Сплавы высокого сопротивления.

Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых значения r в нормальных условиях составляют не менее 0,3 мкОм×м. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств. При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение a_r , а также малая термо-э. д. с. относительно меди. Проводниковые материалы в электронагревательных приборах должны длительно работать на воздухе при температурах порядка 1000°С. Среди большого количества материалов для указанных целей наиболее распространен­ными в практике являются сплавы на медной основе — манганин и константан, а также хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы.

Табл.3.2.1

Сплав	Удельное сопротивление, мкОм×м	Температурный коэффициент удельного сопротивления. ar ×106, °К- 1	Термо-э.д.с. относительно меди, мкВ/К	Предельная рабочая температура, °С
Манганин (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni)	0.42-0.48	5-30	1-2	100-200
Константан (60% Cu, 40% Ni)	0.48-0.52	-(5-25)	40-50	450-500
Хромоникелевые сплавы Х15Н60 (55 –61% Ni, 15-18% Cr, 1,5% Mn, остальное -Fe)	1.0-1.2	100-200	-
X20H80 (76-78% Ni, 20-23% Cr, 1,5% Mn, остальное - Fe)	1.0-1.1	100-200	-

Манганин — основной сплав на медной основе для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов; состав и свойства его приведены в табл. 3.2.1 Манганин отличается желтоватым оттенком, хорошо вытягивается в тонкую проволоку до диаметра 0,02 мм. Из манганина изготавливают также ленту толщиной 0,01—1 мм и шириной 10—300 мм.

Для получения малого a_r и высокой стабильности сопротивления во времени манганин подвергают специальной термической обработке — отжигу при 350—550°С в вакууме с последующим медленным охлаждением и дополнительной длительной выдержкой при комнатной температуре. Зависимости r и a_r манганина от температуры приведены на рис. 3.2.113.

Константан — сплав меди и ни­келя (табл. 3.2.1). Содержание никеля в сплаве примерно соответствует максимуму r и минимуму a_r для сплавов Си-—Ni (см. рис. 2.9). Константан Константан хорошо

поддается обработке; его можно протягивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и из манганина. Значение a_r константана близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак.

Константан применяют для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400—450°С.

При нагреве до достаточно высокой температуры на поверхности константана образуется пленка окисла, которая обладает электроизоляционными свойствами (оксидная изоляция). Покрытую такой изоляцией константановую проволоку можно наматывать плотно, виток к витку, без особой изоляции изоляции между витками, если только напряжение между соседними витками не превышает 1 В. Таким образом, например, изготавливают реостаты. Для окисления константановой проволоки, дающей достаточно гибкую и прочную пленку окисла, требуется быстрый (не более 3 с) нагрев проволоки до температуры 900 °С с последующим охлаждением на воздухе.

Константан в паре с медью или железом приобретает большую термомо-э. д. с. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах.; Зза счет разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термо-э. д. с., которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах.

Константан с успехом применяют для изготовления термопар, кото­рые служат для измерения температуры, если последняя не превышает нескольких сотен градусов.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) (табл. 3.2.1) используют для изготовления нагревательных элементов электричес­ких печей, плиток, паяльников и т. д. Из этих сплавов изготавливают проволоку диаметром 0,02 мм и более и ленту сечением 0,1 ´ 1,0 мм и более. Зависимость удельного сопротивления от температуры для хромоникелевого сплава показана на рис. 3.19.

Высокую жаростойкость нихрома (см. табл. 3.2.1) можно объяснить значительной стойкостью этого сплава к прогрессирующему окислению на воздухе при высоких температурах.

Скорость окисления металлов в значительной степени зависит от свойств образующегося окисла. Если окисел летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, окислы вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут эксплуатироваться в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же окисел металла нелетуч, то он образует слой на поверхности металла.

Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре на воздухе объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения сплавов и их окисных пленок. Поэтому оксидные плёнкипоследние не растрескиваются и не отделяются от проволоки при ее нагревании и расширении. Однако хотя температурные коэффициенты расширения сплава и окислов хрома и никеля близки, они не одинаковы. Вследствие этого при резких изменениях температуры может происходить растрескивание слоя окислов; при последующем нагреве кислород проникает в трещины и производит дополнительное окисле­ние сплава. Следовательно, при многократном кратковременном включении электронагревательный элемент из хромоникелевого сплава может перегореть скорее, чем в случае непрерывного режима нагрева (температура нагрева одна и та же в обоих сравниваемых случаях, а срок службы может отличаться в 20—30 раз).

Срок службы нагревательных элементов можно увеличить, если заделать спирали в твердую инертную среду типа глины-шамота, предохраняющую их от механических воздействий и затрудняющую доступ кислорода.

Длительность жизни хромоникелевых сплавов характеризует рис. 3.2.214.

Окисные пленки на поверхности нихрома имеют небольшие и стабильные в широком интервале температур контактные сопротивления даже при малых контактных усилиях. Благода­ря этому тонкая пластичная нихромовая проволока используется для изготовления миниатюрных высокоомных переменных резисторов с хорошими техническими характеристиками.

Тонкие пленки из нихрома Х20Н80, получаемые методом термического испарения и конденсации в вакууме, широко применяются для изготовления тонкопленочных резисторов, в частности, резисторов интегральных микросхем. Химический состав пленок может заметно отличаться от состава исходного испаряемого сплава, что обусловлено значительными различиями в давлениях паров никеля и хрома при температурах испарения. Поэтому состав конденсата зависит от многих технологических факторов: скорости осаждения, температуры и материала подложки, давления остаточных паров в камере и др.

Обычно применяют тонкие нихромовые пленки с поверхностным сопротивлением R□ = 50 - 300 Ом и температурным коэффициентом сопротивления a_R, изменяющимся в пределах от -3×10^-4 до +2×10^-4 °К ^-1. Такие пленки обладают достаточно хорошей адгезией к диэлектрическим подложкам и высокой стабильностью свойств.