | 660 | 15 |
| Ніхром (фероніхром): | |||||
| 27Cr–0,6Ni–1,5Mn–Fe (Х15Н60) | 950 | 1,1–1,2 | 10-20 | 670 | 20 |
На основі Fe і Ni створено сплави (інвар, ковар, платиніт) з таким коефіцієнтом лінійного температурного розширення, що дозволяє отримувати суміщені зі склом металеві вироби та спаї зі склом. Як розривні контакти застосовують металокерамічні композити, які отримують переважно за допомогою методів порошкової металургії. Найчастіше паяють метали за допомогою припоїв на основі сплавів Cu–Zn, Ag, Sn–Pb та Bi–Sn–Cd і флюсів, що розчиняють оксиди та покращують умови паяння.
Матеріали на основі С (електровугільні вироби) є неметалевими провідниками. Графіт входить до матеріалу електричних щіток для колекторів електромашин, електродів у гальванічних елементах, високоомних резисторів тощо. Властивість вугільного порошку змінювати свій питомий електричний опір залежно від тиску використовують у мікрофонах (під дією звукових коливань порошок змінює свій опір, що створює коливання струму в електричному ланцюзі). Нині з графіт-керамічних композиційних матеріалів виготовляють значну кількість електронагрівальних елементів з рівномірно розподіленим тепловиділенням у широкому діапазоні робочих т-р (до 1000 °C) та можливістю гнучкого варіювання потужності приладів для забезпечення необхідних температур робочих рідин гідросистем, електронної апаратури тощо.
Відкриття наприкінці 20 ст. нових молекулярних форм вуглецю — фулеренів і фулереноподібних індивідуальних речовин (вуглецеві нанотрубки та ін.) — обумовило розвиток нових перспективних напрямів його застосування. Залежно від тонких особливостей молекулярної симетрії фулерени та нанотрубки можуть бути діелектриками, напівпровідниками, мати метал. провідність і високотемпературну надпровідність. Ці властивості в поєднанні з наномасштабною геометрією роблять їх майже ідеальними та певною мірою унікальними матеріалами для виготовлення електричних проводів, надпровідних зʼєднань або цілих пристроїв, які нині досить часто називають виробами молекулярної електроніки.
Фулерени можуть використовувати під час створення засобів молекулярної оптоелектроніки для надшвидкої оптоволоконної передачі інформації, у дисплеях з польовою емісією, високоміцних композиційних матеріалах, електронних пристроях зі схемами з коротких нанотрубок. Молекулярний характер фулеренових матеріалів дозволяє розробити хімічну стратегію збирання цих елементів і зробити їх придатними у майбутньому для використання у молекулярних електронних пристроях. Значне зацікавлення матеріалознавці виявляють до нового класу полімерів — електропровідних полімерів, що є композиціями на основі різних полімерів (термо- і реактопласти) і електропровідних наповнювачів (сажа, графіт, вуглецеві, метал. та металізов. волокна, металева пудра). Їх застосовують в антистатичних виробах, електромагнітних захисних покриттях, високоомних резисторах, електричних неметалевих нагрівачах і струмопровідних лаках.
Значний внесок у дослідження властивостей М. е. зробили й українські науковці. У радянський період АН УРСР була провідним центром у цій галузі матеріалознавства. З ініціативи Є. Патона були розгорнуті комплексні дослідження електродних матеріалів, металознавства зварювальних зʼєднань та фізики дугового розряду. Їх пізніше продовжили українські науковці під керівництвом Б. Патона. Н. Моргуліс обґрунтував першу квантово-механічну теорію поверхневої іонізації для вивчення властивостей металоплівкових катодів; представники наукових шкіл Г. Курдюмова, В. Гриднєва, І. Францевича та В. Трефілова заклали фізичні основи фазових перетворень, електронної теорії та електрон.ної структури твердих тіл, теоретичних проблем жароміцності, жаростійкості й ерозійної стійкості електротехнічних, радіотехнічних та ін. видів матеріалів.
Рекомендована література
Завантажити статтю
