Неметаллические проводниковые материалы кратко

Обновлено: 04.07.2024

Проводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является высокая электропроводность. Их удельное сопротивление при нормальной температуре лежит в пределах от 0,036 до 300 мкОм·м. Эти материалы используют для изготовления токоведущих частей электроустановок. Чаще всего в качестве проводников электрического тока используют твердые тела, реже жидкости и газы в ионизированном состоянии.

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Основные свойства металлов приведены в табл 3.3.

Классификация металлических проводников. Металлические проводниковые материалы подразделяются на следующие основные группы:

Металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, Металлы высокой проводимости используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Сверхпроводники – это материалы (чистые металлы и сплавы), удельное сопротивление которых при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю скачком уменьшается до ничтожно малой величины.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) – это проводники, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 30К.

Криопроводники – это металлические проводники высокой проводимости, удельное сопротивление которых плавно снижается при понижении температуры и при криогенных температурах (Т 0 С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.

Сплавы высокого сопротивления с ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм ּ м. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Металлы и сплавы различного назначения. К ним относятся тугоплавкие и легкоплавкие металлы, а также металлы и сплавы для контактов электрических аппаратов.

Классификация неметаллических проводников. К неметаллическим твердым проводникам относятся:

Угольные материалы - это материалы на основе углерода. Из углеродных материалов изготавливают щетки электрических машин, токосъемные вставки для токоприемников электровозов, электроды для прожекторов и дуговых электрических печей. Угольный порошок применяют в микрофонах.

Композиционные проводящие материалы – это искусственные материалы с электронным характером электрической проводимости, состоящие из проводящей фазы, связующего вещества и заполнителей с высокими диэлектрическими свойствами.

Классификация жидких и газообразных проводников. К жидким проводникам относятся:

Расплавленные металлы. В качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре может быть использована только ртуть (Hg), температура плавления которой около минус 39 °С. Другие металлы могут быть жидкими проводниками только при повышенных температурах, превышающих их температуру плавления.

Электролиты или проводники второго рода - это растворы кислот, щелочей и солей. Электропроводность в электролитах носит ионный характер, так как электрический ток в них обусловлен направленным движением анионов и катионов. Процесс прохождения электрического тока через электролит называют электролизом. В соответствии с законами Фарадея, при прохождении тока через электролиты вместе с переносом электрических зарядов происходит перенос ионов электролита, т. е. ионов проводящего вещества, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

К газообразным проводникам относятся: все газы и пары, в том числе и пары металлов. При низких напряженностях электрического поля газы являются хорошими диэлектриками. Если же напряженность электрического поля превзойдет некоторое критическое значение, при котором начинается ударная ионизация, то в этом случае газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов в единице объема числу положительных ионов представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Газы и пары металлов в качестве проводников используются в газоразрядных лампах освещения. Среди газоразрядных источников оптического излучения наиболее распространены лампы, в которых используется разряд в парах ртути. Это люминесцентные лампы низкого давления (до 0,03МПа) и дуговые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления (0,03-3МПа).

Рассмотрим подробнее механизмы проводимости и основные свойства металлических проводников, наиболее широко применяемых в технике. Они являются основным видом проводниковых материалов в электро- и радиотехнике.

Электропроводность металлов. Твердый металлический проводник представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами находятся свободные электроны, которые образуют так называемый электронный газ. Электронный газ и положительные ионы металла, взаимодействуя между собой, образуют прочную металлическую связь. При отсутствии электрического поля свободные электроны, находятся в состоянии хаотического теплового движения, сталкиваясь с колеблющимися атомами кристаллической решетки.

Для электронного газа, как и для обычных газов, используют законы статистики. Рассмотрим основные положения этих законов. Среднее расстояние, проходимое электронами между двумя столкновениями с узлами решетки, называют длиной свободного пробега . Средний промежуток времени между двумя столкновениями называют временем свободного пробега, которое определяют как:

где - средняя скорость теплового движения свободных электронов в металле. При Т=300К средняя скорость =30 5 м/с =300км/с.

Скорости хаотического теплового движения электронов (при определенной температуре) для различных металлов примерно одинаковы. Примерно одинаковы и концентрации свободных электронов n в разных металлах. Поэтому значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит лишь от средней длины свободного пробега электронов λ в данном проводнике. Эта длина в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Поэтому все чистые металлы с идеальной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси же, искажая кристаллическую решетку, приводят к увеличению ρ.

Если в проводнике существует электрическое поле Е=const, то со стороны этого поля на электроны действует сила . Под действием этой силы электроны приобретают ускорение , пропорциональное напряженности электрического поля E, в результате чего возникает направленное движение электронов. Такое направленное движение называют дрейфом электронов. Скорость направленного движения или дрейфа значительно меньше скорости теплового движения. Во время свободного пробега электроны движутся равноускоренно, приобретая к концу свободного пробега максимальную скорость

где - время свободного пробега.

В конце свободного пробега электрон, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, отдает им приобретенную в электрическом поле энергию, и скорость его становится равной нулю. Следовательно, средняя скорость направленного движения электрона будет равна:

где e=3,602·30 -39 Кл – заряд электрона, m=9,3·30 -33 кг – масса электрона.

Направленное движение электронов создает электрический ток, плотность которого согласно классической теории металлов равна:

Здесь n - концентрация свободных электронов в металле, т. е. число свободных электронов в единице объема металла,

- удельная электрическая проводимость металла, которая тем больше, чем больше концентрация n свободных электронов и средняя длина λ их свободного пробега, См/м (Сименс, деленный на метр),

- удельное электрическое сопротивление – величина, обратная удельной электрической проводимости, Ом∙м (Ом, умноженный на метр).

Удельная проводимость γ не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении ее в широких пределах. Уравнение (3.4) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

Если считать, что концентрация свободных электронов равна концентрации атомов, то эти концентрации можно найти по формуле:

где d- плотность вещества,

N_A =6,022·30 23 моль -3 - число Авогадро – число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в единице количества вещества. (моле, равном грамм-атому) ,

A – атомная масса (ранее называлась атомным весом) – масса атома химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Атомная единица массы равна 3/32 массы изотопа углерода с массовым числом 32 (≈3,6605402·30 -24 г).

При движении свободных электронов в металле под действием электрического поля, они приобретают дополнительную кинетическую энергию, которую отдают узлам кристаллической решетки при столкновении с ними. Отданная энергия превращается в тепловую, в результате чего температура металла повышается. Мощность удельных потерь p, выделяющихся в проводнике и нагревающих его, определяют по закону Джоуля-Ленца, который в дифференциальной форме имеет вид:

Отметим, что при температуре, равной 0 0 К скорость теплового движения электронов будет равна нулю. Они не будут сталкиваться с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Длина свободного пробега λ электронов будет равна бесконечности, а удельное сопротивление ρ будет равно нулю (удельная проводимость равна бесконечности). Проводник в этом случае нагреваться не будет.

Двойственная природа электрона, т.е. свойство корпускулярно-волнового дуализма обусловила то обстоятельство, что движущиеся в металлах свободные электроны (электроны проводимости) следует рассматривать и как корпускулярные частицы, и как частицы, обладающие волновыми свойствами. С этой точки зрения движение электронов в металле – это распространение электромагнитной волны в твердом теле. Сопротивление металла возникает в результате рассеяния этой волны на тепловые колебания кристаллической решетки. Согласно представлениям волновой теории удельное сопротивление металлов также связано с длиной свободного пробега электронов . Это соотношение записывается так:

Здесь h – постоянная Планка.

Исходя из волновой природы электронов, также можно придти к выводу, что чистые металлы обладают наименьшим значением удельного сопротивления. Это связано с тем, что рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. В металлическом проводнике длина волны электрона порядка –5нм (нанометр=30 -9 м). Дефекты решетки с размерами меньше чем 5/4нм не вызывают заметного рассеяния электромагнитных волн. Дефекты больших размеров вызывают рассеяние энергии, в результате чего электрическое сопротивление увеличивается. В идеальных кристаллах при Т=0 0 К электромагнитные волны должны распространяться без рассеяния и удельное сопротивление ρ должно быть равно нулю. Это значит, что в идеальном кристалле при Е=0К длина свободного пробега электронов стремится к бесконечности. Подтверждением этого положения является тот факт, что сопротивление чистых отожженных металлов стремится к нулю, когда термодинамическая температура приближается к абсолютному нулю. Рассеяние энергии, приводящее к появлению сопротивления, возникает в тех случаях, когда в решетке имеются различные виды нарушения ее правильного строения. Любые неоднородности структуры препятствуют распространению электронных волн и вызывают рост удельного сопротивления материала.

Основные свойства металлических проводников:К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: 3) удельная проводимость γ или обратная ей величина - удельное сопротивление ρ, 2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или α_ρ, З) коэффициент теплопроводности λ_Т (ранее его обозначали γ_T), 4) удельная теплоемкость с; 5) удельная теплота плавления r_T ;6) температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР; 7) работа выхода электронов из металла А, 8) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила e_T (термо-ЭДС.), 9) предел прочности при растяжении σ_ρ и относительное удлинение при разрыве Δl/l.

Связь плотности тока δ, (А/м²), и напряженности электрического поля Е (В/м), в металлическом проводнике, как уже было показано выше, дается известной формулой (3.4) δ = γE, называемой дифференциальной формой закона Ома.

Для проводника, имеющего сопротивление R длину l и постоянное поперечное сечением S, удельное сопротивление ρ вычисляют по формуле

ρ = RS/l. (3.8)

Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом·мм²/м. Связь между названными единицами удельного сопротивления такая:

3 Ом·м = мкОм·м = Ом·мм²/м, т.е. 3Ом·мм 2 /м=3мкОм·м.

Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,036 для серебра и примерно до 3,4 мкОм·м для железохромо-алюминиевых сплавов.

Сопротивление проводника зависит от частоты протекающего по нему тока. Известно, что на высоких частотах плотность тока изменяется по сечению проводника. Она максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения вглубь проводника. Происходит вытеснение тока к поверхности проводника. Это явление называют поверхностным эффектом. Он тем сильнее, чем выше частота. Поскольку площадь сечения, через которое протекает ток уменьшилась, то сопротивление провода переменному току стало больше, чем его сопротивление постоянному току. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в е=2,72 раза .по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Наряду с металлами и металлическими сплавами в качестве резистивных, контактных и токопроводящих элементов достаточно широко используются проводящие модификации углерода, некоторые окислы и различные композиционные материалы. Как правило, все они используются для каких-либо специальных целей.

► Углеродистые материалы

В качестве ЭТМ используется графит – одна из модификаций чистого углерода. Графит обладает малым удельным сопротивлением, хорошей теплопроводностью, стойкостью ко многим химически агрессивным средам, высокой нагревостойкостью, легкостью механической обработки. Наиболее часто используются природный графит и пиролитический углерод.

Природный графит представляет собой крупнокристаллический материал с очень высокой температурой плавления (порядка 3900 o С). При свободном доступе кислорода и высокой температуре он окисляется, образуя CO и СО₂. Графит используется в полупроводниковых технологиях для изготовления различных нагревателей, тиглей, кассет и т.п. В вакууме или защитных газовых средах изделия из графита могут эксплуатироваться при температурах до 2500 o С.

Пиролитический углерод получают путем термического разложения паров углеводородов (как правило, метанового ряда) в вакууме или в среде инертного газа (эта процедура называется пиролиз). Пленки пиролитического углерода используются для получения линейных резисторов поверхностного типа.

► Композиционные проводящие материалы

Они представляют собой механическую смесь проводящего наполнителя с диэлектрической связкой. Электрические свойства композитов зависят от состава и характера распределения компонентов. В качестве компонентов проводящей фазы используются металлы, графит, сажа, а роль связующего вещества выполняют как органические, так и неорганические диэлектрики.

Наиболее распространенными композитами являются контактолы и керметы.

Контактолы используются в качестве токопроводящих клеев, покрытий и эмалей. Они представляют собой маловязкие или пастообразные полимерные композиции. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы (эпоксидные, кремнийорганические и т.п.), а токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля и др.). Вязкость контактолов регулируется добавлением растворителей, например, ацетона.

Контакт между частицами металла в композиции создается благодаря внутренним напряжениям, возникающим при отверждении в результате усадки из-за улетучивания растворителя и полимеризации связующего вещества. Эти внутренние напряжения приводят к появлению контактного давления между частицами наполнителя и резкому уменьшению контактных сопротивлений.

Контактолы используются для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов на диэлектриках и т.д.

Керметами называются металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим. Они используются для изготовления тонкопленочных резисторов с достаточно широким диапазоном удельного сопротивления. Наибольшее распространение получила композиция Cr – SiO, тонкие пленки которой изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последующей термообработкой для стабилизации свойств.

Проверьте себя! В приложении А приведен кроссворд № 1, составленный по материалам 1 и 2 разделов. После изучения данного раздела Вы можете ответить на вопросы №№ 2, 4, 7 – 14, 16 – 24, 26 – 29, 31, 32, 34, 35.

Кроме металлов и металлических сплавов в качестве токопроводящих, контактных и резистивных материалов широко используют углеродные проводники, различные электропроводящие композиции, а также электропроводящие оксиды.

Углеродиспользуют в проводниковых целях в виде электротехнического угля, электрографита, пиролитического углерода, фуллеренов, углеродных нанотрубок, плёнок графенов, а также в составе композиционных проводниковых материалов.

Электротехнический уголь получают путём измельчения углеродистого сырья (кокс, природный графит, сажа, антрацит) в порошок, смешения его со связующими веществами, формования и обжига; это прочный и твёрдый аморфный материал, содержащий мелкие кристаллики углерода. Электрографит получают дальнейшим обжигом электротехнического угля при температуре свыше 2700 °С. Под действием высокой температуры выжигаются все загрязнения, из первоначальных мелких кристалликов образуются большие группы в форме чешуек, существенно возрастают электро- и теплопроводность, материал становится мягче, возрастает химическая стойкость. Для увеличения электропроводности в электроуголь и электрографит добавляют медь, для уменьшения коэффициента трения – различные смазочные материалы.

Пиролитический углерод получают путём нагрева паров углеводородов в вакууме или инертном газе, при их разложении углерод плотной плёнкой оседает на подложку. По такой технологии изготавливают постоянные и переменные угольные резисторы.

Фуллерены(получены в 1990 г., Нобелевская премия 1996 г.) представляют собой сферические и эллипсоидные структуры с толщиной стенки в один атом углерода. Наиболее изучен фуллерен C₆₀, представляющий собой полый шар, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников (см. футбольный мяч). Углеродные нанотрубки также имеют стенки толщиной в один слой атомов углерода, у них могут быть открытые и закрытые концы, они могут ветвиться, а также образовывать кольца. Углеродная плёнка графен (получен в 2004 г., Нобелевская премия 2010 г.) толщиной в один атом также является проводником.

Область применения углеродных проводников – щётки электрических машин, скользящие токосъёмники и другие контактные детали, от которых требуется несхватываемость с застывающим расплавленным металлом, а также электроды мощных осветительных ламп, гальванических ванн и химических источников тока. Фуллерены, нанотрубки и однослойные графены применяются в качестве проводниковых материалов наноэлектроники.

Электропроводящие композиции представляют собой смеси мелких кристалликов, скреплённых между собой неорганической или органической связкой; их электрические свойства зависят от состава. Особенностями всех композиционных материалов является зависимость электропроводности от частоты. В ряде случаев заметно выражена нелинейность – непропорциональность между током и напряжением. В качестве компонентов проводящей фазы используют металлы, графит, сажу, некоторые оксиды и карбиды.

Керметами называют металлокерамические композиции, в которых мелкие кристаллики керамики связаны между собой металлом; примером такой композиции может служить уже рассмотренный сплав альдрей (см. подразд. 2.4). При изготовлении силовых контактов широкое применение нашла композиция Ag+CdO с содержанием оксида кадмия 12–20 % по массе. Керметы применяют для изготовления тонкоплёночных резисторов. Достоинством керметных плёнок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. В толстоплёночных интегральных микросхемах используют резисторы, получаемые на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок с зёрнами 3–5 мкм, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление плёнок зависит от процентного содержания проводящих компонентов, а также от режима спекания.

Контактолы представляют собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции. Токопроводящим наполнителем контактолов являются мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля, палладия, золота, рутения). В качестве связующего вещества используют различные синтетические смолы (фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные, и др.). Необходимая вязкость контактолов перед их нанесением на поверхность обеспечивается введением растворителей (ацетон, спирт и т. п.).

Контактолы используют в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей для получения электрических соединений между металлами, а также для контактов металлов с полупроводниками, создания электродов на диэлектриках, экранирования помещений и приборов от помех, для токопроводящих коммуникаций на диэлектрических подложках, в гибких волноводах и других изделиях электронной промышленности.

Из токопроводящих паст методом экструзии изготавливают толстоплёночные резисторы переменного сопротивления, а также подстроечные резисторы.

Электропроводящие оксиды можно использовать в качестве контактных и резистивных слоёв. Наибольший практический интерес в этом плане представляет диоксид олова SnO₂, в радиоэлектронике он используется преимущественно в виде тонких плёнок. Такие плёнки получают различными способами: термическим вакуумным испарением и конденсацией с последующим отжигом на воздухе, окислением плёнок металлического олова, осажденного на диэлектрическую подложку, реактивным катодным или ионно-плазменным распылением и другими методами.

Тонкие плёнки диоксида олова SnO₂ обладают ценным оптическим свойством – высокой прозрачностью в видимой и инфракрасной частях спектра. Повышенная электрическая проводимость позволяет применять их в качестве прозрачных электропроводящих слоёв электролюминесцентных конденсаторов и жидкокристаллических индикаторов, а также в качестве электропроводящих покрытий внутренних стенок стеклянных баллонов некоторых электровакуумных приборов – кинескопов, передающих телевизионных трубок, преобразователей и усилителей изображения и др. Плёнки оксида индия In₂О₃ находят аналогичное применение, однако только в устройствах, работающих в видимой части спектра.

Наряду с металлами и металлическими сплавами в качестве резистивных, контактных и токопроводящих элементов достаточно широко используются различные композиционные материалы, некоторые окислы и проводящие модификации углерода. Как правило, эти материалы имеют узкоспециализированное назначение.

Углеродистые материалы. Среди твердых неметаллических проводников наиболее широкое применение в электротехнике получил графит – одна из аллотропных форм чистого углерода. Наряду с малым удельным сопротивлением ценными свойствами графита являются значительная теплопроводность, стойкость ко многим химически агрессивным средам, высокая нагре-востойкость, легкость механической обработки. Для производства электроугольных изделий используют природный графит, антрацит и пиролитический углерод.

Природный графит представляет собой крупнокристаллический материал с очень высокой температурой плавления (порядка 3900°С). При свободном доступе кислорода и высокой температуре он окисляется, образуя газообразные окислы СО и СО2.

Пиролитический углерод получают путем термического разложения паров углеводородов в вакууме или в среде инертного газа (пиролиз). В качестве веществ, подвергаемых пиролизу, обычно выбирают соединения метанового ряда. Для получения плотной структуры необходима температура пиролиза не менее 900°С. Пленки пиролитического углерода широко применяются для получения линейных резисторов поверхностного типа.

Мелкодисперсной разновидностью углерода является сажа, ее получают как продукт неполного сгорания, или термического разложения углеродсодержащих веществ. Будучи введенными в связующее вещество, сажи проявляют склонность к структурообразованиям.

Производство большинства угольных изделий заключается в измельчении углеродистого сырья в порошок, смешении его со связующими веществами, формовании и обжиге, после которого изделия приобретают достаточную механическую прочность и твердость, допускают механическую обработку.

Графит широко используется в технологии полупроводниковых материалов для изготовления разного рода нагревателей и экранов, лодочек, тиглей, кассет и т.п. В вакууме, или защитных газовых средах, изделия из графита могут эксплуатироваться при температурах до 2500°С.

Особую модификацию графита представляет стеклоуглерод, получаемый полимеризацией органических полимерных смол типа бакелита, проводимой в атмосфере нейтральных газов в течение длительного времени. Изготавливаемые изделия имеют блестящую поверхность, стеклоподобный вид и раковистый излом. Стеклоуглерод отличается от обычного графита повышенной химической стойкостью.

Композиционные проводящие материалы. Композиционные материалы представляют собой механическую смесь проводящего наполнителя с диэлектрической связкой. Путем изменения состава и характера распределения компонентов можно в достаточно широких пределах управлять электрическими свойствами таких материалов. Особенностью всех композиционных материалов является частотная зависимость проводимости и старение при длительной нагрузке. В ряде случаев заметно выражена нелинейность электрических свойств.

В качестве компонентов проводящей фазы используют металлы, графит, сажу, некоторые окислы и карбиды. Функции связующего вещества могут выполнять как органические, так и неорганические диэлектрики.

Среди многообразия комбинированных проводящих материалов наибольшего внимания заслуживают контактолы и керметы.

Контактолы, используемые в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей, представляют собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции. В качестве связующего вещества в них используют различные синтетические смолы (эпоксидные, фенол-формальдегидные, кремнийорганические и др.), а токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные порошки металлов (серебра, никеля, палладия). Необходимая вязкость Контактолов перед их нанесением на поверхность обеспечивается введением растворителей (ацетон, спирт и т.п.).

Большую роль в формировании контактов между частицами металлов в композиции играют внутренние напряжения, возникающие при отверждении в результате усадки из-за улетучивания растворителя и полимеризации связующего вещества. Внутренние напряжения приводят к появлению контактного давления между частицами наполнителя, что обусловливает резкое уменьшение контактных сопротивлений.

Контактолы используют для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, для создания электродов на диэлектриках, экранирования помещений и приборов от помех, для токопроводящих коммуникаций на диэлектрических подложках, в гибких волноводах и других изделиях электронной промышленности.

Керметами называют металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим. Они предназначены для изготовления тонкопленочных резисторов. Существенным преимуществом керметных пленок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. Наибольшее распространение получила микрокомпозиция Cr – SiO, тонкие пленки которой изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последующей термообработкой для стабилизации свойств. При термообработке за счет взаимодействия компонентов происходит вытеснение окисной прослойки между зернами с образованием фазы Cr3Si. В результате сопротивление изоляционных прослоек между зернами заменяется сопротивлением контактирования.

В толстопленочных микросхемах используют резисторы, получаемые на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок до размера зерен 3-5 мкм, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление пленок зависит от процентного содержания проводящих компонентов и режима спекания.

Проводящие материалы на основе окислов. Подавляющее большинство чистых окислов металлов в нормальных условиях является хорошими диэлектриками. Однако при неполном окислении (при нарушении стехиометрического состава за счет образования кислородных вакансий), а также при введении некоторых примесей проводимость окислов резко повышается. Такие материалы можно использовать в качестве контактных и резистивных слоев. Наибольший практический интерес в этом плане представляет двуокись олова. В радиоэлектронике она используется преимущественно в виде тонких пленок. Такие пленки получают различными способами: термическим вакуумным испарением и конденсацией с последующим отжигом на воздухе, окислением пленок металлического олова, осажденного на диэлектрическую подложку, реактивным катодным или ионно-плазменным распылением и др.

Окисные пленки SnO2 отличаются очень сильным сцеплением с керамической или стеклянной подложкой. Прочность сцепления достигает 20 МПа, что намного больше, чем у металлических пленок. Удельное сопротивление пленок зависит от степени нарушения стехиометрического состава и может составлять 10-5Ом∙м. Нагрев пленок из SnO2 выше 240°С приводит к необратимому изменению сопротивления в результате более полного окисления. Вместе с тем пленки устойчивы ко многим химическим средам – разрушаются только плавиковой кислотой и кипящей щелочью. Тонкие слои двуокиси олова обладают ценным оптическим свойством – высокой прозрачностью в видимой и инфракрасной частях спектра.

Сочетание высокой оптической прозрачности и повышенной электрической проводимости пленок двуокиси олова обусловливает их применение в качестве проводящих покрытий на внутренних стенках стеклянных баллонов электровакуумных приборов, электродов электролюминесцентных конденсаторов и жидкокристаллических индикаторов, передающих телевизионных трубок, преобразователей и усилителей изображения и др.

Кроме двуокиси олова, высокой электрической проводимостью и прозрачностью в видимой области спектра обладают пленки окиси индия In2О3. Они имеют аналогичное применение.

Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов. Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.

Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Неметаллические проводниковые материалы.

Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода (электротехнические угольные изделия, сокращенно электроугольные изделия).

К электроугольным изделиям, применяемым в электротехнике и технике, связи, относятся: электрические щётки для коллекторов электромашин, электроугли, применяемые в лампах и электропечах, электроды - в гальванических элементах, угольные мембраны, угольные порошки. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит или антрацит. Для получения стержневых электродов измельченная масса со связующим, в качестве которого используется каменноугольная смола, а иногда и жидкое стекло, продавливается сквозь мундштук. Изделия более сложной формы изготовляют в соответствующих пресс-формах. Угольные заготовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находиться в изделии. При высоких температурах достигается искусственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.

Электротехнический уголь используют также и в виде порошка, например, при изготовлении микрофонов, а также щеток, широко применяемых в устройстве электрических машин.

Обжиг обычных щеток для электрических машин ведут при температуре около 800 °С; графи тированные щетки нагревают при обжиге до 2200 °С.

Щётки служат для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, т. е. для подвода (или отвода) тока к коллектору или контактным кольцам и, кроме того, осуществляют коммутацию переменной ЭДС, индуктированной в обмотке якоря. При работе на кольцах щетки осуществляют только подвод и отвод тока без коммутации.

Щётки должны иметь малое сопротивление, малый износ и хорошо пришлифовываться к поверхности коллектора. Имеется несколько марок щеток, отличающихся друг от друга составом и технологическим процессом изготовления.

Щётки общего назначения подразделяют на четыре группы:

1. Угольно-графитные щётки (марок Т2, УГ2, Г20, Г21, Г22). Изготовляют из графита с добавлением кокса, сажи и связующих веществ и после термической обработки покрывают тонким слоем меди. Они рассчитаны на номинальную плотность тока от 10 до 22 А/см2, обладают повышенной механической прочностью, твердостью и большой износоустойчивостью.

2. Графитные щётки (марки ГЗ, 611М, 6110М). Делают из графита. Они рассчитаны на номинальную плотность тока 20 А/см2, при работе вызывают незначительный шум.

3. Электрографитированные (марки ЭГ2А, ЭГ2АФ, ЭГ-4, ЭГ-8, ЭГ-14, ЭГ-15, ЭГ-83 и др.). Изготавливают так же, как и угольно-графитные щетки, но после первой термической обработки подвергают графитизации, т. е. отжигу при температуре 2500—2800°С. Они рассчитаны на номинальную плотность тока 20 А/см2, обладают повышенной механической прочностью. Эти щетки, в отличие от угольных и угольно-графитных, применяют в электрических машинах, работающих при больших частотах вращения и толчкообразных изменениях нагрузки, например в тяговых электродвигателях.

4. Металлографитные (марки М 1, М З, М б, М 20, МГ, МГО, МГ2, МГ4, МГС, МГСО, СМ и др.). В электрических машинах низкого напряжения применяют металлографитные щетки.

Угольные электроды термического назначения.

Угольные электроды термического назначения служат:

1) в качестве нагревательных элементов электрических печей, где они выполняют роль резисторов;

2) в качестве проводника электроэнергии к нагревательному элементу, состоящему из угольной крупки в печах сопротивлений.

Электроды применяют в производстве ферросплавов, электростали, карбида кальция, абразивных материалов для шлифования, электролизе алюминия, электросварке.

Угольные электроды, работа которых будет протекать при высоких температурах, обжигаются также при очень высокой температуре, вплоть до 3000 °С. Угольные электроды, как и другие угольные изделия, имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления.

Удельное сопротивление, Ом мм 2 /м:

1.4 Осветительные угли.

Для освещения в качестве электродов вольтовой дуги употребляют специальные сорта углей. Различают угли для постоянного и переменного токов. Положительный электрод для постоянного тока обычно применяют с фитилем, диаметр его больше диаметра отрицательного угля в 1,5-2 раза потому, что накаливается он сильнее. В случае одинаковых диаметров он сгорел бы скорее.

Осветительные угли подразделяются на: прожекторные, кинопроекционные, для постоянного тока, переменного тока, киносъемочные и различных марок. Угли изготовляются в виде стержней диаметром от 5 до 30 мм, длиной от 120 до 450 мм.

1.5 Угли для гальванических элементов.

Эти угли применяют в качестве положительного полюса гальванических элементов в виде пластин в цилиндре различных размеров. Удельное электрическое сопротивление элементарных углей находится в пределах от 50 до 60ом мм 2 /м. Твердость по Шору не ниже 40.

1.6 Угольные аноды для ртутных выпрямителей.

Угольные аноды имеют форму стержней диаметром от 10 до 25 мм. Они характерны малой зольностью (до 0,1%). Для уменьшения зольности аноды подвергают электрографитации, т. е. второму обжигу в электрических печах сопротивлений при температуре 2200-2500° С.

1.7 Угольные регулировочные резисторы.

Угольные регулировочные резисторы составляют из угольных пластин или спиралей, сжимаемых изменяющимся давлением. Так, например, резисторы, состоящие из 25 угольных колец толщиной 0,5 мм при наружном диаметре колец 50 мм и внутреннем 43 мм, дают сопротивление в зависимости от давления (см. табл. №1).

Зависимость сопротивления регулировочного угольного резистора от давления

Давление, кг Сопротивление, Ом

0,1

23,3

0,2

14,3

0,5

7,7

1,0

4,0

5,0

0,96

0,54

0,39

0,33

1.8 Непроволочные резисторы.

Отличаются от проволочных уменьшенными размерами и высоким верхним пределом номинального сопротивления, находят широкое применение в автоматике, измерительной и вычислительной технике и некоторых других областях электротехники. Они должны иметь малую зависимость сопротивления от напряжения и отличаться высокой стабильностью при воздействии температуры и влажности.

В качестве проводящих материалов непроволочных линейных резисторов могут быть использованы природный графит, сажа, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки, а также высокоомные сплавы металлов и другие материалы.

1.9 Угольные контакты.

Изготовляют из смеси: отходы и брак угольных щеток, графит, пеки сода двууглекислая. Угольные контакты выпускают марок Т, Г-1 и серебряно-графитовые.

Угольная крупка изготовляется трех марок, отличающихся друг от друга размером зерен: марка УК-1 имеет размер зерна 0,5/1,5; УК-2 1,4/3,0; УК-3 2,9/6,0.

Применяют в электрических печах в качестве нагревательного элемента. Производят из брака малозольных углей, которые дробят и просеивают через сита.

1.10 Коллоидно-графитовые препараты.

Изготовляют из чистого графита термически обработанного, высокой степени размельчения. Эти препараты наряду с применением в качестве смазок часто используют для уменьшения контактного сопротивления, для создания полупроводящих поверхностей. Примером этому может служить водная паста высокодисперсного графита (аквадаг), которая согласно ГОСТ 5613-50 выпускается четырех марок К-1, К-2, К-3, К-4. Содержание золы нормируется только для марок: К-1 – не более 5%, К-2 – не более 8%.

1.11 Природный графит.

Представляет собой одну из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств.

Рис. Структура графита.

Следует отметить, что чистый углерод в модификации алмаза представляет собой диэлектрик с весьма высоким удельным сопротивлением.

1.12 Сажи.

Представляют собой мелкодисперсный углерод. Лаки, в состав которых в качестве пигмента введена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и могут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения.

1.13 Пиролитический углерод.

Получают путем пиролиза (термического разложения без доступа кислорода) газообразных углеводородов (метан, бензин, гептан) в камере, где находятся керамические или стеклянные основания заготовок для резисторов.

Схема реакции пиролиза углеводородов общего состава С_mH_n:

Особенностью структуры пиролитического углерода является отсутствие строгой периодичности в расположении слоев (в отличие от графита) при сохранении их параллельности.

Бороуглеродистые пленки получаются пиролизом борорганических соединений, например В (С₄Н₉)₃ или В (С₃Н₇)₃. Эти пленки обладают малым температурным коэффициентом удельного сопротивления.

Читайте также: