Материалы высокой проводимости

К этой группе материалов принято относить проводники с удельным электрическим сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м. Наиболее распространенными среди этих материалов являются медь и алюминий.

2.2.1. Медь

Медь Сu – металл красноватого цвета, с высокой температурой плавления (T_пл =1083°С) и рядом технически ценных свойств.

Медь – сравнительно дорогой и дефицитный металл, поэтому требует экономного расходования. Содержание меди в земной коре составляет ~ %; она химически малоактивна. В сухом и влажном воздухе, а также в пресной воде при 20°С медь достаточно устойчива к коррозии; незначительно коррозирует только в морской воде. В сухом воздухе ниже 185°С с кислородом не взаимодействует. При нагревании до 375°С медь окисляется с образованием одноокиси СuО, имеющей черный цвет, а выше 375°С образуется полуокись Сu₂О, имеющая красный цвет. На нее мало влияют соляная и серная кислоты небольшой концентрации. Однако в концентрированной азотной и горячей концентрированной серной кислоте медь растворяется. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на ее поверхности постепенно образуется зеленый налет основного карбоната меди (карбонат-гидроксид меди) Сu₂(ОН)₂СО₃.

Рассмотрим преимущества меди в качестве проводникового материала:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев стойкость к коррозии (даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);

4) хорошая обрабатываемость меди (прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5) относительная легкость пайки и сварки.

2.2.1.1. Получение меди. Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначаемую для электротехнических целей, обязательно подвергают электролитической очистке. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80–90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требуемого поперечного сечения.

Методом холодной протяжки получают твердую (твердотянутую) медь (маркируется МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение, а также твердость и упругость при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (маркируется ММ), которая сравнительно пластична, обладает малой твердостью и небольшой прочностью, но весьма большим относительным удлинением при разрыве и более высокой удельной проводимостью.

Рекристаллизация меди начинается при температуре примерно 200°С, а температура рекристаллизационного отжига составляет ~600°С. Изменение механических свойств при отжиге оказывается значительно более резким, чем изменение удельного сопротивления (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Основные физические свойства медной и алюминиевой проволоки

Свойства	Медь		Алюминий
	MT	MM	AT	AM
Удельное сопротивление ρ, , не более	0,0177–0,0180	0,01724	0,0290	0,0280
Предел прочности на разрыв , МПа	250–500	200–280	100–180	70–100
Относительное удлинение перед разрывом , %	0,5–5	18–50	0,5–2,0	10–25
Относительное сужение, %	<55	<75	70–80	80–85
Твердость НВ	65–120	35–38	33	25
Модуль упругости, ГПа: статический динамический	122–132 112	117 74	72 66	66 54
Удельная ударная вязкость,	–	1560	1200	900

Влияние температуры отжига на свойства меди показано на рис. 2.2, из которого видно, что при отжиге механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем ее удельное сопротивление. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, по отношению к которой выражают в процентах удельные проводимости металлов и сплавов в отожженном состоянии при при 20°С имеет удельное сопротивление r=0,017241 мкОм·м.

Рис. 2.2. Зависимость предела прочности на разрыв , относительного удлинения перед разрывом  и удельного сопротивления ρ меди марки M1 от температуры Т отжига (продолжительность отжига 1 ч)

2.2.1.2. Марки меди. Из выпускаемых марок стандартной меди в качестве проводникового материала используют медь MI и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в основном металле. Так, медь MI содержит 99,90% Cu, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Кислород является одной из наиболее вредных примесей в меди. При повышенном его содержании заметно ухудшаются механические и технологические свойства меди, а также затрудняются пайка и лужение. Медь, содержащая более 0,1% кислорода, легко разрушается при горячей обработке давлением т.е. обладает красноломкостью.

Лучшими механическими свойствами обладает медь М0 (99,95% Сu), в составе которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Такую медь получают путем специального режима плавки. Из меди М0 может быть изготовлена наиболее тонкая проволока.

2.2.1.3. Специальные сорта меди. В электровакуумной технике применяют сорта меди, не содержащие кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в защитной атмосфере восстановительного газа СО. Выделяющийся при нагревании меди кислород вступает в реакцию с закисью углерода и удаляется в виде углекислого газа. Лучшая бескислородная медь содержит 99,97% Cu. Еще более чистым металлом является вакуумная медь, выплавленная в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении газа порядка 10^–3 Па. Она может содержать 99,99% Cu. Свободная от кислорода медь по механической прочности и электрической проводимости мало отличается от электролитической меди, переплавленной обычным способом. Ее существенным преимуществом является высокая пластичность.

2.2.1.4. Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чувствительна к наличию примесей: при содержании в меди 0,5% примеси Zn, Сd или Аg удельная проводимость ее снижается на 5%; Ni, Sn или Al – на 25-40%; примеси Ве, Аs, Fе, Si или Р, снижают удельную проводимость на 55% и более. В то же время присадки многих металлов повышают механическую прочность и твердость меди.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления возрастает при нагревании, однако прочность сцепления окисной пленки невелика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение окисной пленки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Наличие серы снижает пластичность меди, в результате при низких температурах медь становится хрупкой. Висмут и свинец при кристаллизации меди располагаются по границам зерен, что приводит к растрескиванию поковок при горячей обработке давлением.

Значительное влияние на механические свойства меди оказывает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшиться в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присутствующего в технической меди в виде закиси Сu₂О. Водород, легко проникая в глубь металла при повышенных температурах, вступает в реакцию:

Cu₂O+H₂=2Cu+H₂O

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначительной его скорости диффузии может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, придает хрупкость и ломкость материалу (это называют водородной болезнью). В меди, содержащей менее 0,001% кислорода, «водородной болезни» практически нет. Однако и в бескислородной меди после термообработки в водороде может наблюдаться ухудшение пластичности при повышенных температурах (300–800°С), т.к. при нагревании происходит распад твердого раствора водорода в меди, и газ, находясь под большим давлением, разрывает металл и скапливается по границам зерен. При растяжении эти места становятся слабыми участками.

Тепловые свойства меди представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тепловые свойства меди и алюминия

Свойства	Медь	Алюминий
Температура, °С: плавления литья горячей обработки начала рекристаллизации рекристаллизационного отжига	1083 1150–1200 900–1500 ~200   500–700	657–660 700–760 – –   350–400
Температурный коэффициент линейного расширения при 20–200°С, , К	16,4	24
Удельная теплоемкость при 20°С, Дж/(кг )	386	920–960
Удельная теплота плавления, МДж/кг	0,213	0,394

2.2.1.5. Применение меди. Медь применяют в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используют в качестве экранов радиочастотных кабелей. Медный экран толщиной 0,5 мм становится эффективным при частоте поля не ниже 17 кГц, т.е. в высокочастотных магнитных полях. В низкочастотных и постоянных полях необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью. В ряде случаев для защиты от окисления поверхности медных изделий лудят или покрывают никелем, серебром, золотом.

Твердую медь применяют, когда необходимо обеспечить особенно высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например, для изготовления неизолированных проводов.

Если требуется хорошая гибкость и пластичность, а предел прочности на растяжение не имеет существенного значения, то предпочтительнее мягкая медь (например, для монтажных проводов и шнуров). Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали клистронов, магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые виды волноводов и резонаторов. Медь так же используют для изготовления фольгированного гетинакса и стеклотекстолита и применяют в микроэлектронике в виде пленок, осажденных на подложки, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схем.

Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяют для спаев со стеклом, поскольку она обладает рядом замечательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и высокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному электроду придают специальную форму в виде тонкого рантика, благодаря чему получают спаи, называемые рантовыми.

2.2.2. Алюминий

Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий – металл серебристо-белого цвета, важнейший из так называемых легких металлов. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди. По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Его ρ=2,8·10^–8 , Т_пл =657–660°С. Из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления (см. табл. 2.2) для нагрева от 20°С до Т_пл и расплавления алюминиевой проволоки требуется в 1,58 раза больше тепловой энергии, чем для нагрева от 20°С до Т_пл и расплавления такой же массы медной проволоки.

Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу длинны. При одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение. К тому же, по сравнению с медью, алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью. Эти обстоятельства обуславливают широкое применение алюминия в электротехнике.

Основным недостатком алюминия является его низкая механическая прочность.

Алюминий – самый распространенный в природе металл. Его массовая доля в земной коре составляет ~8,8%. Производство алюминия проходит следующие этапы: вначале из алюминиевой руды (бокситов А1₂О₃·Н₂О и др.) получают чистый глинозем А1₂О₃, который растворяют в расплавленном криолите (Na₃[AlF₆]) и при ~950°С путем электролиза выделяют алюминий. Выплавка (электролиз) алюминия – очень энергоемкая операция: каждая тонна металла требует затраты электроэнергии около 16 тыс. кВт·ч. Первичная очистка алюминия заключается в продувке через его расплав хлора. Полученный металл содержит алюминия обычно 99,7%. Путем электролитического рафинирования его чистоту можно довести до 99,99% и более. Для полупроводниковой техники алюминий дополнительно очищают методом зонной плавки до чистоты 99,9999%.

2.2.2.1. Марки алюминия. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5% примесей. Изготовленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре 350±20°С проволока обладает удельным сопротивлением при комнатной температуре не более 0,0280 мкОм·м. Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 примеси не превышают 0,001%. Чистоту Al контролируют по значению остаточного удельного сопротивления при температуре жидкого гелия, которое не должно превышать 4·10^-6 мкОм·м.

Примеси в различной степени снижают удельную проводимость алюминия (рис. 2.3). Добавки таких примесей, как никель, кремний, цинк, железо, мышьяк, сурьма, свинец и висмут, в количестве 0,5% снижают удельную проводимость алюминия в отожженном состоянии не более чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси меди, серебра, магния, снижающие удельную проводимость на 5-10% при том же содержании по массе. Примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, а примеси, образующие твердый раствор, заметно снижают ее (исключением является цинк). В техническом алюминии главными примесями являются кремний и железо.

Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят аналогично соответствующим операциям для меди. Из алюминия путем прокатки можно получить очень тонкую (6–7 мкм) фольгу, применяемую в качестве обкладок в бумажных конденсаторах, или пластин конденсаторов переменной емкости.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку марок: АТП, AT, АПТ и AM – соответственно твердая повышенной прочности, твердая, полутвердая и мягкая. Основные свойства твердой и мягкой алюминиевой проволоки приведены в табл. 2.1. Необходимо отметить, что при температуре жидкого азота по значению удельного сопротивления алюминий почти сравнивается с медью, а при еще более низких температурах становится даже лучше ее. Основные электрофизические характеристики Al представлены на рис. 2.4.

В электротехнике применяют алюминий марок А7Е, А6Е, А5Е, АЕ, где буква Е указывает на его электротехническое назначение, а примеси должны находиться в определенном соотношении и не превышать 0,5%, при этом Сu должно быть не более 0,015%, Мn – не более 0,01% и Mg – не более 0,02%.

2.2.2.2. Поверхность алюминия. Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет его от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Поэтому для алюминия применяют специальные пасты-припои или используют ультразвуковые паяльники. Более толстый слой окисла, который создает надежную электрическую изоляцию на сравнительно высокие напряжения, получают с помощью электрохимической обработки алюминия. Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой окисла толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение порядка 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В). Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной междувитковой и междуслойной изоляции. Недостатками оксидной изоляции проводов являются ее ограниченная гибкость (особенно при большой толщине слоя окисла) и заметная гигроскопичность (в тех случаях, когда не требуется большой нагревостойкости оксидной изоляции, ее покрывают лаком).

Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах. Также ее используют в некоторых типах выпрямителей и разрядников.

На практике большое значение имеет вопрос защиты от гальванической коррозии в местах контакта алюминия и меди. Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покрывают лаком и т.п.). Пленки алюминия широко используют в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений.