Билет №21, 22 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №21, 22" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №21, 22"
Текст из документа "Билет №21, 22"
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.
Манганин — это 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.
Константин — сплав, 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 Fe—Ni—Cr, 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 Fe—Cr—A1, 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
Р ис. 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.