Ответы на экзамен 2 (Билет №21, 22)

Посмотреть архив целиком

4



Билет №21, 22

13.4. МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Материалами высокого сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы, некоторые оксиды, силици­ды и карбиды, а также чистые металлы в очень тонких слоях. Мате­риалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм•м, очень низкий ТКρ и малую термо-ЭДС относительно меди.

13.4.1. Металлические сплавы, образующие твердые растворы

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, широко применяют для изготовления различных термопар, образцовых рези­сторов, шунтов, реостатов, электронагревательных элементов и т.д. (С материалам, которые используются для изготовления электрона­гревательных элементов, предъявляют дополнительное требование — они должны иметь высокую нагревостойкость, т.е. могли бы дли­тельное время работать на воздухе при температуре около 1000°С без заметного ухудшения свойств. Кроме того, во многих случаях от ме­таллических сплавов требуется высокая технологичность и возмож­ность получать из них тонкие гибкие проволоки.

Известно, что удельное сопротивление металлов существенно возрастает в очень тонких пленках (см. гл. 12.3.1): чем тоньше плен­ка, тем больше удельное сопротивление р и меньше ТКр (см. рис. 12.6). Это явление используют в пленочных резисторах. Для по­лучения очень высоких значений удельного сопротивления приме­няют сочетание двух факторов, для чего используют материалы вы­сокого сопротивления (металлические сплавы, вредные растворы, оксиды, силициды, карбиды некоторых металлов и их смеси) в виде тонких пленок.

Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по на­значению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве прово­лочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т.д. Самые рас­пространенные среди них — медно-никелевые сплавы: манганин, константан и др.

Манганинэто сплав, состоящий из меди Си 85—89%, никеля Ni 2,5—3,5% и марганца Мп 11,5—13,5%. Примеси не должно быть более 0,9%. Свое название получил из-за содержащегося в нем марганца, придающего ему желтоватый оттенок. Удельное сопротивление манга­нина составляет 0,42—0,48 мкОм-м, предельно допустимая температу­ра 200°С. Свойства манганина приведены в табл. 13.5. Манганин хо­рошо протягивается в тонкую проволоку. Проволоку манганиновую неизолированную выпускают диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микро­провод в стеклянной изоляции производят диаметром в несколько мкм. Проволоку выпускают в твердом и мягком (отожженном) со­стояниях. Ее поверхность должна быть чистой и гладкой, без трещин, раковин и расслоений. Манганин хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01—1 мм (ширина ленты 10—300 мм).

Для повышения стабильности сопротивления и снижения ТКр Манганиновую проволоку специально остаривают, подвергая отжигу в течение 1—2 ч при температуре около 400°С в вакууме или в ней­тральном газе (аргоне или азоте) с последующим медленным охлаж­дением. Затем выдерживают 10 ч при 140°С и еще около года при Комнатной температуре. В паре с Си (и Fe) манганин имеет низкую термо-ЭДС (1—2 мкВ/К). Манганин применяют для изготовления образцовых (проволочных) резисторов, шунтов и некоторых измерц, тельных приборов, например термопар, датчиков, измеряющих вы­сокие гидростатические давления (при повышении гидростатическо­го давления от нормального до I ГПа удельное сопротивление манганиновой проволоки возрастает на 2,5%) и др.


Константинсплав, содержащий 56—59% меди Си, 39—41% никеля Ni и 1—2% марганца Мп, примеси — не более 0,9%. Указан­ное содержание Ni в сплаве примерно соответствует максимуму ρ и минимуму ТКρ на кривой зависимости р и ТКр от состава сплава (см. рис. 10.9, б). Свое название получил за высокое постоянство удельного сопротивления в рабочем интервале температур. Его удельное сопротивление р = 0,48—0,52 мкОм•м, значение ТКр близ­ко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. По нагревостойкости константан превосходит манганин и может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450—500°С. Константан имеет высокие механические свойства и хо­рошо поддается пластическому деформированию: его можно протя­гивать в проволоку и прокатывать в ленту тех же размеров, что и манганин. Электрические и механические свойства константана приведены в табл. 13.5. При быстром (3 с) нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900°С на ее поверхности обра­зуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами. Константановую проволоку с оксидной пленкой мож­но наматывать плотно, виток к витку, без дополнительной изоляции, если напряжение между витками не превышает 1 В. В паре константана с медью и железом возникает высокая термо-ЭДС (40—50 мкВ/К), что затрудняет использование константановых рези­сторов в точных измерительных схемах. Однако это свойство ис­пользуют для изготовления медно-константановых и железо-константановых термопар.

Нагревостойкие сплавы используют для изготовления нагрева­тельных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, нике­ля, хрома и алюминия, называемые нихромами, ферронихромами, февралями и др. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловле­на образованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки, у которой коэффициент линейного расширения близок к ТКЛР сплава. Поэтому образование трещин в оксидной пленке мо­жет происходить только при резких сменах температуры. В этой свя­зи срок службы электронагревательных элементов определяется не временем их непрерывной работы, а числом их включения и отклю­чения. Наличие хрома в этих сплавах придает им высокую нагрево-стойкость.

Нихромы (см. табл. 13.5) — это сплавы системы FeNiCr, со­держащие Ni 55—78%, Cr 15—25%, Mn 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0—1,2 мкОм-м. При повышенном содержа­нии железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы облада­ют высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую про­волоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы, из них изготавливают электронагревательные элементы. Вы­сокая нагревостойкость нихромов объясняется близкими значения­ми ТКЛР сплавов и их оксидных пленок. Срок службы электрона­гревательных элементов можно увеличить, заделав спирали в инертную среду типа глина-шамот, которая затрудняет доступ ки­слорода воздуха и предохраняет от механических повреждений.

Фехрали и хромали (см. табл. 13.5) — это жаростойкие сплавы системы FeCrA1, содержащие с своем составе хрома Сг 12—15%, алюминия А1 3,5—5,5%, марганца Мп 0,7%, никеля Ni 0,6% и ос­тальное железо Fe; удельное сопротивление равно 1,2—1,4 мкОм•м. Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем ни­хромы. Поэтому из них получают проволоку и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Они намного дешевле и более Доступны, чем нихромы, так как алюминий дешевле и доступнее, чем никель. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химиче­скому разрушению под действием различных газообразных сред при высоких температурах.

13.4.2. Пленочные резистивные материалы

Из пленочных резистивных материалов изготавливают пленочныe резисторы различных типов. Резистивные пленки получают методом вакуумных технологий из чистых металлов, их сплавов, оксидов, силицидов, карбидов некоторых металлов и их смесей, а также из углеродистых материалов.

Тонкие резистивные металлические пленки получают из тугоплавких металлов (тантала Та, рения Re, хрома Сг) и таких сплавов как нихромы, сплавы марки PC (содержат Si, Cr, Ni, Fe), сплавы марки МЛТ (многокомпонентные сплавы, содержащие Si, Fe, Cr Ni, Al, W, а некоторые из них и лантаноиды), а также композицион­ных материалов (механические смеси мелкодисперсных порошков металлов, их оксидов, карбида кремния с органической или неорга­нической связкой). Используют также металлооксидные резистив­ные пленки (например, из двуокиси олова) и на основе различных модификаций углерода (природного графита, сажи, пиролитического углерода) и боруглерода.

Все типы пленочных резистивных материалов, за исключением углеродистых, непрерывно совершенствуют, ассортимент их посто­янно расширяется.


Влияние примеси на удельное сопротивление

Чистые отожженные металлы имеют менее деформированную кристаллическую решетку, поэтому для них характерны большие значения λ, и, следовательно, у (малая величина ρ). Примеси, раство­ренные в металлах, деформируют кристаллическую решетку и вызы­вают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда ρ метал­лов, содержащих растворенную примесь, всегда выше, чем ρ чистых




Рис. 12.4. Удельное сопротивление ρ

меди в зависимости от концентрации N

Удельное сопротивление металлических сплавов

Рис. 12.5. Типичная зависимость удель­ного сопротивления ρ металлических проводников от температуры Т в широ­ком интервале (пояснение см. в тексте) металлов.

При малых концентрациях (в долях процента) растворен­ной примеси удельное сопротивление металлов в зависимости от концентрации примеси увеличивается практически линейно. На рис. 12.4 приведена зависимость р меди от концентрации в долях процента различных химических элементов. Аналогичные зависимо­сти наблюдаются и у других металлов (см. рис. 13.2 и 13.7). При больших концентрациях растворенной примеси удельное сопротив­ление металлов изменяется линейно или нелинейно. Это зависит от соотношения физико-химических параметров металла и растворен­ной примеси.У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов друг с другом (от соотно­шения размеров их атомов и электрохимических констант) могут образовываться следующие основные типы сплавов: гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения.

Рассмотрим диаграммы состояния каждого из перечисленных типов сплавов и характер зависимости удельного сопротивления и механических свойств от состава сплавов.

В электро- и радиотехнике большой интерес представляют

сплавы, образующие твердые растворы; их широко применяют в производстве проволочных резисторов, реостатов, термопар и др.

При образовании сплава твердый раствор постоянная кристалличе- ской решетки металла-растворителя изменяется, атомы компонентов распределяются по ее узлам беспорядочно. В результате кристаллическая решетка существенно деформируется, что приводит к сильному рассеянию электронов проводимости и увеличению удельного сопротивления. Чем больше разница в значениях валент­ности металла-растворителя и растворенного металла и в размерах их атомов, тем больше увеличивается удельное сопротивление. Зависимость ρ от состава сплавов, образующих твердые растворы проходит через максимум (см. рис. 10.9, б). Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых макси­мально деформирована. При этом могут наблюдаться два типа мак­симума. Если сплавляемые металлы, образующие твердые раство­ры, принадлежат к одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то зависимость р от состава сплавов обычно име­ет примерно симметричный максимум. Если оба сплавляемых ме­талла принадлежат к разным группам периодической системы элементов, то максимум зависимости р от состава имеет несиммет­ричную форму и сдвинут от середины диаграммы в сторону метал­ла, удельное сопротивление которого при комнатной температуре больше.

Влияние деформации на удельное сопротивление

Большое влияние на удельное сопротивление и механические свойства оказывают дефекты кристаллической решетки, возникшие при холодной обработке металлов давлением (ОМД). В результате пластической деформации, вызванной холодной ОМД, зерна (и блоки в них) удлиняются и измельчаются, возрастает деформация кристал­лической решетки и увеличиваются в ней дефекты: возрастает плот­ность дислокаций и концентрация вакансий, что приводит к улучше­нию механических свойств — увеличивается твердость и предел прочности на разрыв. Однако удельное сопротивление при этом также увеличивается. При рекристаллизационном отжиге металлов, подвергнутых холодной ОМД, зерна (и блоки в них) будут округляться и укрупняться, кристаллическая решетка выпрямляться, а концентрация дефектов в ней будет уменьшаться. Удельное сопротивление при этом может понизиться до первона­чального значения. Одновременно понизится твердость и предел прочности на разрыв.

При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиться, так и уменьшиться. При упругой деформации, вы­званной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кри­сталлической решетки увеличатся, в результате уменьшится λ, и воз­растет ρ. При упругой деформации, вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, наоборот, уменьшатся, в результате λ возрастет, а ρ снизится.

Влияние размеров проводника на удельное сопротивления

В металлических проводниках в виде тонких пленок, фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. Чем мельче зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зерен. Наиболее де­фектной частью зерна является его поверхность. С уменьшением размера зерна увеличивается дефектность структуры металла и, сле­довательно, возрастает его удельное сопротивление р. Для тонких пленок, полученных методом термического напыления в вакууме или химического осаждения, увеличение р наблюдается при умень­шении толщины δ, начиная примерно с δ = 0,1—0,01 мкм. Увеличе­ние удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллиза­ции металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате умень­шается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возраста­ет. При дальнейшем уменьшении толщины δ пленки удельное со­противление δ продолжает расти (рис. 12.6, а).

Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких ме­таллических пленок принято сопротивление квадрата RD, через про­тивоположные грани которого ток протекает параллельно поверх­ности

RD = ρδ /δ, (12.9)

где ρδ — удельное (объемное) сопротивление пленки толщиной δ.

Температурный коэффициент удельного сопротивления тонких металлических пленок ТКρδ может быть как положительным, так и отрицательным (см. рис. 12.6, б). При увеличении толщины пленки αρδ (ТК ρδ) стремится к значению αρ (ТКр) данного материала в тол­стых слоях.


Рис. 12.6. Зависимость удельного сопротивления ρδ (а) и темпе­ратурного коэффициента удельного сопротивления αρδ (б) ме­таллической пленки от ее толщины δ