Главная > Автореферат диссертации


Тема 3.4 Материалы высокого сопротивления

Основные требования

Эти материалы делятся на две группы: резистивные материалы и материалы для термопар.

Резистивные материалы должны обладать: высоким удельным сопротивлением, стабильностью, коррозионной стойкостью, малым ТКρ. Коэффициент термо-ЭДС для высокоомных проводников в контакте с медью должен быть минимальным.

Резистивный материал можно применять в виде проволоки различного диаметра или пленок различной толщины, нанесенных на диэлектрическое основание. Резистивные материалы это сплавы, имеющие заметно деформированную решетку. Кроме сплавов в качестве резистивных материалов применяют высокоомные материалы на основе соединений металлов: оксидов, силицидов, карбидов, многие из которых обладают весьма малым и близким к нулю значением ТКρ.

Особые требования предъявляют к материалам для нагревательных элементов, которые используются в технике и быту (в виде накаливаемой спирали). Этим требованиям удовлетворяют нагревостойкие сплавы.

Материалы для термопар характеризуются наибольшими предельно допустимыми величинами температуры спая Тсп, коэффициента термо-ЭДС К и удельным сопротивлением ρ.

Проводниковые сплавы высокого сопротивления

Наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля (манганин и константан). Манганин получил свое название из-за наличия в нем марганца (до 12%). Широко применяется для образцовых резисторов и других точных приборов. Его можно вытягивать в тонкую проволоку диаметром 20 мкм и менее. Проволоку выпускают как в твердом (неотожженом) виде марки ПМТ, так и в мягком (отожженном) – марки ПММ.

Микропровод из манганина в стеклянной изоляции изготовляют диаметром в несколько мкм, его используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов.

К недостаткам манганинового провода следует отнести невысокую воспроизводимость характеристик, пониженную гибкость за счет стеклянной изоляции.

Для обеспечения повышенной стабильности сопротивления и снижения ТКρ проволоку подвергают тепловому старению: отжигу в вакууме при температуре 550-600оС с последующим медленным охлаждением на воздухе. Предельно допустимая рабочая температура сплавов этого типа не превышает 200оС. Из механических свойств это: удлинение =15-30% и σр = 450-600МПа.

Константан – сплав, содержащий около 40% никеля и 60% меди. Свое название получил за высокое постоянство сопротивления в рабочем диапазоне температур. Хорошо поддается обработке, его можно протягивать в проволоку диаметром 10-20мкм. Предельная рабочая температура 500оС. Образующаяся при этом пленка оксида обладает электроизоляционным свойством (оксидная изоляция). Это позволяет применять константан без специальной межвитковой изоляции для изготовления реостатов и нагревательных элементов. В паре с медью развивает высокую термо-ЭДС, что затрудняет его применение для резисторов в точных приборах. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450оС.

Дорог из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn , 3% Ni.

Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 - 2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 - 0.48 мкОм . м, бр= 450 - 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 - 30%, максимальную длительную рабочую температуру не более 200оС. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой изоляцией.

Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO . Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в таблице.

Марка сплава

Тип сплава

ρ, мкОм . м

ТКр, 105 1/ºC

Максимально допустимая температура, ºC

Х20Н80

Нихром

1.04 - 1.17

9

1100

Х13Ю4

Фехраль

1.2 - 1.34

15

960

Х23Ю5Т

Хромаль

1.3 - 1.5

5

1150

Основная область применения этих сплавов – электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

Нихромы весьма технологичны и имеют высокую рабочую температуру, их можно протягивать в очень тонкую проволоку, диаметром несколько мкм. Тонкие пленки из нихрома используют при изготовлении пленочных резисторов интегральных схем.

Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н. нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия, т.н. фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н – никель, буква Ю – алюминий. Цифра после каждой буквы – процентное содержание этого элемента (массовые проценты). Железо обычно составляет основу, его не обозначают, а его содержание составляет остальное, т.е. сколько нужно, чтобы дополнить до 100 %.

Применение этих сплавов для нагревателей и резисторов обусловлено двумя главными обстоятельствами. Во - первых, их удельное сопротивление примерно в 40-60 раз превышает удельное сопротивление проводников - алюминия и меди. Это связано с нарушением структуры материала в сплаве нескольких металлов. Во - вторых, на поверхности этих материалов образуется прочная, химически стойкая пленка из окислов, что обеспечивает высокую жаростойкость материалов. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т.е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это означает, что при использовании нихрома в качестве нагревателя мощность нагревателя по мере работы, и, соответственно прогревания самого резистивного материала, будет уменьшаться. Важно также, что температурные коэффициенты расширения у пленки оксида и у металла близки, поэтому пленка не отслаивается при включении - выключении нагревателей.

В некоторых случаях для изготовления реостатов, контактных пружин применяют медно-никелевый сплав нейзильбер МНЦ-15-20, в составе которого 18…22% цинка, 13,5…16,5% никеля (с кобальтом), остальное – медь. Внешне напоминает серебро, имеет очень высокие механические характеристики, пластичен, но ρ меньше, чем у других сплавов. Высокая коррозионная стойкость, дешевле константана.

Пленочные резистивные материалы

Эти материалы применяются широко для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов различных типов. В зависимости от состава делятся на две группы: на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов) и неметаллические (углеродистые) материалы. Первые совершенствуются, а вторые постепенно утрачивают свое значение.

Пленочные на основе металлов и их соединений используют в микроэлектронике при изготовлении пленочных резисторов и резистивных элементов весьма малых размеров в микросхемах, интегральных схемах и др. устройствах.

Можно выделить следующие материалы:

Тонкие металлические пленки тугоплавких металлов (тантала, рения), а также хрома и нихрома обладают мелкозернистой структурой, повышенными значениями удельного поверхностного сопротивления ρh, низкого значения ТКρh. Для нанесения этих пленок используют методы вакуумной технологии: термическое вакуумное испарение (хром, нихром) или распыление резистивного материала под действием бомбардировки его ионами инертного газа (тантал, рений и др.).

Резистивные сплавы, содержащие кремний марок РС и МЛТ широко применяются для изготовления тонкопленочных резисторов методом термического вакуумного испарения.

Сплавы марки РС содержат кремний и легирующие компоненты (хром, никель, железо). В обозначении марки сплава, например, РС 3001, буквы и цифры означают: РС –резистивный сплав; первые две цифры 30% хрома (основного компонента), легирующего кремний; вторые две содержание железа -1%, второй легирующий компонент; остальные 69% кремний.

Сплавы выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40-70 мкм и применяют для получения тонкопленочных резисторов.

Сплавы марки МЛТ многокомпонентны и содержат кремний, железо, хром, никель, алюминий, вольфрам. Выпускают в виде мелкозернистых порошков. Отличаются высоким значением ρh, большой стойкостью к окислителям и воздействиям различных химически активных сред. Сплав МЛТ-3М широко применяются для изготовления тонкопленочных дискретных резисторов.

Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (Fe, Ni, Cr) и оксидов (SiO, Nd2O3, ТiO2). Отличаются повышенной термостойкостью, однородностью свойств. Применяю для изготовления резисторных микросборок.

Из металлооксидных резистивных пленок наибольшее применение нашли пленки двуокиси олова. Имеют плотную мелкозернистую структуру. Высокая адгезия к керамическим и стеклянным основаниям. Устойчивы к истиранию и химически устойчивы. Применяют для изготовления постоянных и переменных резисторов.

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используются порошки серебра, палладия и полупровод-е материалы - оксиды этих металлов, карбиды кремния, вольфрама. В качестве связки используются диэлектрики –полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали. Обладают большим удельным сопротивлением, слабо зависящим от температуры, позволяют управлять электрическими свойствами путем изменения состава, простая технология изготовления.

Недостатки: повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты, старение при длительной нагрузке.

Применяют для изготовления постоянных и переменных резисторов, поглощающих элементов в СВЧ-устройствах (пленочные и объемные)

Углеродистые материалы применяют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Отрицательный ТКρ. Применяют для изготовления сравнительно дешевых пленочных резисторов широкого применения.

Материалы для термопар

Используют следующие сплавы:

  1. копель (44% Ni и 56% Cu), ρ = 0,465 10-6 Ом м;

  2. алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mn), ρ = 0,305 10-6 Ом м;

  3. хромель (90% Ni & 10% Cr), ρ = 0,66 10-6 Ом м;

  4. платинородий (90% Pt & 10% Rh), ρ = 0,19 10-6 Ом м;

Используются также константан и платина. По значениям предельных температур при длительной работе термопары распределены следующим образом: 1) платина – платинородий – до 1600 ºС; 2) хромель – алюмель – до 1000 ºС; 3) хромель – копель, железо – копель, железо – константан – до 600 ºС; 4) медь – копель, медь – константан – до 350 ºС.

Наибольшую термо-ЭДС дает термопара хромель-копель 80 мкВ/К, наименьшую платина-платинородий 8 мкВ/К.

Тема 3.5 Проводниковые материалы и сплавы

Тугоплавкие металлы

Эти материалы обладают высокой тугоплавкостью и химической стойкость. Они широко применяются в электровакуумной технике, в полупроводниковом производстве и микроэлектронике, а также как материалы для сверхпроводников, подвижных контактов и т.д.

Материалы с температурой плавления выше 1700оС относят к тугоплавким. Они, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при высоких активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них (электроды, нагреватели, катоды) эксплуатируют в вакууме или в среде инертных газов.

Механическая обработка затруднительна из-за их повышенной твердости и хрупкости.

Вольфрам – светло-серый металл, имеет высокую температуру плавления (3380оС) и очень высокую плотность. Характерной особенностью является высокая прочность отдельно взятых кристаллов при слабом их сцеплении между собой. Вольфрамовые изделия с мелкокристаллической структурой очень хрупкие. Волокнистая структура, создаваемая ковкой и волочением, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых достигает 10 мкм. С уменьшением диаметра нити возрастает ее механическая прочность за счет преобладания волокнистой структуры. Предел прочности при растяжении до 3000-4000 МПа. Относительное удлинение около 4%.

Выпускается вольфрам следующих марок: ОЧВ – особо чистый, содержащий примесей не более 0,02%; ВА – с присадкой кремния и алюминия; ВТ-7-ВТ-50 – с присадкой окиси тория; ВРН – разного назначения и др.

Вольфрам используется в электровакуумных приборах преимущественно при высоких температурах.

Вольфрам сравнительно дорог, плохо обрабатывается и поэтому применяется только там, где его нельзя заменить. Это нити накаливания осветительных ламп, катодов прямого и косвенного накала мощных генераторных ламп, высоковольтных выпрямителей, рентгеновских трубок. Его также применяют для разрывных контактов реле, пускателей и др., особенно при больших значениях разрываемой мощности. В микроэлектронике применяют при изготовлении испарителей для нанесения в вакууме тонких пленок различных материалов.

Молибден – по свойствам близок к вольфраму, хотя почти в 2 раза легче последнего; имеет наиболее низкое ρ из всех тугоплавких металлов (ρ=0,057 10-6 Ом м), температура плавления 2620оС. Широко применяется в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам. Механические свойства молибдена зависят от термической и механической обработки, вида и размера изделия. Предел прочности на растяжение от 350 до 2500 МПа, а относительное удлинение от 2 до 55%.

Выпускают следующие марки: ОЧМ – особо чистый молибден (примесей не более 0,02%), МЧ – чистый молибден, МК – с присадкой кремния и др.

Высокая прочность и твердость в сочетании с хорошей пластичностью делают его одним из лучших материалов для производства деталей сложной конфигурации, работающих в вакууме при высоких температурах (электроды радиоламп, нагреватели электропечей). В паре с вольфрамом молибден используется для термопар, рассчитанных для работы до 2000оС.

Тантал широко применяется в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам и характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Например, прокатыванием получают танталовую фольгу для электролитических конденсаторов толщиной в несколько мкм. Температура плавления – 2970оС, ρ = 0,135 10-6 Ом* м, предел прочности на растяжение от 35 до 1250 МПа, относительное удлинение от 2 до 40%.

Промышленность выпускает: ТЧ – высокой чистоты (примесей не более 0,25%), Т – повышенной чистоты (примесей не более 0,7%), ТТ-1 – тарированный тантал и др.

Тантал применяют в производстве пленочных резисторов, электролитических конденсаторов.

Титан используют не только в качестве конструкционного материала для арматуры электровакуумных приборов, но и для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых электродов этих приборов.

Имеет хорошие механические свойства и высокой газопоглащающей способностью при нагреве до 500оС. Предел прочности на растяжение – 500 – 900 МПа, относительное удлинение – 3-4%, температура плавления – 1680оС, ρ – 0,42 10-6 Ом* м.

Благородные металлы

Эти материалы (золото, платина, палладий и др.) относятся к числу металлов с наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды, а также к действию различных кислот, щелочей и др.

Золото обладает высокой пластичностью. Из него можно получить фольгу толщиной 0,08 мкм и менее (в 250 раз тоньше человеческого волоса). Предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве до 40%, температура плавления 1063оС, удельное сопротивление 0,024Х*10-6 Ом* м. Золото образует сплавы со многими металлами.

Применяется как материал для слаботочных коммутируемых контактов, для вакуумного напыления проводников интегральных схем, нейтральных оптических фильтров, в производстве электродов полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов.

Платина – светло-серый металл, практически не соединяющийся с кислородом и стойкий к различным химическим веществам. Обладает высокой пластичностью, что позволяет получать из него микропровод и тонкую фольгу. Предел прочности при растяжении отожженной платины составляет около 150 МПа при относительном удлинении около 30-35%. Температура плавления – 1773оС. Удельное сопротивление – 0,105*10-6 Ом м.

Широко применяется в приборостроении для изготовления термопар (платино-платинородиевые) для измерения температур до 1600оС. Применяют также для изготовления низкоомных переменных резисторов, термометров сопротивления и терморезисторов.

Платину и особенно ее сплавы повышенной твердости используют как материал для слаботочных контактов.

Палладий по многим свойствам близок к платине. Температура плавления – 1554оС, удельное сопротивление – 0,11*10-6 Ом м.

Поскольку он значительно дешевле платины, то он вытесняет ее или используется в сплавах с ней.

Применяют в электровакуумной технике как хороший поглотитель водорода.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть i ) кредиты 3 аннотация дисциплины

    Документ
    ... ансамблей. Физико-химический анализ дисперсных систем. Модуль 2. Явления на границе раздела фаз. Общие ... – 17 часов. Составила доцент Г.А. Чиганова Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть II) Кредиты ...
  2. Раздел «молекулярная физика» в школьном курсе физики § 1 значение место и особенности раздела «молекулярная физика»

    Задача
    ... этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение ... , но и в электрических, магнитных, химических и др. В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия ...
  3. Физико-химические основы технологии строительных материалов

    Документ
    ... Рассмотрены основные разделы одноименного курса: теоретические основы дорожно-строительного материаловедения, активационно- ... создания бездефектных материалов 86 1.4.6. Физико-химические основы технологии производства асфальтобетонных смесей и ...
  4. Материаловедение и технология конструкционных материалов

    Учебно-методический комплекс
    ... – дать основы материаловедения, принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико-механических ... группу химических соединений. 6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров По происхождению полимеры разделяют ...
  5. Евгений петрович прокопьев ( rus )( eng ) общий список публикаций антиматерия и позитроника позитроника и нанотехнологии позитроника позитронная аннигиляция физика сложных систем синергетика материаловедение нанотехнологии другие смежные проблемы

    Документ
    ... . Прокопьев Е.П. О поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-металл. М., 1985. 5 с. - Деп. в ... процессах. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ...

Другие похожие документы..