Материалы высокого удельного сопротивления

Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло. Очевидно, что к таким материалам будут предъявляться следующие требования:

· высокое удельное сопротивление;

· высокая механическая прочность;

· технологичность – т. е. способность к сварке, пайке, пластичность;

· коррозионная стойкость;

· низкая стоимость;

· низкое значение термо- ЭДС в паре с медью;

· малый температурный коэффициент сопротивления.

Очевидно, что для того, чтобы материал имел высокое удельное сопротивление, он должен представлять собой твердый раствор одного металла в другом. Причем хотя бы один из компонентов сплава должен быть переходным металлом. Из теории сплавов известно, что неограниченное растворение одного металла в другом возможно при близости размеров ионов и одинаковом типе кристаллических решеток. Рассмотрим некоторые материалы высокого сопротивления (табл. 3.2).

Материалы высокого электросопротивления           Таблица 3.2

Сплавы на основе меди

Константан

Твердый раствор 40% никеля в меди, точнее 40%Ni, 1,5%Mn, остальное медь. Этот сплав маркируется как НММц 58,5-1,5. Наименование этого сплава подчеркивает неизменность его сопротивления при изменении температуры. Практически при изменении температуры от –100°С до +100°С его удельное сопротивление остается постоянным, т. е. температурный коэффициент сопротивления (a_r) равен 0. У данного сплава довольно-таки высокое удельное сопротивление (0,5 мкОмґм), он пластичен и прочен. При нагреве на его поверхности образуется окисная пленка, обладающая изоляционными свойствами. Оксидная изоляция позволяет плотно навивать константановую проволоку, если напряжение между витками не превышает 1 В. Применение константана для изготовления прецизионных резисторов ограничено высоким значением термо-ЭДС в паре с медью (40 мкВ/°С). Последнее обстоятельство позволяет использовать сплав в термопарах для измерения температур до 500 °С.

Никелин

Из-за меньшего содержания никеля сплав более дешев, однако его удельное сопротивление меньше, чем у константана (r=0,35 мкОмґм). Кроме того, сплав имеет заметный температурный коэффициент удельного электросопротивления. Главным образом этот сплав используют для изготовления пусковых и регулировочных реостатов.

Нейзильбер

Замена никеля более дешевым цинком приводит к существенному уменьшению стоимости сплава. Вместе с тем сплав обладает достаточно высоким удельным сопротивлением (r=0.3 мкОмґм). Столь высокое удельное сопротивление вызвано тем, что размер иона цинка меньше размера иона меди, а размер иона никеля больше размера иона меди. Поэтому суммарные искажения кристаллической решетки велики, что затрудняет продвижение электронной волны. После наклепа нейзильбер обладает достаточной упругостью, что позволяет использовать его для изготовления упругих элементов (пружин, мембран, сильфонов). Константан не рекомендуется применять при работе в области температур 300-400 °С. При этих температурах активная диффузия цинка к границам зерен приводит к образованию вдоль границ интерметаллидной пленки, что ведет к охрупчиванию сплава.

Манганин

Достаточно дешевый сплав, отличающийся высоким удельным сопротивлением (r=0.45 мкОмґм) и низкой термо-ЭДС в паре с медью. Недостатком сплава является низкая коррозионная стойкость и невысокая предельная рабочая температура (<200°С).

Никель-хромовые сплавы

Нихромы

Классическим никель-хромовым сплавом является сплав Х20Н80 (20%Cr, 80%Ni). При комнатной температуре в никеле растворяется 20% хрома. При этом хотя и сохраняется ГЦК решетка никеля, но она сильно искажается ионами хрома. Это обстоятельство в сочетании с тем, что и никель и хром являются переходными металлами, приводит к высокому удельному сопротивлению сплава (r=1,1 мкОмґм). Поверхность нихрома покрыта химически стойкими окислами, которые затрудняют пайку нихрома и защищают его от окисления при высоких температурах. Для повышения механической прочности в нихром вводят титан, молибден, кремний.

Железохромалюминиевые сплавы

Типичным представителем этой группы сплавов является сплав 0Х27Ю5 (23%Cr, 5%Al, остальное – железо). Сплав отличается высоким удельным сопротивлением (r=1,1 мкОмґм). Замена никеля на железо приводит к существенному удешевлению сплава, а наличие хрома и алюминия обеспечивает высокую стойкость к окислению. Недостатком сплавов такого типа является низкая пластичность, вызванная образованием интерметаллидных соединений. Таким образом, несмотря на дешевизну сплавы имеют ограниченное применение из-за низкой технологичности (трудность пайки и малая пластичность).