Свойства материалов высокой проводимости

К материалам высокой проводимости, имеющим широкое промышленное применение, относятся: медь и ее сплавы (бронзы, латуни); алюминий и его сплавы; низкоуглеродистая сталь.

Медь — проводниковый материал промышленного назначения с удельным сопротивлением r ≈ 0,0172 Ом×мм²/м.

По электропроводности она занимает второе место после серебра

(r ≈ 0,016 Ом×мм²/м). Промышленностью производится медь различных марок, например: М00, М0, М2, М3, М4. По механическим свойствам различают медь МТ — твердую неотожженую и медь ММ — мягкую отожженную. Медные заготовки выпускаются в виде слитков, труб, прутков, листов, проволоки и лент. Марки меди, свойства полуфабрикатов и изделий из меди и методы испытаний при приемке регламентируются ГОСТ 859-78. Электропроводность медных заготовок и изделий весьма чувствительна к наличию примесей. В качестве проводников используют материалы с содержанием меди не менее 99,9%.

К недостаткам меди следует отнести малую механическую прочность (малое сопротивление материала к деформации и разрушению), которая к тому же резко снижается при нагревании до температур (100...200) °С, и относительно высокую стоимость.

Наличие кислорода в меди резко ухудшает её механические свойства, поэтому в общем количестве примесей (0,1%) его должно быть не более 0,08%.

Легирование меди оловом, кадмием, бериллием, цинком устраняет указанные недостатки меди с небольшой потерей электропроводности полученных сплавов по отношению к мягкой меди. Влияние примесей Ag (серебра), Cd (кадмия), Zn (цинка), Sn (Олова), Al (алюминия), Be (бериллия), As (мышьяка), Fe (железа), P (фосфора) на электропроводность меди показано на рис.1.2.

Из рис. 1.2 видно, что даже наличие примесей серебра (металла, превосходящего медь по электропроводности) увеличивает электросопротивление медного сплава. Наиболее сильное влияние на электропроводность медного сплава оказывает фосфор.

Бронза — медный сплав, в котором содержание цинка не превышает содержания основных легирующих элементов (олова, алюминия, бериллия, железа, кремния, никеля, марганца и др.). В приборостроении и радиоэлектронике наибольшее распространение получили: бериллиевая бронза Бр.Б2, кадмиевая бронза Бр.Кд1, алюминиевая бронза Бр.АМц 9-2.

В состав бронзы Бр.Б2 входит 2% Ве, 0,35% Ni, остальное — медь. Данный материал обладает рядом свойств, делающим его весьма ценным для приборостроения: бронза Бр.Б2 имеет высокие пределы прочности, упругости, текучести, усталости, высокую циклическую прочность, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость в пресной и морской воде. Она является немагнитным материлом и обладает высокой морозостойкостью.

В состав бронзы Бр.Кд1 входит от 1,2% до 9% Сd, остальное — медь. Кадмиевая бронза Бр.Кд1 обладает высокими электрическими свойствами: удельное сопротивление бронзы Бр.Кд1 r =0,03 Ом×мм²/м. Она обладает высокой сопротивляемостью к истиранию. Нагрев бронзы до 250 °С не изменяет ее механических свойств. Применяется бронза Бр.Кд1 для токоведущих деталей, работающих на механический износ.

В состав бронзы БР.АМц 9-2 входит от 8% до 10% Al, от 1,5% до 2,5% Mn, стальное — медь. Алюминиевая бронза БР.АМц 9-2 может применяться для изготовления литых деталей, так как отличается высокой пластичностью, хорошей обрабатываемостью давлением, коррозийной стойкостью в атмосферных условиях и в морской воде [2].

Латунь — сплав меди с цинком, обладающий более высокой механической прочностью и повышенным значением удельного электрического сопротивления по сравнению с медью. Латуни, например, Л96 (r = 0,031 Ом×мм²/м) содержат от 95% до 97% меди. Они применяются при производстве контактных пластин и других токоведущих деталей [2].

Латуни многокомпонентные или специальные, кроме цинка, содержат добавки алюминия, никеля, железа, марганца, свинца и др. Например, латунь алюминиево-никеле-кремнисто-марганцевая ЛАНКМц 72-2-2,5-0,5-0,5 содержит 73%…76% меди и широко применяется в приборостроении.

Алюминий — металл с малой удельной массой, обладающий высокой электропроводностью и высокой коррозийной стойкостью [1]. Выпускается трех сортов:

а) технической чистоты, в который входят марки от А85 до А0 (содержание от 99,8 до 99,0 % Аl);

б) высокой чистоты, в который входят марки алюминия от А995 до А95 (от 99,995 до 99,95 % Аl);

в) особой чистоты, включающий только одну марку А999 (не менее

99,999% Al).

Удельная проводимость отожженного алюминия марки А999 составляет 62% от удельной проводимости чистой меди.

Сталь проводниковая —сплав железа с углеродом, применяемый в качестве проводников при небольших токовых нагрузках. Проводники изготавливают из сталей марок «Сталь 10», «Сталь 20», которые содержат 0,1% и 0,2% углерода соответственно. Удельное электросопротивление стали всегда выше, чем у чистого железа, так как примеси, как правило, уменьшают электропроводность за счет искажения кристаллической решетки (рис. 1.3) [3].