Материалы высокой проводимости

К наиболее широко распространенным материалам высокой про­водимости следует отнести медь, алюминий и железо.

Медь. Преимущества меди,обеспечивающие ей ши­рокое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворитель­ная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значи­тельно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисле­ние меди происходит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в ли­сты, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5) относительная лег­кость пайки и сварки.

 

Марки меди. В качестве проводникового материала используется медь марок Ml и МО. Медь марки Ml содержит 99,9 % Сu, 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 МО, в которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки МО может быть изготовлена тонкая проволока.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое отно­сительное удлинение при разрыве, а также обла­дает твердостью и упруго­стью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пру­жинит. Если же медь подвергать отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то полу­чится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную прово­димость (табл. 6.1).

 

Таблица 6.1 Сравнительные характеристики меди мягкой (ММ) и твердой (МТ)

Параметр	МТ	ММ
Предел прочности при растя­жении σр, МПа, не менее	360 - 390	260 - 280
Относительное удлинение при разрыве D l / l, %, не менее	0,5 - 2,5	18 - 35
Удельное сопротивление ρ, мкОм∙м, не более	0,0179 - 0,0182	0,0172-0,0174
Плотность, кг/м3	8 960	8 900

 

Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления. Влияние отжига на удельное электрическое сопротивление и механические свойства меди иллю­стрирует рис. 6.6.

 

 

Рис. 6.6 Зависимость удельного сопротивления ρ и относительного удлинения D l / l меди от температуры отжига (продолжительность отжига 1 час).

 

Твердую медь используют там, где необходимо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и со­противляемость истиранию (для контактных проводов, для шин рас­пределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоуголь­ного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важны электрические параметры, гибкость и плас­тичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы 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: σ_р бронз может быть 800—1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пру­жин и т. п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом сниже­нии удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответствен­ного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (σ_р - до 1350 МПа).

Сплав меди с цинком - латунь - обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пре­делом прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электро­технике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводни­ковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м³); плот­ность литого алюминия около 2600, а прокатанного - 2700 кг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты пла­вления для нагрева алюминия до температуры плавления и пере­вода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойст­вами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028:0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического со­противления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза боль­ше. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза:

8900/(2700 ∙ 1,63) ≈ 2.                                   

Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости алюминий будет выгоднее меди до тех пор, пока его стоимость не превысит стоимость меди более чем в два раза. А поскольку в настоящее время алюминий менее дефицитен, его стоимость значительно ниже стоимости меди, что позволило ему не только заменить медь в воздушных линиях электропере­дачи (ЛЭП), но и внедриться в производство кабельно-проводниковой продукции.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержа­щий не более 0,5 % примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки AB00 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсато­ров. Алюминий наивысшей чистоты AB0000 имеет содержание приме­сей, не превышающее 0,004 %.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6-7 мкм) фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов. Свойства твердой и мягкой (отожженной) алюминиевой проволоки представлены в табл. 6.2.

 

Таблица 6.2 Сравнительные характеристики алюминия мягкого (АМ) и твердого (АТ)

Параметр	АТ	АМ
Предел прочности при растя­жении σр, МПа, не менее	120	70
Относительное удлинение при разрыве D l / l, %, не менее	1,5 - 2,0	7
Удельное сопротивление ρ, мкОм∙м, не более	0,0283	0,0280

 

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой ок­сидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обыч­ными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники.

В ме­стах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защи­щаться от увлажнения (покрытием оловом, лаками и тому подобными спо­собами).

Иногда, например для замены свинца в защитных кабельных обо­лочках, используется алюминий с содержанием примесей не более 0,01 % (вместо 0,5 % для обычного проводникового алюминия). Такой особо чистый алюминий по сравнению с обычным более мягок и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отноше­нию к 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 (осталь­ное Al). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалка катанки при темпера­туре 510—550 °С с последующим резким охлаждением в воде, волочение и последующая выдержка при темпе­ратуре около 150 °С). При этом в альдрее образуется соединение Mg₂Si, кото­рое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение Mg₂Si из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние. Альдрей в виде проволоки имеет плотность 2700 кг/м³, его σ_р = 350 МПа, D l / l = 6,5 %, ρ = 0,0317 мкОм∙м. Таким образом, альдрей, практически сохраняя легкость алюминия и будучи довольно близким к нему по удельной проводимости, в то же время по механической прочности приближается к твердотянутой меди. В настоящее время разработаны алюминиевые сплавы типа альдрея, не требующие термической обработки.

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется глав­ным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость - алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого на­пряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электри­ческого поля на поверхности провода.

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 (около 0,1 мкОм∙м); значение ρ стали (т. е. железа с примесью угле­рода и других элементов) еще выше.

Сталь как проводниковый материал используется в виде шин заземления, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Для сердечников сталеалюминиевых про­водов воздушных линий электропередачи (см. выше) применяется особо прочная стальная проволока, имеющая σ_р =1200—1500 МПа и D l / l = 4 - 5 %. Обычная сталь обладает малой стойкостью к кор­розии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях по­вышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении темпера­туры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.