Конструкционные материалы приборостроения

1.

Министерство науки и высшего образования
Қарагандинский университет
имени академика Е.А.Букетова
Конструкционные материалы приборостроения
6B07104 – «Приборостроение»
Тема 1. Проводниковые материалы
Автор: ассоц. профессор кафедры Радиофизики и
электроники Айжамбаева С.Ж.
Вид занятия: лекция
Қарағанды 2025

2.

ПЛАН:
Классификация проводников.
Материалы высокой проводимости.
Сплавы высокого электрического сопротивления.
Конструкционные материалы приборостроения
Литература:
1. В.Н.Волков. Материаловедение. Алматы: Эверо, 2015.164 с.
2. Арзамасов, В. Б. Материаловедение : учебник для
студентов вузов / В. Б. Арзамасов, А. А. Черепахин.Москва: Академия, 2013. - 173 с.
3.В.Г.Шевченко.
Основы
физики
полимерных
композиционных материалов. М., МГУ, 2010.-98 с.

3.

Классификация проводников
К группе проводниковых материалов принято
относить проводники с удельным электрическим
сопротивлением в нормальных условиях ρ ≤ 10-7
Ом∙м.
В электронной технике в качестве проводниковых
используют три основные группы материалов:
металлы, сплавы металлов и неметаллические
проводящие материалы.
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.

4.

Материалы высокой проводимости
Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей
широкое применение в качестве проводникового
материала, следующие:
- малое удельное сопротивление;
- достаточно высокая механическая прочность;
- удовлетворительная в большинстве случаев
применения стойкость по отношению к коррозии;
- хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в
листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина
которой может быть доведена до тысячных долей
миллиметра;
- относительная легкость пайки и сварки.

5.

Материалы высокой проводимости
Медь получают чаще всего путем переработки
сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с
интенсивным дутьем медь, предназначенная для
электротехнических целей, обязательно проходит
процесс электролитической очистки.
В качестве проводникового материала чаще всего
используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1
содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей
(0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%.
Присутствие в меди кислорода ухудшает ее
механические свойства. Лучшими механическими
свойствами обладает медь марки М0, в которой
содержится не более 0.05% примесей, в том числе не
свыше 0.02% кислорода.

6.

Материалы высокой проводимости
Медь является сравнительно дорогим и
дефицитным материалом, поэтому она все шире
заменяется другими металлами, особенно
алюминием.
В отдельных случаях применяются сплавы меди
с оловом, кремнием, фосфором, бериллием,
хромом, магнием, кадмием.
Такие сплавы, носящие название бронз, при
правильно
подобранном
составе
имеют
значительно более высокие механические
свойства, чем чистая медь.

7.

Материалы высокой проводимости
Алюминий является вторым по значению после меди
проводниковым
материалом.
Это
важнейший
представитель так называемых легких металлов:
плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного –
2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче
меди. Температурный коэффициент расширения,
удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия
больше, чем меди. Вследствие высоких значений
удельной теплоемкости и теплоты плавления для
нагрева алюминия до температуры плавления и
перевода в расплавленное состояние требуется большая
затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же
количества меди, хотя температура плавления
алюминия ниже, чем меди.

8.

Материалы высокой проводимости
Алюминий обладает пониженными по сравнению с
медью свойствами – как механическими, так и
электрическими.
При одинаковом сечении и длине электрическое
сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза
больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий
менее дефицитен, чем медь.
Для электротехнических целей используют алюминий,
содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще
более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03%
примесей) применяют для изготовления алюминиевой
фольги, электродов и корпусов электролитических
конденсаторов.

9.

Материалы высокой проводимости
Алюминий обладает пониженными по сравнению с
медью свойствами – как механическими, так и
электрическими.
При одинаковом сечении и длине электрическое
сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза
больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий
менее дефицитен, чем медь. Для электротехнических
целей используют алюминий, содержащий не более
0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий
марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для
изготовления алюминиевой фольги, электродов и
корпусов электролитических конденсаторов.
Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет
содержание примесей не более 0004%

10.

Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5%
снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 23%. Более заметное действие оказывают примеси Cu,
Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие
γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают
электропроводность алюминия Ti и Mn. Алюминий
весьма активно окисляется и покрывается тонкой
оксидной пленкой с большим электрическим
сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от
дальнейшей коррозии. Алюминиевые сплавы обладают
повышенной механической прочностью. Примером
такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5%
Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется
соединение Mg2Si, которое сообщает высокие
механические свойства сплаву.

11.

Материалы высокой проводимости
Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный
металл, обладающий к тому же высокой механической
прочностью, представляет большой интерес для
использования в качестве проводникового материала.
Однако даже чистое железо имеет значительно более
высокое сравнительно с медью и алюминием удельное
сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью
углерода и других элементов, еще выше.
Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии:
даже при нормальной температуре, особенно в условиях
повышенной влажности, она быстро ржавеет; при
повышении температуры скорость коррозии резко
возрастает.

12.

Материалы высокой проводимости
Поэтому поверхность стальных проводов должна быть
защищена слоем более стойкого материала. Обычно для
этой цели применяют покрытие цинком.
В ряде случаев для уменьшения расхода цветных
металлов применяют так называемый биметалл. Это
сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба
металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.
Весьма перспективным проводниковым материалом
является металлический натрий.
Натрий
может
быть
получен
электролизом
расплавленного хлористого натрия NaCl в практически
неограниченных количествах.

13.

Из сравнения свойств натрия со свойствами других
проводниковых металлов видно, что удельное
сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ
меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря
чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его
почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из
натрия при данной проводимости на единицу длины
должен быть значительно легче, чем провод из любого
другого металла.
Однако натрий чрезвычайно активен химически (он
интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с
водой), почему натриевый провод должен быть
защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка
должна придавать проводу необходимую механическую
прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый
предел прочности при деформациях.

14.

Сплавы с высоким электрическим
сопротивлением
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением класс прецизионных сталей, характеризующийся
высоким
значением
электросопротивления
и
повышенной окалиностойкостью. Они применяются для
изготовления
нагревательных
элементов
промышленного оборудования и бытовых приборов,
термодатчиков,
резисторов
и
тензорезисторов,
ответственных элементов вакуумных приборов и
соединителей
в
электротехнических
изделиях.
Изготавливаются на основе никеля (Ni), хрома (Cr),
молибдена (Mo), алюминия (Al) и железа (Fe). При
производстве имеют вид холоднокатаной ленты, полосы,
прутка или проволоки.

15.

Классификация сплавов с высоким
электрическим сопротивлением
Сплавы с повышенным электросопротивлением делят на
группы в соответствии с их назначением и составом:
- сплавы для нагревательных элементов на основе
железа, хрома и алюминия — сохраняют высокую
жаростойкость в вакууме, водороде, сернистых и
углесодержащих средах, при непрерывном воздействии
высоких температур склонны к деформации;
- материалы для нагревателей на основе никель-хрома
обладают высоким сопротивлением к окислению и
деформации при повышенных температурах в вакууме,
водороде, азоте и аммиаке; в сере и сернистых
соединениях жаропрочность металлов снижается;

16.

Классификация сплавов с высоким
электрическим сопротивлением
- сплавы для изготовления прецизионных резисторов —
характеризуются
зависимостью
сопротивления
проводника от изменения его температуры, в составе
могут иметь вольфрам, марганец, хром, никель,
алюминий, медь, бериллий, молибден, ванадий.
Вне зависимости от основы состава, сплавы для
нагревателей не окисляются и сохраняют высокую
жаростойкость
в
атмосферах
с
избыточным
содержанием кислорода.

17.

Марки стали и особенности производства
Для изготовления печных электронагревателей и
нагревательных элементов бытовых приборов
используются следующие марки сталей:
Х15Ю5,
Х23Ю5, Х23Ю5Т и
Х27Ю5Т
прецизионные сплавы на основе хром-алюминия.
В соответствии с ГОСТом 10994-74 «Сплавы
прецизионные. Марки» при их производстве должны
применяться свежие шихтовые материалы.
В представленных сталях, кроме Х23Ю5Т,
допускается наличие не более 0,1% циркония.

18.

Марки стали и особенности производства
ХН60ЮЗ, ХН70Ю, Х15Н60-Н, Х15Н60ЮЗА,
Х20Н80-Н
и
ХН20ЮС
никель-хромовые
соединения.
По ГОСТу 10994-74 стали Х15Н60-Н и Х20Н80-Н
должны изготавливаться в индукционных или
плазменных печах (при наличии в последних
керамического тигля).
В сталях марки Х2ОН80 допускается наличие
остаточного кальция, магния, бария и РЗЭ
(редкоземельных элементов).
В Х20Н80-ВИ присутствие циркония и РЗЭ
считается признаком брака.

19.

Свойства
сплавов
с
высоким
электросопротивлением
Одно из требований, предъявляемых к сплавам с
повышенным электрическим сопротивлением - высокая
пластичность. Это позволяет изготавливать из них
проволоку сечением от 0,02 мм и ленту толщиной от
0,01 мм. Кроме того, все прецизионные стали данного
класса, кроме предназначенных для изготовления
резисторов, обладают минимальным колебанием
электросопротивления по всей длине нагревательного
элемента и высокой предельной рабочей температурой
(в зависимости от марки стали она может достигать +1
100°С, +1 200°С, +1 350°С и +1 400°С). Сплавы для
резисторов сохраняют свои электрические свойства при
нагревании до +200°С…+600°С.

20.

Свойства
сплавов
с
высоким
электросопротивлением
Нагрев
жаростойких
сплавов
провоцирует
образование на поверхности элементов защитной
пленки, которая в свою очередь препятствует
окислению металлов при контакте с кислородом.
Но если исключить доступ воздуха к поверхности
металла, то можно во много раз увеличить срок
службы изделия.
Именно поэтому в ТЭНах (нагревательных элементах
трубчатой формы) проволоку из прецизионного сплава
располагают в корпусе из металла, устойчивого к
окислению, а пространство между ними заполняют
диэлектрическим порошком.

21.

Конструкционные материалы
приборостроения
Коррозионностойкая сталь — это особый вид стали,
который обладает высокой устойчивостью к коррозии и
окислению. Благодаря своим уникальным свойствам
она нашла широкое применение в различных отраслях
промышленности, включая приборостроение .
В приборостроении коррозионностойкую сталь
используют для создания различных автоматических
устройств, приборов и оборудования, которые должны
работать в условиях повышенной влажности,
агрессивных сред и воздействия химических веществ.
Применение коррозионностойкой стали позволяет
повысить надежность и долговечность изделий, а также
снизить затраты на их обслуживание и ремонт.

22.

Конструкционные материалы
приборостроения
В
приборостроительной
отрасли
используют
конструкционные материалы.
Эксплуатационные требования к таким материалам —
высокая
прочность,
наличие
определенных
электрических и магнитных свойств, стабильность
технических
и
размерных
характеристик,
устойчивость к агрессивным средам — делают
коррозионностойкую сталь наиболее подходящим
материалом.
Широкое применение коррозионностойкой стали
также обусловлено невысокой стоимостью (по
сравнению с цветными металлами) и доступностью.

23.

Конструкционные материалы
приборостроения
Из
коррозионностойкой
стали
изготавливают
корпусные детали приборов, крепежные элементы,
ответственные детали устройств, части подвижных
узлов, опорные элементы и т. д.
При производстве оборудования используются все
виды проката: листовая сталь, трубы, проволока,
круги и прочее.
Основное
назначение
легирования
коррозионностойких
сталей
придание
им
коррозионной стойкости, прочности, твердости,
жаропрочности и жаростойкости, необходимых для
работы в агрессивных средах и при повышенных
температурах.

24.

Конструкционные материалы
приборостроения
В зависимости от степени стойкости в разных
условиях сплавы подразделяют на группы:
1. Коррозионностойкие стали и сплавы, обладающие
стойкостью против электрохимической и химической
коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной,
кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии,
коррозии под напряжением и др.;
2. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы,
обладающие
стойкостью
против
химического
разрушения поверхности в газовых средах при
температурах выше 550 °С, работающие в
ненагруженном или слабонагруженном состоянии;
Для Цитирования: