К проводникам или проводниковым материалам относятся материалы, хорошо проводящие электрический ток. Обычно, это металлы, но также используются некоторые жидкости и ионизированные газы.

По характеру температурной зависимости проводимости проводники делятся на два типа: проводники I рода и проводники II рода. У проводников I рода проводимость с ростом температуры уменьшается. К проводникам I рода относятся металлы. У проводников II рода проводимость с ростом температуры увеличивается. К проводникам II рода относятся жидкости (электролиты), ионизированные газы.

Проводники, применяемые в технике делятся на:

· материалы высокой проводимости (Ag, Cu, Al);

· высоконагревостойкие металлы (W, Mo, Ta, Nb, Ti, Zr, Re);

· металлы и сплавы различного назначения (Ni, Hg);

· щелочные металлы (Li, K, Na, Cs, F);

· щелочноземельные металлы (Ca, Mg, Ba, Ra)

· сплавы сопротивления;

· контактные материалы;

· металлы и сплавы электровакуумной техники (Pd);

· припои и флюсы;

· электроугольные изделия.

Качество проводниковых материалов определяется электрическими, тепловыми и механическими свойствами. Из электрических свойств основными считают удельную электропроводность или обратную ей величину – удельное сопротивление r (Ом×м) и температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr. Из тепловых свойств: теплопроводность, температурный коэффициент линейного расширения.

3.1. Материалы высокой проводимости

Материалы высокой проводимости применяются в качестве монтажных и обмоточных проводов, соединительных, силовых и специальных высокочастотных кабелей, проводящих элементов радиодеталей и узлов электронной аппаратуры. К материалам высокой проводимости относятся медь и ее сплавы (бронза, латунь), алюминий и его сплавы (дюралюминий, альдрей), железо и стали, титан, никель, кобальт, серебро, золото, платина, цинк, кадмий.

Медь

Широкое применение меди обусловлено ее высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, химостойкостью, ковкостью, вязкостью, высокими механическими свойствами. Медь часто встречается в самородном состоянии. Легко подвергается механической обработке, т.к. обладает высокой пластичностью. Добывают медь из оксидных и сульфидных руд. Их обжигают, плавят и получают черновую медь, которую подвергают рафинированию электролитическим методом. Для этого из черновой меди изготовляют аноды и проводят электролиз CuSO₄.

Чистая медь, которая применяется в электро- и радиотехнике, по содержанию примесей разделяется на марки МО и М1. МО содержит 99,95% меди, М1 – 99,90%. Эти марки обладают свойствами:

· плотность – 8,9^.10³ кг/м³;

· температура плавления – 1083 °С;

· удельное сопротивление r - 1,7241^.10^-8 Ом×м;

· механическая прочность – высокая;

· обрабатываемость – хорошая.

В зависимости от вида примеси увеличение содержания примесей в меди увеличивает удельное сопротивление r:

Zn, Cd, Ag (0,5 % примесей)	5%
Ni, Sn, Al (0,5 %)	25 – 40 %
Be, As, Fe, Si, P (0,5 %)	больше 55%

Из меди изготовляют токопроводящие жилы проводов и кабелей, токопроводящие детали радиоаппаратуры, фольгированный гетинакс для печатных схем, проволоку, листы, ленты, полосы, тонкую фольгу.

Медные сплавы

Бронзы – сплавы меди с некоторыми металлами. Различают следующие бронзы: оловянные, алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые и др.

Применение бронз:

· кадмиевые – для контактов и коллекторных пластин;

· фосфористая – для пружин в приборах и аппаратах;

· бериллиевая – для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, зажимов;

· оловянистая – ее называют телефонной т.к. из нее изготовляют проволоку для телефонных кабелей.

Латуни – медно–цинковые сплавы. Из них изготовляют листы и полосы. Свойства латуни. Удельное сопротивление латуни больше удельного сопротивления меди r_лат> r_меди. Она способна удлиняться, сохраняя более высокую прочность, чем медь. Поэтому она находит широкое применение в качестве конструкционного и проводникового материала. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек, монтажные элементы схем.

Алюминий

Стоит на II месте после Cu по применению в электро- и радиотехнике.

Плотность Al в 3,5 меньше плотности Cu и равна примерно (2,6 ¸ 2,7) 10³ кг/м³, удельное сопротивление r в 1,68 раза больше, чем у Cu, r = 2,85 10^-8 Ом×м. Примеси (Ti, Mn, Cu, Ag, Mg) в алюминии снижают электропроводность (примерно на 10%).

Для электротехники и радиотехники применяют алюминий с содержанием примесей не более 0,5%; для изготовления алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов не более 0,05%.

Тепловые свойства алюминия

Температура, °С:
плавления–	660 - 657;
кипения -	2300 - 2500;
отжига -	350 - 400;
литья -	700 - 750.

Алюминий легко окисляется на воздухе:

4Al + 3O₂® 2Al₂O₃

и при действии серной и щавелевой кислот (H₂SO₄, H₂C₂O₄)

Оксидная пленка на поверхности алюминия защищает его от дальнейшего окисления (пассивация). Промышленное оксидирование алюминия создает антикоррозийное и электроизоляционное покрытие, которое часто сочетают с окраской и полировкой для улучшения внешнего вида. Пробивное напряжение таких покрытий доходит до 400 В, (U_пр= 400 В).

Но пленка Al₂O₃ затрудняет пайку и создает большое сопротивление в контактах. При действии влаги в местах контакта Al-Cu образуется гальванопара с высоким значением э.д.с.

анод Al½H₂O; O₂½Cu катод

j_a= -1,7 B Aнод(+): Al⁰- 3eˉ ® Al³⁺ Kатод(-): 2H₂O + O₂+ 4eˉ ® 4OHˉ j_k= - 0,83 B

Al³⁺+ 3OH ® Al(OH)₃

При этом алюминиевый проводник разрушается.

Для проводов воздушных линий с большим натяжением и нагрузкой применяется алюминиевый сплав альдрей, который состоит:

(98,5 ¸ 99%)Al + (0,3 ¸ 0,5%)Mg + (0,4 ¸ 0,7%)Si + (0,2 ¸ 0,3%)Fe

Повышение механической прочности достигается термообработкой, возрастает прочность на растяжение до 35 кг/мм² при удлинении 6,5 % и r = 3,17 10 Ом×мм²/м. Таким образом, альдрей по механической прочности примерно равен меди, а по легкости – алюминию.

Для передачи энергии применяются сталеалюминиевые провода, в котором центральные жилы стальные, а наружные – алюминиевые.

Железо и стали

Стали, используемые в основном в качестве конструкционного материала и магнитного материала в сердечниках трансформаторов, обладают более высоким удельным сопротивлением r по сравнению с медью, около 10^.10‾⁸ Ом×м. В качестве проводникового материала применяют сталь, с содержанием углерода 0,1 ¸ 0,15 % с r в 6–7 раз больше, чем у меди. Ее используют для проводов воздушных линий передач небольших мощностей на короткие расстояния. Для предохранения от коррозии провода и изделия из стали покрывают цинком.

Свинец

Мягкий, пластичный, мало прочный металл, с низкой вибростойкостью. Температура плавления 327 °С. Удельное сопротивление r = 2, 4, 1 мкОм×м при температурах t = 0, 200, 350 °С, соответственно.

Свинец ядовит. Антикоррозийность высокая. Применяют в качестве защитных оболочек в кабельной промышленности, плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов, поглотителей рентгеновских лучей и радиоактивных излучений. По мере возможности вытесняется полихлорвинилом.

Олово

Чистое олово обладает крупнокристаллической структурой. При изгибе слышен треск от трения кристаллов, что определяет чистоту металла. Температура плавления 232 °С.

Благодаря мягкости и вязкости из него изготовляют фольгу. Высокая антикоррозийность позволяет использовать для защитных покрытий лужением или гальванизацией. Входит в состав бронз. Применяют при пайке.

3.2. Высоконагревостойкие металлы

С развитием вакуумной техники, реактивной техники и применением радиоэлектронной аппаратуры в космосе повысились требования к рабочим температурам, достигающим 2500 °С. В этих условиях в качестве проводниковых и конструкционных материалов применяют тугоплавкие металлы и их сплавы: вольфрам (W), молибден (Mo), тантал (Ta), ниобий (Nb), титан (Ti), цирконий (Zr), рений (Re).

Вольфрам

Вольфрам – тяжелый, твердый, наиболее тугоплавкий металл. Добывается в основном из руд двух соединений: вольфрамит FeMnWO₄ и шеелит CaWO₄.

Руды сплавляют с содой на воздухе, получают Na₂WO₄, который извлекают из сплава водой, а железо и марганец превращаются в нерастворимые соединения Fe₂O₃ и Mn₃O₄.

Из водного раствора действием HCl выделяют свободную вольфрамовую кислоту H₂WO₄ в виде аморфного желтого осадка:

Na₂WO₄+ 2HCl ® 2NaCl + H₂WO₄¯

При прокаливании вольфрамовая кислота переходит в WO₃. Восстанавливая оксид вольфрама водородом или углеродом (чистые сорта сажи), получают порошок металлического W. Порошок прессуют и спекают в бруски (штабики). Спекание в атмосфере водорода проводят в две стадии.

Первая стадия – предварительное спекание в водородных печах при 1100 – 1200 °С с целью повышения механической прочности и электрической проводимости штабиков.

Вторая стадия – высокотемпературное спекание при пропускании через штабик электрического тока, постепенно нагревающего его до 3000 - 3200 °С.

При этом получается компактный металл, поступающий на механическую обработку: ковку, протяжку.

W – белый тяжелый металл плотностью 19,3^.10³ кг/м³, t_пл≈ 3400 °С. Вольфрам можно сваривать и вытягивать в тонкие нити, прокатывать в листы. Содержание вольфрама в металле не менее 99,5 %. Максимальная рабочая температура в вакууме – 2560 °С, удельное сопротивление r = 0,055×мкОм×м, температура испарения t_исп= 5930 °С. Для повышения чистоты вольфрама применяют метод электроннолучевой плавки и зонной очистки. Из вольфрама изготовляется проволока, фольга, катоды накала мощных генераторных ламп и кенотронов, сетки усилительных и генераторных ламп, вводы в вакуумные приборы, контакты на большие мощности тока, нити ламп накаливания.

Сплавы вольфрама с медью и серебром сочетают в себе высокие электропроводность, теплопроводность и износоустойчивость. Они применяются для изготовления рабочих частей рубильников, выключателей. Сплавы с кобальтом и хромом – стеллиты обладают высокой твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью.

На воздухе вольфрам окисляется при температуре красного каления. Стоек по отношению к кислотам, даже к царской водке, но растворяется в горячей «адской» смеси -смеси азотной и плавиковой (фтороводородной) кислот

W + 2HNO₃+ 8HF = H₂[WF₈] + 2NO + 4H₂O

с образованием октафторовольфрамовой (VI) кислоты.

Молибден

Молибден – серебристо-белый металл. Добывают из руды молибденит или молибденовый блеск MoS₂(похож на графит). Перерабатывая руду, получают MoO₃. Восстановление MoO₃ ведется в две стадии:

MoO₃+ H₂→ MoO₂+ H₂O

MoO₂+ H₂→ Mo + 2H₂O

Получается порошкообразный мелкозернистый (1 - 2 мкм) чистый металл с небольшим содержанием кислорода и азота. Процесс получения молибдена аналогичен получению вольфрама.

Свойства молибдена:
Плотность, 10³ кг/ м³	9,7÷10,5
Температура плавления, °C	2622 ± 10
Максимальная рабочая температура в вакууме, °C	1700
Удельное электрическое сопротивление, мкОм×м	0,056 мкОм×м.

Молибден химически менее стоек, чем вольфрам. Начинает окисляться на воздухе при 400 °С.

Из молибдена изготовляют катоды газоразрядных приборов, магнетроны, вводы для вакуумных приборов, сетки для ламп, аноды. Выпускают в виде проволоки, листов, фольги, лент.

Растворяется в азотной кислоте или горячей концентрированной серной кислоте.

Тантал и ниобий

Тантал и ниобий близки по физическим и химическим свойствам. Добывают из руд танталит (Mn, Fe)(Ta, Nb)₂O₆ и колумбит (Fe, Mn)(Nb, Ta)₂O₆. Из них получают фтористые соли: фторотанталат калия и оксифторниобат калия, являющиеся вторичными исходными материалами.

Восстановление Ta происходит в реакции:

K₂[TaF₇] + 5Na = Ta + 5NaF + 2KF

Тантал получают в виде порошка. Аналогично получают ниобий.

Реакция экзотермическая, проводится при 1000 °С во взрывобезопасном оборудовании.

Дальнейшая технология изготовления заготовок и изделий из Ta и Nb такая же, как из вольфрама и молибдена. Выпускают оба металла в виде прутков, проволоки, листов, лент, фольги. Методом зонной плавки производят также выращивание кристаллов.

В промышленности методом порошковой металлургии изготовляют 5 марок Та:

Т – тантал повышенной чистоты;

ТЧ – тантал высокой чистоты;

ТН3 – сплав Та и Nb;

ТН20 – сплав Та и Nb;

ТТ1 – тантал торированный.

Ниобий выпускается одной марки.

Физические свойства	Та	Nb
Плотность, 10³ кг/м³	16,6 – 17	8,58
Температура плавления, °С	2990 ± 50	2415
Максимальная рабочая температура, °С	2200	2100
Удельное сопротивление, мкОм× м	0,15	0,13

Механические свойства Та и Nb характеризуются высокой пластичностью.

Применение тантала в электронной технике обусловлено его адсорбционной способностью, т.е. способностью поглощать газы при 700 - 1800°С. Тантал применяют для изготовления катодов косвенного накала с оксидноториевым покрытием в магнетронах. Тантал применяют для изготовления анодов и сеток генераторных ламп, при изготовлении танталовых конденсаторов.

Ниобий тоже обладает адсорбционными свойствами при 400 ¸ 900°С, и его используют как газопоглотитель.

Оба металла, особенно тантал, устойчивы в агрессивных средах. На них не действует HCl, H₂SO₄, HNO₃, HСlO₄ и царская водка, т.к. на поверхности этих металлов образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка (Та₂О₅, Nb₂О₅). Можно растворить в горячей щелочи:

4Ta + 5O₂+ 12KOH = 4K₃TaO₄+ 6H₂O

с образованием танталата калия K₃TaO₄.

Или в ²адской² смеси

3Ta + 21HF + 5HNO₃= 3H₂[TaF₇] + 5NO + 10H₂O

с образованием гептафторотанталовой (V) кислоты H₂[TaF₇].

Тантал и ниобий – компоненты жаропрочных и коррозионностойких сплавов, применяемых в промышленности и космической технике. Тантал не взаимодействует с живыми тканями организма человека и не вредит им, поэтому он применяется в хирургии для скрепления костей при переломах, а танталовыми нитями сшивают нервные волокна. Ниобий дешевле тантала, поэтому сплавы ниобия и тантала конкурируют с применением тантала.

Титан и цирконий

Титан очень распространен, его содержание в земной коре (0,6 % масс) выше, чем меди, свинца, цинка. Минералы, содержащие титан, находятся в природе повсеместно, это ильменит – FeTiO₃, рутил - TiO₂, перовскивит - CaTiO₃, титанмагнетит -FeTiO₃·nFe₃O₄. Добывают термическим методом. Руду переводят в TiO₂, а затем подвергают хлорированию в присутствии углерода, связывающего кислород в СО:

TiO₂+ 2Cl₂+ 2C = TiCl₄+ 2CO

Получающийся хлорид Тi (lV) восстанавливают магнием:

TiCl₄+ 2Mg = Ti + 2MgCl₂ ,

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток – губчатый титан переплавляют, получая компактный ковкий металл.

Примеси кислорода, азота, углерода резко ухудшают механические свойства титана, и даже превращают его в хрупкий материал. Очистку и переплавку проводят в вакууме (иодидный способ).

Цирконий добывают из циркона ZrSiO₄ – силикат циркония и бадделинита ZrO₂. Для получения порошкообразного циркония используют реакцию:

ZrO₂+ 2Ca = Zr + 2CaO

Порошок циркония прессуют в штабики. Чистые сорта титана и циркония получают термической диссоциацией из иодистых соединений TiJ₄, ZrJ₄.

Сплавы содержат от 0,55% до 0,915% Mo, Cr, Al, Mg, W, Cu.

Свойства	Иодидный Тi	Иодидный Zr
Плотность при 20 °С, 10³ кг/м³	4,5	6,5
Температура плавления, °С	1725	1845
Удельное сопротивление, мкОм×м	0,48	0,41

Титан и цирконий имеют малый коэффициент температурного расширения близкий к коэффициенту температурного расширения керамики и стекла. Иодидные металлы высокой чистоты отличаются малым электросопротивлением и меньшими механическими свойствами по сравнению с техническими сортами металлов.

На поверхности титана имеется плотная защитная пленка, стойкая против коррозии. Поэтому коррозионная стойкость титана превышает стойкость нержавеющей стали. Титан не окисляется на воздухе, в морской воде, в разбавленной и концентрированной азотной кислоте и царской водке, но в НСl растворяется:

6HCl + 2Ti = 2TiCl₂+ 3H₂

Главное свойство титана и его сплава с алюминием – высокая жаростойкость наряду с высокими механическими свойствами при высоких температурах. Его используют в самолето- и ракетостроении. Титан немного тяжелее алюминия, но в 3 раза прочнее.

Примеси кислорода, азота и водорода резко повышают твердость, прочность, снижают удлинение и пластические свойства титана. Из титана и его сплавов изготовляют листы, прутки, фольгу. Титан и цирконий способны хорошо поглощать газы (водород, кислород, азот) и удерживать их в широком диапазоне температур. В вакуумной технике из титана и циркония изготовляют аноды, сетки и др. детали, работающие при высокой температуре.

Рений

Рений – относится к группе редких металлов и не образует самостоятельных минералов. Его получают при переработке молибденовых и медных руд, в которых он содержится в малых количествах. Технический рений получают из перрената калия восстановлением водородом при 600 – 1000 °С:

KReO₄+ 3,5H₂= Re + KOH + 3H₂O

Затем его в виде порошка прессуют в штабики и подвергают предварительному обжигу при 1200 °С под вакуумом, чтобы избежать окисления Re до Re₂О₇. Окончательный обжиг и полное спекание производят при t = 2800 °С в водороде.

Свойства рения:
Цвет металла	светло – серый
Плотность, 10³ кг/м³	21
Температура плавления, °С	3176,6
Температура испарения, °С	5900
Удельное сопротивление, мкОм×м	0,21

Рений обладает высокой кислотостойкостью. Применяется для изготовления катодов в газоразрядных приборах, генераторных лампах, изготовления сеток, подогревателей и др.

Сплавы тугоплавких металлов, применяемые в электронной технике и технике связи: W – Mo, Mo - Re, W - Re, Ta - Nb, Ta – W. Они характеризуются высокой температурой плавления (до 3000 °С), высокой рабочей температурой (до 2500 °С), высокой механической прочностью, пластичностью, твердостью. Применяют в вакуумной технике.

3.3. Благородные металлы

Благородные металлы: серебро (Ag), золото (Au), платину (Pt), палладий (Pd) - получают из руд, но встречаются также и в самородном состоянии.

Серебро

Самая важная серебряная руда – серебряный блеск или аргентит Ag₂S. В качестве примесей серебро присутствует в медных и свинцовых рудах. Из этих руд получают 80% всего добываемого серебра.

Серебро очень мягкий, тягучий металл, лучше всех металлов проводит теплоту и электрический ток. Вследствие мягкости на практике в чистом виде не применяют, обычно сплавляют с медью и изготовляют ювелирные и бытовые изделия, монеты. Чистое серебро используется для покрытия других металлов, а также радиодеталей в целях повышения их электрической проводимости и устойчивости к коррозии.

Золото

Золото – встречается в самородном состоянии в виде мелких зерен, вкрапленных в кварц, или содержащихся в кварцевом песке. В небольших количествах золото встречается в сульфидных рудах железа, свинца и меди.

Золото отделяется от песка и измельченной кварцевой породы промыванием водой, которая уносит частицы песка, как более легкие, или обработкой песка жидкостями, растворяющими золото:

4Au + 8NaCN + O₂+ 2H₂O = 4Na[Au(CN)₂] + 4NaOH

Из полученного раствора золото выделяют цинком:

2Na[Au(CN)₂] + Zn = Na₂[Zn(CN)₄] + 2Au

Золото обрабатывают разбавленной серной кислотой для отделения цинка, промывают и сушат. Дальше очищают от примесей золото электролизом или горячей концентрированной серной кислотой. Этот способ, называемый гидрометаллургическим, разработан в 1843 г. П.Р. Багратионом.

Золото – ярко-желтый блестящий металл, очень ковок и пластичен, из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км. Очень хорошо проводит теплоту и электрический ток, но уступает по электропроводности и теплопроводности серебру и меди.

Серебро и золото в чистом виде или в виде сплавов применяют в качестве припоев в приборах. Используются для защиты изделий от коррозии.

Палладий

Палладий – обладает ценным для электровакуумной техники свойством – поглощать водород. Коэффициент поглощения доходит до 850, т.е. 1 объем палладия поглощает 850 объемных единиц водорода.

Платина

Платина – химически стойкий, не соединяющийся с кислородом металл. Хорошо поддается обработке, вытягивается в нити и ленты. Применяется для термопар в паре с платинородием (Pt – Rh) для измерения температур до t = 1600 °С. Платиноиридиевые сплавы (Pt – Ir) не окисляются, имеют высокую твердость и износ.

Свойства благородных металлов
	Au	Ag	Pt	Pd
Плотность, 10³ кг/м³	19,3	10,55	21,45	12,02
Температура плавления, °С	1063	960,8	1773	1554,4
Удельное сопротивление, мкОм·м	0,0235	0,0147	0,106	0,108

3.4. Металлы и сплавы различного назначения.

Никель

Никель встречается в природе в виде соединений с мышьяком или серой – купферникель NiAs; мышьяковоникелевый блеск – NiAsS. Из этих соединений никель извлекают в сульфиды, называемые штейн. Наиболее чистый никель получают электролитическим и карбонильным способом.

Электролитический способ заключается в осаждении никеля на катоде (при электролизе соли никеля с никелевым анодом), а карбонильный – в разложении карбонила никеля Ni(СО)₄ при высокой температуре и выделении чистого никеля в виде порошка.

Как проводник никель обладает такими ценными свойствами:

♦ малая окисляемость на воздухе;

♦ антикоррозийность;

♦ хорошая обрабатываемость.

Никель выпускается 5 марок:

Н0 (99,99% Ni), Н1 (99,93% Ni), Н2 (99,8% Ni), Н3 (98,6% Ni), Н4 (97,6% Ni). Допускаются примеси C, Mg, Si, P, S, Mn, Fe, Bi, Cu, Zn, Cd, Sn, Pb, Co – содержанием не более 0,01%.

Никель выпускается в виде проволоки, листов, фольги, лент, полос,трубок.

Свойства никеля
Плотность, 10³ кг/м³	8,9
Температура плавления, °С	1452
Удельное сопротивление, мкОм·м	0,068

Никель химически стойкий, малоактивный металл. Широко применяется в производстве электровакуумных приборов в виде бесшовных трубок, полос, проволоки; для изготовления сеток маломощных приемоусилительных ламп, анодов генераторных ламп; для гальванического антикоррозийного покрытия железа, меди, латуни.

На основе никеля создано большое число ценных сплавов:

жаропрочные

нимоник (59% никеля, остальное хром, кобальт и др.)

инконель (73% никеля, остальное кобальт, железо и др.)

нихром (60% никеля, остальное хром, железо и др.)

алюмель (сплав никеля с алюминием, марганцем, кобальтом, кремнием)

химически стойкие

монель (65% никеля, остальное медь и др.)

магнитные

пермаллой (78,5% никеля + 21,5% железа) – для изготовления сердечников трансформаторов

инвар (36% никеля + железо и др.) – практически не расширяется при повышении температуры до 100°С.

Ртуть

Ртуть – получают из сернистой ртути (киновари) нагреванием на воздухе при ≈ 500 °С:

Hg + O₂= Hg + SO₂

Получающийся металл – жидкий, серебристо-белого цвета, содержит примеси Pb, Bi, Zn, Sn и др.

Свойства ртути
Плотность, 10³ кг/м³	13,5
Температура плавления, °С	– 38,89
Давление насыщенных паров, мм рт.ст	1,3·10^-3
Удельное сопротивление, мкОм·м	0,958

Наиболее важное свойство, используемое в вакуумной технике, это высокое давление насыщенных паров ртути и скорость их испарения, что делает возможным работу вакуумных приборов с ртутным заполнением.

Ртуть – химически стойкий металл, окисляется на воздухе при 300°С. Некоторые металлы (Al, Mg, Sn, Pb, Cd, Zn, Ag, Au, Pt) растворяются в ртути, образуя амальгамы. Fe, W, Ta – не растворяются в ртути. Не взаимодействует с ртутью графит, стекло, керамика, слюда.

Ртуть применяют в газоразрядных приборах, где используется ионизация паров ртути; в ртутных выпрямителях; для контактов в приборах автоматического включения (реле и др.).

3.5. Щелочные металлы

К щелочным металлам относятся литий (Li), натрий (Na), калий (K), цезий (Cs), рубидий (Rb) – элементы I группы периодической системы. Натрий и калий получают электролизом расплавов:

Cs, Li, Rb – получают восстановлением металлическим цирконием из хромовых солей:

Cs₂CrO₄+ Zr ® Cs + ZrCrO₄

Rb₂CrO₄+ Zr ® Rb + ZrCrO₄

Li₂CrO₄+ Zr ® Li + ZrCrO₄

Свойства щелочных металлов

	Na	K	Cs	Li	Rb
Плотность, 10³ кг/м³	0,97	0,86	1,87	0,5	1,53
Температура плавления, °С	98	63	28	186	39
Температура кипения, °С	883	776	690	1370	700
Удельное сопротивление, мкОм×м	0,042	0,062	0,19	0,086	0,125
Работа выхода электронов, эВ	2,27	2,1	1,89	2,3	2,1

Применение щелочных металлов в электровакуумной технике основано на высокой светочувствительности при малом значении работы выхода электронов (Cs обладает даже чувствительностью к ИК - лучам). Применяют для фотоэлектронных катодов, фотоэлементов, фотоумножителей, для рентгеновских трубок.

Щелочные металлы химически активны. С кислородом реакция идет бурно, со взрывами. Легко воспламеняются. Нельзя тушить углекислотой:

Na₂O + CO₂= Na₂CO₃

Необходимо соблюдать меры безопасности: хранить эти металлы под слоем керосина, применять защитные очки, работу производить в сухом помещении.

3.6. Щелочноземельные металлы

Щелочноземельные металлы барий (Ва), стронций (Sr), кальций (Ca) – элементы второй группы периодической системы.

Добывают из барита – BaSO₄, витерита – ВаСО₃, целестина – SrSO₄, стронцианита – SrCO₃, известняка, мрамора, мела – СаСО₃, гипса – СаSО₄.

Свойства щелочноземельных металлов

	Ba	Sr	Ca	Mg
Плотность, 10³ кг/м³	3,74	2,63	1,55	1,73
Температура плавления, °С	704	771	849	651
Температура кипения, °С	1537	1366	1487	1107
Удельное сопротивление, мкОм×м	0,50	0,23	0,034	0,0446
Работа выхода, эВ	2,29	2,35	2,76	3,46

При невысоких температурах щелочноземельные металлы и магний имеют высокое давление насыщенных паров и высокие скорости испарения. Они распыляются в вакууме и осаждаются на поверхностях приборов.

Применяют щелочноземельные металлы для оксидных катодов, поглотителей газов в вакуумных приборах, стабилизаторов сеточных и анодных токов в радиолампах.

3.7. Сплавы сопротивления и сплавы для термопар

Сплавы сопротивления применяются в электроизмерительных приборах, реостатах, резисторах, электронагревательных приборах. Наибольшее применение нашли:

Манганин (от марганца - манганум) – сплав меди, марганца, никеля (86 % Сu+12 % Mn+2 % Ni). Удельное сопротивление, r – 0,42 ¸ 0,48 ; плотность– 8,4×10³ кг/м³. Изготавливают в виде проволоки.

Константан – медно-никелевый сплав. Удельное сопротивление r = 0,45¸0,52 мкОм×м. Выпускается в виде проволоки и лент. Проволока двух сортов: мягкая (М) и твердая (Т) - предназначена для работы при температурах до 500 °С и применяется для реостатов. В паре с медью дает большую термо-э.д.с., что препятствует широкому применению константановых резисторов в измерительных схемах. Используется для изготовления медь – константановых термопар, для измерения температур порядка 600°С.

Нихромы или хромоникелевые сплавы Х15Н60, Х20Н80 – жаростойкие сплавы. Из них изготовляют нагревательные элементы электропечей, паяльников, электронагревателей. Из этих сплавов делают холоднотянутую и горячекатаную проволоку и ленту.

Удельное сопротивление нихрома r = 1¸1,2 мкОм×м, рабочая температура t = 1100 °С/

Увеличение содержания хрома ухудшает обработку, повышает твердость сплава, но зато увеличивает удельное сопротивление, повышает стойкость к окислению.

С целью удешевления и улучшения механических свойств (прокатка, ковка) в нихром вводят железо. Но оно понижает рабочую температуру сплава.

Нихром имеет оксидную пленку на поверхности, поэтому у него продолжительный срок службы при непрерывном нагреве. Если чередуется нагрев с охлаждением, то защитная пленка растрескивается и происходит газовая коррозия, при которой уменьшается сечение проводника, увеличивается местный нагрев, а провод перегорает от перегрева.

Фехраль и хромаль – сплавы железа, хрома и алюминия. Дешевые, т.к. не содержат дефицитный никель, но более твердые и хрупкие, менее технологичные при изготовлении проволоки и лент. Проволоку делают крупных сечений и применяют для мощных электропечей, муфельных печей.

Удельное сопротивление,– 1,3 мкОм×м.

Сплавы для термопар

Для изготовления термопар применяются сплавы.

· Копель – 56 % Сu + 44 % Ni. В паре с медью применяется до 350 °С; с железом, хромелем до 600 °С.

· Константан - 60 % Сu + 40 % Ni. В паре с медью применяется до 350°С; с железом до 600 °С;

· Хромель – 90 % Ni + 10 % Сr. Дешевый сплав, в паре с алюмелем применяется до 900 – 1000 °С

· Алюмель – 95 % Ni + 5 % Аl. Дешевый сплав для температур до 900 – 1000 °С.

· Платинородий – 90 % Рt + 10 % Rh. Дорогой сплав, в паре с платиной применяется при температурах до 1600 °С.

Наибольшей термо-э.д.с из перечисленных термопар на один градус обладает хромель копель – около 80 мкВ/град

3.8. Металлы и сплавы электровакуумной техники

На основе металлов со средней температурой плавления (Fе, Ni) созданы сплавы, которые широко применяются в электровакуумных технологиях. Эти сплавы обладают согласованным со стеклом коэффициентом линейного температурного расширения и позволяют получать совмещенные со стеклом металлические изделия и спаи со стеклом.

Инвар

Сплав 36 % никеля и 64 % железа, практически не расширяется при нагревании до 100°С и применяется в электрорадиотехнике и в химическом машиностроении.

Платинит

Сплав 47 % никеля и железа (Н47). Имеет коэффициент температурного расширения такой же, как у стекла и используется для впаивания вводов металлических контактов в стекло (коэффициент линейного температурного расширения платинита примерно равен стеклу).

Ковар

Сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта. Удельное сопротивление ковара в два раза меньше сопротивления инвара.

Инвар и ковар применяют для герметизации изделий путем сварки со стеклом, для изготовления конденсаторов с переменной емкостью.

3.9. Контактные сплавы

Электрические контакты, применяемые в различных установках, аппаратах разделяют на три группы.

· Разрывные контакты предназначены для размыкания и замыкания электрической цепи. Нарушение работоспособности контактов обусловлено в зависимости от силы тока эрозией, коррозией (окислению) и свариванием. Перенос металла, вызывает на одном контакте нарост, а на другом – образование кратеров. Окисление повышает сопротивление контакта вплоть до полного нарушения проводимости. Спекание наблюдается при импульсах тока на маломощных контактах.

Для разрывных контактов маломощных контактов прецизионных реле и приборов применяют: Pt, Pd, Au, Ag, W, Mo, Ni, Cu, Cu-Cd, Pt-Rh, Pt-Ir, Pt-Ru, Pt-Ni, Pt-W, Pd-Ir, Pd-Ag, Pd-Cu, Au-Ag, Au-Ni, Au-Zr, Ag-Cu, Ag-Cd. Особо ценными являются сплавы палладия с серебром и медью.

· Скользящие контакты применяются в ползунках потенциометров, обмотках резисторов, контактных кольцах. Контакты должны быть стойки к истиранию, иметь низкое электросопротивление. В контактах используют нихром, константан, Rh, Pd - Cu, Pd - Ir, Pd – Ag – Au – Cu, Pt - Ag, Ag, Ag - Pd, Cu - Cd.

· Неподвижные контакты используются в сигнальной аппаратуре (Ag, Pd-Ag, Pd-Cu, Ag-Cu); реле (Pd-Cu, Ag, Ag-Cu), термостатах (Ag, Ag-Pd, Ag-Cd, Pt-Ir), бытовых приборах (Аg), низковольтных выключателях.

3.9. Металлокерамические контакты (керметы)

В аппаратах, где происходит оплавление, приваривание или быстрый износ контактов, изготовленных из чистых металлов и сплавов, рекомендуется применять контакты из металлокерамических композиций (керметы), представляющих механическую смесь несплавляющихся между собой компонентов.

Керметы получают спеканием смесей порошков металлов и неметаллических компонентов – тугоплавких оксидов, карбидов, боридов и др. Их прессуют из смеси порошков заданного состава с последующим спеканием. Это: Ag - W; Ag – карбид вольфрама; Ag - Mo; Ag - Ni; серебро – оксид кадмия; серебро - графит; Cu – W. Часто в качестве металлической составляющей используют металлы подгрупп Сr и Fе.

Эти материалы сочетают в себе тугоплавкость, твердость и жаростойкость керамики с проводимостью, пластичностью и другими свойствами металлов.

3.10. Припои и флюсы

Припои

Припои – сплавы для пайки металлов высокой проводимости. Для получения хорошего соединения припой должен иметь температуру плавления ниже, чем у металла, хорошо смачивать поверхность в расплавленном состоянии, иметь небольшое сопротивление контакта. Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть близки друг к другу. Применяют припои оловянно – свинцовые (ПОС - 61, содержащий 61 % олова, остальное - свинец), оловянно – цинковые (ПОЦ – 90, имеет температуру плавления 199 °С и используется для пайки алюминия и его сплавов), сплавы висмута со свинцом, оловом, кадмием (для температур нагрева меньше, чем 100°С) и др.

Подразделяются:

· мягкие припои – температура плавления до 400 °С;

· твердые припои – температура плавления выше 500 °С.

Мягкие изготовляют оловянно – свинцовые (ПОС) 18 % - 90 %. Существуют мягкие припои с содержанием висмута и кадмия, алюминия, серебра – температура пайки до 140°С. Висмутовые припои очень хрупки. Широко применяют ПОС – 40 и ПОС – 60 (60 % и 40 % - олова).

Среди твердых припоев наиболее распространены – медно – цинковые – ПМЦ и серебряные (ПСр).

Флюсы

Для облегчения пайки и обеспечения надежности используют вспомогательные вещества – флюсы, которые должны:

1) растворять и удалять оксиды с поверхности металлов;

2) защищать поверхность металла от окисления;

3) улучшать растекаемость припоя и смачиваемость спаиваемых поверхностей.

Флюсы подразделяются на несколько групп:

1. Активные или кислотные флюсы – НСl, хлористые и фтористые соединений металлов. В электротехнике и в радиотехнике не применяют.

2. Бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на ее основе с добавкой неактивных веществ (спирт, глицерин).

3. Активированные флюсы – канифоль с добавками солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты и др.

4. Антикоррозийные флюсы получают на основе фосфорной кислоты Н₃РО₄ с добавлением органических соединений и растворителей, которые не вызывают коррозии.

Контактолы

Контактолы применяются для получения контактов между металлами, металлами и полупроводниками, создания электродов, экранирования от помех.

Контактолы готовятся в виде пасты на основе мелкодисперсного порошка серебра, никеля, палладия, которые используются в качестве проводящей фазы, взвешенной в высокомолекулярных веществах. Водная паста высокодисперсного графита известна под названием аквадаг.

3.11. Электроугольные изделия

Неметаллические проводники на основе углерода называют электроугольными изделиями.

Из электроугольных изделий изготавливают:

· электрические щетки для коллекторов электромашин;

· электроугли и электроды, применяемые в дуговых лампах и электропечах;

· электроды в гальванических элементах;

· угольные мембраны для микрофонов, микрофонные порошки;

· высокоомные резисторы.

Основное сырье для производства электроугольных изделий: графит, нефтяной кокс, пековый кокс, антрацит, сажа, каменноугольная смола.

Электрощетки являются скользящими контактами на коллекторе электрической машины и служат для подвода и отвода тока. Щетки должны иметь малое сопротивление, малый износ, хороший контакт с поверхностью коллектора. Щетки подразделяют на 4 группы:

1.	угольно – графитовые(Т2, УГ2), мкОм×м	21¸54
2.	графитные (Г1, Г3) мкОм×м	12¸37
1.	электрографитированные (ЭГ2а, ЭГ4, ЭГ8, …), мкОм×м	10¸50
2.	металлографитные (М1, М3, …): медные, или бронзо–графитные, мкОм×м	0,2¸9

Изготавливаются щетки прессованием в пресс-формах из измельченной углеродной массы. Для уменьшения сопротивления массу могут добавляться порошки меди или бронзы. Заготовки подвергаются обжигу. Обжиг ведут при температуре около 800 – 1000 °С. Так как при высоких температурах углерод превращается в графит, то для получения графитированных щеток обжиг проводят при температуре около 2200 °С

Электроугли служат:

1. нагревательными элементами электрических печей, где они выполняют роль резисторов;

2. проводниками электроэнергии к нагревательному элементу;

3. электродами вольтовой дуги;

4. осветительными углями в виде стержней в прожекторной, кинопроекционной, киносъемочной электроаппаратуре.

Микрофонные порошки

Свойство угольного порошка изменять свое сопротивление в зависимости от давления обусловливается переходным сопротивлением зерен порошка и используется в микрофонах, где под действием звуковых колебаний изменяется давление на порошок. Порошок изменяет свое сопротивление, что создает колебания тока в электрической цепи.

Сырьем для порошков служит антрацит, который дробится на куски £ 5мм, просеивается через сито (80 меш), обжигается в печах при 900 - 1000°С или 1480°С (в зависимости от марки) и еще раз просеивается через сито (45 меш), удельное сопротивление 0,40 – 7,0 Ом×м.

Мембраны для микрофонов производят из смеси пекового кокса (75%) и каменноугольной смолы (25%). Пек размалывают в шаровой мельнице, просеивают через сито (100 меш), перетирают 24 часа на бегунах, просушивают в сушильных барабанах, просеивают через сито (50 меш). Затем смешивают со смолой, прогретой до температуры 300 - 315°С. Смесь обрабатывают на вальцах, размалывают в шаровых мельницах, просеивают через сито (200 меш). Из полученного порошка на гидравлических прессах под давлением прессуют мембраны в виде дисков и обжигают при температуре 1480°С.

Резисторы

Резисторы на основе углерода (ВС, УЛИ и др.) отличаются от проволочных резисторов меньшими размерами, высоким верхним пределом номинального сопротивления. В качестве проводящего материала углеродистых резисторов используются природный графит, сажа, пиролитический углерод[1], бороуглеродистые пленки, полученные пиролизом бороорганических соединений.

[1] Пиролитический углерод – углерод, полученный путем пиролиза (термического разложения без доступа кислорода) газообразных углеводородов (метан, бензин, гептан) в камере, где находятся керамические или стеклянные основания заготовок для резисторов. Реакция пиролиза углеводородов общего состава C_mH_n протекает по схеме

Особенность структуры пиролитического углерода - отсутствие строгой периодичности в расположении слоев, характерных для графита, при сохранении их параллельности.