Общие требования и свойства резистивных материалов

К материалам, предназначенным для изготовления образцовых сопротивлений, шунтов и добавочных сопротивлений к электроизмерительным приборам, предъявляется ряд требований. Они должны иметь: высокое удельное электрическое сопротивление для уменьшения размеров и массы, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления прибора при изменении их температуры, малую термоЭДС относительно меди и стойкость к окислению при повышенных температурах, стабильность удельного электрического сопротивления во времени.

Перечисленными свойствами обладают сплавы на основе меди, никеля, железа, хрома и других металлов. Такими сплавами являются твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой. Основные представители этой группы: сплавы меди с никелем, известные под названием манганин, константан и нейзильбер, см. с. 14…17 методических указаний.

В микроэлектронике находят применение тонкие (толщина

10…1000 А^о) пленки из тугоплавких металлов. Пленки напыляются в вакууме на изолирующие подложки и являются основным элементом схем микроэлектроники. Основное направление их использования – резисторы в интегральных схемах. Из металлов наиболее часто применяются хром (Cr), тантал (Ta) и рений (Re). В тонких напыленных пленках наблюдается несовпадение структуры со структурой монолитного металла. Пленки имеют островковую или сетчатую структуру, что приводит к затруднению движения электронов. В этом случае электропроводность тонких пленок отступает от основных теоретических положений. Удельное электрическое сопротивление тонких проводящих и резистивных пленок r _d при соизмеримости толщины пленки с длиной свободного пробега электрона больше удельного электрического сопротивления соответствующего материала в толстых слоях и зависит от толщины пленки и способа ее получения. Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления тонких металлических пленок может быть положительным и отрицательным. С уменьшением толщины пленки ухудшается воспроизводимость и стабильность ее параметров, снижается ее надежность.

В качестве резистивных материалов применяют металлы и сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, окислы металлов, углерод, композиционные материалы. Выбор материала зависит от номинального сопротивления резистора, его назначения и условий эксплуатации. Применяться резистивный материал может в виде объемного элемента, проволоки различного диаметра или пленки, осажденной на поверхности диэлектрика.

2.3.1 Жаростойкие сплавы высокого электрического сопротивления. Для электронагревательных приборов и элементов применяются жаростойкие сплавы высокого сопротивления, длительно работающие в воздушной среде при температурах свыше плюс 1000 °С и выше, а также проволочные или ленточные резисторы. Применение чистых металлов (медь, алюминий, и др.) и сплавов, рассмотренных ранее, в этом случае невозможно, т. к., начиная с температуры плюс 400 °С, происходит их быстрое окисление. Кроме стойкости к окислению, при высоких температурах под воздействием воздуха или других газообразных сред, жаростойкие сплавы должны обладать высоким удельным сопротивлением и его малым температурным коэффициентом. В состав жаростойких сплавов входят металлы, которые при работе на воздухе могут образовывать на своей поверхности сплошную оксидную пленку, способную защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Сплошной оксидный слой будет образовываться в том случае, если объем оксида будет превосходить объем входящего в состав оксида металла. Представление о том, может ли на данном металле образовываться оксидная изоляция в виде сплошного слоя, дает объемный коэффициент оксидирования:

,                                               (2.7)

где М – молекулярная масса оксида;

ρ_М – плотность металла;

n – число атомов металла, входящих в молекулу оксида;

А – атомная масса металла;

ρ ₀ – плотность оксида.

Если К>1, то образующийся оксидный слой дает на металле сплошное покрытие и надежно защищает сплав от соприкосновения с кислородом воздуха. Если оксид летуч, то он не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Летучими оксидами являются оксиды вольфрама и молибдена. Стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями ТК _l этих сплавов и их оксидных пленок. Растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры, тогда при последующих нагревах кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и производит дальнейшее окисление сплава.

Металлами, обладающими способностью образовывать оксидную пленку, являются никель, алюминий, хром. Эти металлы входят в состав распространенных сплавов системы Fe-Ni-Cr, называемые нихромами (при повышенном содержании Fe – ферронихромами). Кроме того, находят применение сплавы системы Fe-Cr-Al, называемые фехралями и хромалями. Все перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы металлов неупорядоченной структуры. В марках сплавов буквы обозначают главные компоненты сплава: хром (Х), никель (Н), алюминий (Ю). Цифра, стоящая за соответствующей буквой, указывает (в среднем) количество этого металла в сплаве. Например, в сплаве Х15Н60 содержится 15…18 % хрома, 55…61 % никеля, 1,5 % марганца, остальное – железо.

Кроме основных компонентов в состав сплавов входят углерод, кремний, марганец, фосфор и сера. Сера, фосфор и углерод являются вредными примесями, повышающими хрупкость сплавов. Их содержание в составе сплава не должно превышать 0,025, 0,035 и 0,15 % соответственно. Марганец и кремний являются раскислителями, т.е. они позволяют устранить из сплавов кислород, ухудшающий их свойства. С целью удешевления в состав нихромов за счет частичной замены никеля вводят до 25…30 % железа, но при нагреве оно легко окисляется, что приводит к возрастанию хрупкости сплава; чем больше железа в сплаве, тем менее нагревостоек этот сплав.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) сочетают высокую нагревостойкость с хорошей технологичностью, что позволяет получать из них тонкую проволоку и ленту.

Хромоалюминевые сплавы (Fe-Cr-Al) практически не содержат никеля. Они дешевле нихромов и отличаются от них своими электрическими и механическими свойствами. Увеличение содержания хрома и алюминия в сплаве приводит к росту жаростойкости и одновременно к повышению прочности и хрупкости сплава. Хромоалюминиевый сплав (фехраль), с повышенным содержанием железа менее жаростоек, но имеет более высокий температурный коэффициент удельного сопротивления, чем хромаль.

Основные свойства сплавов высокого сопротивления, применяемых в лабораторной работе, приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Физико-механические, тепловые и электрические свойства сплавов высокого сопротивления

Таблица 2.6 – Зависимость максимальной рабочей температуры от толщины материла

Срок службы или «живучесть» нагревательных элементов, выполненных из нихрома или других жаростойких сплавов, зависит от их однородности и температуры. В местах с уменьшенным сечением элементы перегреваются и легче перегорают. Максимальная рабочая температура нагревательного элемента зависит от марки сплава, диаметра и толщины материала. В таблице 2.6 приведены максимальные рабочие температуры в

зависимости от диаметра для наиболее применяемых марок сплава