Материалы для термопар

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

Материалы для термопар выбирают по следующим характерис­тикам:

- допустимая рабочая температура спая Т_сп;

- удельный коэффициент электрического сопротивления r;

- температурный коэффициент удельного электрического сопро­тивления ТКr;

- коэффициент термоЭДС.

Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы, при­веденные в табл. 8.

Таблица 8. Характеристика сплавов для изготовления термопар

Термопары могут применяться для измерения следующих темпе­ратур: до 350°С - медь-константан, медь-копель; до 600°С - желе-зо-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.

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СПЛАВЫ РАЗЛИЧНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Проводниковые материалы и сплавы различного применения используются в качестве специальных проводниковых материалов с особыми свойствами, например магнитными, или материалов, обладающих высокой тугоплавкостью или химической стойкостью.

1. Благородные металлы

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

Основные свойства благородных металлов приведены в табл. 9.

Таблица 9. Основные свойства благородных металлов

Серебро Ag - белый блестящий металл со следующими свойствами:

- самый электропроводный металл (удельное электрическое сопро­тивление при нормальной температуре r= 0,016 мкОм×м);

- имеет высокие механические свойства (предел прочности при ра­стяжении = 200 МПа, относительное удлинение при разрыве примерно 50%), что позволяет промышленно изготавливать про­водники различного диаметра, включая микропровода диаметром 20 мкм и менее;

- при 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;

- образует пленки сернистых соединений с повышенным удельным сопротивлением, что требует защиты серебряных покрытий лака­ми или тонким слоем более стойкого металла, например палладия;

- остродефицитный материал.

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 - 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 примерно 150 МПа, относительное удлинение при разрыве 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.

Палладий Pd - белый пластичный металл, по многим свойствам близкий к платине, в ряде случаев служит его замените­лем. В отожженном состоянии имеет предел прочности на растяжение = 200 МПа при относительном растяжении на разрыв до 40%.

Получают электроды на керамических конденсаторах вжиганием палладиевой пасты наряду с платиновой. Палладий и его спла­вы с серебром и медью применяют в качестве контактных материа­лов. Благодаря высокой проницаемости для водорода его приме­няют в электровакуумной технике для очистки водорода.

Золото Аu - металл желтого цвета со следующими свой­ствами:

имеет высокую пластичность (относительное удлинение при раз­рыве 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.

2. Тугоплавкие металлы

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. Основные свойства некоторых тугоп­лавких металлов приведены в табл. 10.

Таблица 10. Основные свойства тугоплавких металлов

Вольфрам W - 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;

- сравнительно дорогостоящ, с трудом обрабатывается и поэто­му применяется только там, где его нельзя заменить.

Он получается из вольфрамитовой руды в результате сложной технологической обработки.

Сравнительно толстые вольфрамовые изделия с мелкокристал­лической структурой хрупкие вследствие высокой прочнос­ти отдельно взятых кристаллов при очень слабом их сцеплении меж­ду собой.

Волокнистая структура металла, создаваемая ковкой и волоче­нием, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых менее 10 мкм.

Применение вольфрама для изготовления нитей ламп на­каливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н.Лодыгиным в 1890 г. Это свойство используют при изготовле­нии термически согласованных спаев вольфрама с тугоплавкими стеклами. 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 металлокера-мические материалы на основе порошка вольфрама.

Молибден Мо - 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.

Получают молибден из руды молибденита Mo₂S по примерно такой же технологии, как и вольфрам.

Структура кованого и тянутого молибдена сходна со структу­рой образца вольфрама. Однако отожженный мелкозернистый мо­либден обладает хорошей пластичностью и его механическая обра­ботка не вызывает особых затруднений.

Молибден применяют для изготовления анодов и сеток генера­торных ламп, крючков для поддерживания вольфрамовых нитей, теплоотводов в корпусах мощных ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов, в качестве разрывных электрических контактов, в паре с вольфрамом для изготовления термопар, рассчитанных на измере­ния температур до 2000 °С в инертных средах и вакууме.

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.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Требования к электротехническим материалам?

2. Указать отличие проводников I и II рода?

3. Что такое сплавы металлов?

4. Классификация и технические характеристики сплавов?

5. Классификация проводниковых материалов по области применения?

6. Показатели прочности цветных металлов и их сплавов?

7. Показатели пластичности материалов из цветных металлов?

8. Механические испытания цветных металлов на твердость?

9. Дать классификацию веществ по электрическим свойствам?

10. Указать назначение и дать краткую характеристику припоям?

11. Классификация материалов по назначению и электрическим свойствам.

12. Классификация проводниковых материалов.

13. Механические свойства проводниковых материалов.

14. Физические процессы обуславливающие электропроводность металлов и её зависимость от внешних факторов.

15. Контактны явления в проводниках

16. Материалы с высокой проводимостью. Медь, алюминий, железо и их сплавы. Натрий, биметалл.

17. Материалы с высоким сопротивлением. Классификация их. Резистивные материалы (константан, манганин, нихром), пленочные материалы и материалы для термопар.