Материалы высокого сопротивления
К материалам высокого сопротивления относятся металлы и сплавы, используемые для электроизмерительных приборов, резисторов. У них помимо высокого удельного сопротивления должны быть высокая стабильность сопротивления во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, малая термоЭДС в паре с медью. Иногда они должны работать при высоких температурах, быть технологичными и по возможности не содержать дорогостоящих компонентов. Резистивные материалы должны иметь высокое удельное сопротивление. обладать высокой коррозиционной стойкостью, высокой стабильностью и малой термоЭДС в паре с медью. Очень важно, чтобы эти требования выполнялись, если материал предназначен для изготовления образцовых и добавочных резисторов и шунтов электроизмерительных приборов. для переменных низкоомных резисторов надо иметь весьма малое и стабильное (во времени) контактное сопротивление. В зависимости от назначения, условий эксплуатации, с учетом номинального сопротивления в качестве материалов для резисторов применяют металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением, а также оксиды металлов, углерод, композиционные материалы (иногда на основе благородных металлов - платины, палладия, золота и серебра). Конструктивно резисторы выполняются в виде объемных элементов, проволоки различных диаметров и пленки, осаждаемой на диэлектрическое основание (подложку). для пленок введен параметр - сопротивление квадрата, или сопротивление на квадрат (или удельное поверхностное сопротивление), численно равное сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине, при протекании тока параллельно поверхности подложки. Сопротивление квадрата определяется по формуле
Rk = r / d, (3.3)
где r- удельное объемное сопротивление пленки толщиной d.
Для резисторов и термопар наиболее распространенными являются сплавы типа манганина. Это сплавы на никелевой и медно-никелевой основе. Собственно манганин - наиболее распространенный сплав при изготовлении точных резисторов. Манганин марки МНМцЗ-12 содержит: марганца 11,5 - 13,5 %, никеля и кобальта 2,5 - 3,5 %, остальные % - медь. Обычно при повыщении стабильности характеристик его отжигают при температуре 400 °С в течение 2 ч в вакууме или в нейтральных газах ( аргон, азот ) с медленным охлаждением. Холоднотянутая проволока подвергается 10-часовому старению при температуре 140 0С. Кроме того, требуется длительная выдержка манганина при комнатной температуре, примерно около 1 года. Основные свойства манганина этой марки таковы: при 20 0С удельное сопротивление
r= 0,48 мкОм м: температурный коэффициент удельного сопротивления при той же температуре ar = (5 - 30) 10-6 1/К, термоЭДС относительно меди равна 1 мкВ 1/К +1: Тплавл = 960 0С, наибольшая допустимая рабочая температура (длительно ) ТР 300 0С.
Константан также относится к этой группе сплавов, но в его составе марганца всего 1 – 2 % , никеля - 39 – 41 %, остальные %- медь. Марка константана - МНМц4О-1,5. Его основные свойства: r= 0,48 – 0,52мкОм м; ar = (5- 25 ) 10-6 1/К; Траб = 450 0С; термоЭДС в паре с медью достаточно высока и составляет 45 - 55 мкВ 1/К. что является недостатком при использовании его в измерительных схемах, но достоинством в термопарах.
Резисторы на основе кремния, как правило, тонкоплёночные. Для них использованы следующие марки сплавов: РС-4800, РС-370, РС3001, РС-1714, РС-1004, а также сплавы многокомпозиционные, состоящие из кремния, железа, хрома, никеля, алюминия и вольфрама (типа МЛТ). В обозначении марок буквы означают: РС резистивный сплав, две первые цифры - номинальное содержание основного легирующего компонента, две остальные - то же для второго компонента. Сплавы в виде порошков предназначены для изготовления методом испарения и конденсации в высоком вакууме тонкопленочных резисторов и других вспомогательных слоев в электронике. Резисторы из сплавов МЛТ получают термическим вакуумным испарением из вольфрамовых испарителей и путем конденсации пленок на диэлектрические подложки. Для увеличения удельного сопротивления сплавов в них часто вводят оксиды металлов. Для получения нужных свойств пленки после осаждения термообрабатывают. При толщине пленок от 0,1 до 1 мкм можно получить сопротивление квадрата от десятков Ом м до 35 кОм при ar= (2,5 -± 4)-10-4 1/К. В микросхемах распространен сплав МЛТ-ЗМ, у него сопротивление квадрата R= 200 -500 Ом.
Сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия в основном применяются для электронагревательных элементов. Они относятся к жаростойким с высоким удельным сопротивлением и подразделяются на: никель-хромовые (нихромы); никель-хромовые, легированные алюминием, железохромоникелевые и железохромоалюминиевые (хромали). У всех этих сплавов характеристики зависят от их химического состава. Так, для нихрома марки Х20Н80 (хром - 15 – 18 %, никель - 55 – 61 %, марганец - 1,5 %, остальные % - железо) удельное сопротивление r = ( 1,1-1,2) мкОм м; r = (100 - 200) 10-6 1/К; предельная Траб = 1000 0С. Для хромали марки Х23Ю5 (хром- 22 -25 %, никель - 0,6 %, марганец - 0,7 %, алюминий - 4,5 - 5,5 % ) удельное сопротивление r= ( 1,3 - 1,5 ) мкОм м; ar= 65 10-6 1/К, а предельная Траб = 1200 0С. Нихромы стойки к окислению на воздухе при высоких температурах, т.к. на их поверхности образуется защитная пленка оксидов СrО + NiО с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к ar= 1 сплава. Однако для этого слоя оксидов опасны термоудары, при этом пленка трескается, туда проникает кислород - происходит дополнительное окисление и срок службы сплава уменьшается. Железохромоалюминиевые сплавы всех марок становятся хрупкими в интервале температур от 450 до 500 0C, что связано с выделением в структуре образований с повышенным содержанием хрома (порядка 80 %). Эта хрупкость может быть устранена нагревом сgлава до 750 - 800 °C с последующим охлаждением в воде.
Для всех сплавов агрессивными являются фосфорсодержащие среды, галоиды и сера, кроме железохромоалюминиевые сплавов, для которых газы, содержащие серу, допустимы.
Для жаростойких материалов и нагревательных элементов используют обычно карбиды и силициды тугоплавких металлов - ниобия, циркония, тантала и гафния. Из карбида ниобия методом порошковой металлургии изготавливают трубчатые, стержневые и Y-образные нагреватели длиной до 600 мм, наружным диаметром до 18 мм и толщиной стенки 2 - 3 мм. Печи с такими нагревателями работают в вакууме до 2500 0С, а в аргоне - до 3000 °С. Карбид циркония работает примерно при таких же температурах. Точка плавления карбида ниобия минус 3760 °С, циркония - 3530 0С, тантала - 3880 0С, а гафния - 3890 ОС. При комнатных температурах карбиды инертны к щелочам и кислотам. Из неметаллических нагревателей, чаще всего используются селит и глобар из карбида кремния, которые являются полупроводниковыми соединениями. Их Траб = 1400 - 1500 0С; при этой температуре срок службы таких нагревателей составляет около 1500 - 2000 ч. Силициды представляют собой соединения кремния в основном с металлами. Эти соединения широко используются в электротехнике, металлургии, космической, электронной в атомной технике. В электротермии наиболее популярен дисилицид молибдена (Мо - Si),который в изделиях может работать при 1700 0С в окислительной среде. Элементы выполняются также методом порошковой металлургии. Свойства дисилицида молибдена: удельное сопротивление r= 0,2 мкОм м при 20 0С; при 1600 0С r= 0,8 мкОм м; температурный коэффициент линейного расширения a1 = 8,25 10-6 1/К. При работе в вакууме силициды молибдена диссоциируют, поэтому их использование ограничено и зависит от парциального давления кислорода.