Материалы высокого сопротивления

Основные требования

Эти материалы делятся на две группы: резистивные материалы и материалы для термопар.

Резистивные материалы должны обладать: высоким удельным сопротивлением, стабильностью, коррозионной стойкостью, малым ТКρ. Коэффициент термо-ЭДС для высокоомных проводников в контакте с медью должен быть минимальным.

Резистивный материал можно применять в виде проволоки различного диаметра или пленок различной толщины, нанесенных на диэлектрическое основание. Резистивные материалы это сплавы, имеющие заметно деформированную решетку. Кроме сплавов в качестве резистивных материалов применяют высокоомные материалы на основе соединений металлов: оксидов, силицидов, карбидов, многие из которых обладают весьма малым и близким к нулю значением ТКρ.

Особые требования предъявляют к материалам для нагревательных элементов, которые используются в технике и быту (в виде накаливаемой спирали). Этим требованиям удовлетворяют нагревостойкие сплавы.

Материалы для термопар характеризуются наибольшими предельно допустимыми величинами температуры спая Тсп, коэффициента термо-ЭДС К и удельным сопротивлением ρ.

Проводниковые сплавы высокого сопротивления

Наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля (манганин и константан). Манганин получил свое название из-за наличия в нем марганца (до 12%). Широко применяется для образцовых резисторов и других точных приборов. Его можно вытягивать в тонкую проволоку диаметром 20 мкм и менее. Проволоку выпускают как в твердом (неотожженом) виде марки ПМТ, так и в мягком (отожженном) – марки ПММ.

Микропровод из манганина в стеклянной изоляции изготовляют диаметром в несколько мкм, его используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов.

К недостаткам манганинового провода следует отнести невысокую воспроизводимость характеристик, пониженную гибкость за счет стеклянной изоляции.

Для обеспечения повышенной стабильности сопротивления и снижения ТКρ проволоку подвергают тепловому старению: отжигу в вакууме при температуре 550-600оС с последующим медленным охлаждением на воздухе. Предельно допустимая рабочая температура сплавов этого типа не превышает 200оС. Из механических свойств это: удлинение =15-30% и σ р = 450-600МПа.

Константан – сплав, содержащий около 40% никеля и 60% меди. Свое название получил за высокое постоянство сопротивления в рабочем диапазоне температур. Хорошо поддается обработке, его можно протягивать в проволоку диаметром 10-20мкм. Предельная рабочая температура 500оС. Образующаяся при этом пленка оксида обладает электроизоляционным свойством (оксидная изоляция). Это позволяет применять константан без специальной межвитковой изоляции для изготовления реостатов и нагревательных элементов. В паре с медью развивает высокую термо-ЭДС, что затрудняет его применение для резисторов в точных приборах. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450оС.

Дорог из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu, 12% Mn, 3% Ni.

Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью ( 1 - 2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 - 0.48 мкОм. м, бр= 450 - 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 - 30%, максимальную длительную рабочую температуру не более 200оС. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой изоляцией.

Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO. Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в таблице.

Марка сплава	Тип сплава	ρ , мкОм. м	ТКр, 10⁵ 1/º C	Максимально допустимая температура, º C
Х20Н80	Нихром	1.04 - 1.17	9	1100
Х13Ю4	Фехраль	1.2 - 1.34	15	960
Х23Ю5Т	Хромаль	1.3 - 1.5	5	1150

Основная область применения этих сплавов – электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

Нихромы весьма технологичны и имеют высокую рабочую температуру, их можно протягивать в очень тонкую проволоку, диаметром несколько мкм. Тонкие пленки из нихрома используют при изготовлении пленочных резисторов интегральных схем.

Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н. нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия, т.н. фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н – никель, буква Ю – алюминий. Цифра после каждой буквы – процентное содержание этого элемента (массовые проценты). Железо обычно составляет основу, его не обозначают, а его содержание составляет остальное, т.е. сколько нужно, чтобы дополнить до 100 %.

Применение этих сплавов для нагревателей и резисторов обусловлено двумя главными обстоятельствами. Во - первых, их удельное сопротивление примерно в 40-60 раз превышает удельное сопротивление проводников - алюминия и меди. Это связано с нарушением структуры материала в сплаве нескольких металлов. Во - вторых, на поверхности этих материалов образуется прочная, химически стойкая пленка из окислов, что обеспечивает высокую жаростойкость материалов. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т.е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это означает, что при использовании нихрома в качестве нагревателя мощность нагревателя по мере работы, и, соответственно прогревания самого резистивного материала, будет уменьшаться. Важно также, что температурные коэффициенты расширения у пленки оксида и у металла близки, поэтому пленка не отслаивается при включении - выключении нагревателей.

В некоторых случаях для изготовления реостатов, контактных пружин применяют медно-никелевый сплав нейзильбер МНЦ-15-20, в составе которого 18…22% цинка, 13, 5…16, 5% никеля (с кобальтом), остальное – медь. Внешне напоминает серебро, имеет очень высокие механические характеристики, пластичен, но ρ меньше, чем у других сплавов. Высокая коррозионная стойкость, дешевле константана.

Пленочные резистивные материалы

Эти материалы применяются широко для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов различных типов. В зависимости от состава делятся на две группы: на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов) и неметаллические (углеродистые) материалы. Первые совершенствуются, а вторые постепенно утрачивают свое значение.

Пленочные на основе металлов и их соединений используют в микроэлектронике при изготовлении пленочных резисторов и резистивных элементов весьма малых размеров в микросхемах, интегральных схемах и др. устройствах.

Можно выделить следующие материалы:

Тонкие металлические пленки тугоплавких металлов (тантала, рения), а также хрома и нихрома обладают мелкозернистой структурой, повышенными значениями удельного поверхностного сопротивления ρ h, низкого значения ТКρ h. Для нанесения этих пленок используют методы вакуумной технологии: термическое вакуумное испарение (хром, нихром) или распыление резистивного материала под действием бомбардировки его ионами инертного газа (тантал, рений и др.).

Резистивные сплавы, содержащие кремний марок РС и МЛТ широко применяются для изготовления тонкопленочных резисторов методом термического вакуумного испарения.

Сплавы марки РС содержат кремний и легирующие компоненты (хром, никель, железо). В обозначении марки сплава, например, РС 3001, буквы и цифры означают: РС –резистивный сплав; первые две цифры 30% хрома (основного компонента), легирующего кремний; вторые две содержание железа -1%, второй легирующий компонент; остальные 69% кремний.

Сплавы выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40-70 мкм и применяют для получения тонкопленочных резисторов.

Сплавы марки МЛТ многокомпонентны и содержат кремний, железо, хром, никель, алюминий, вольфрам. Выпускают в виде мелкозернистых порошков. Отличаются высоким значением ρ h, большой стойкостью к окислителям и воздействиям различных химически активных сред. Сплав МЛТ-3М широко применяются для изготовления тонкопленочных дискретных резисторов.

Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (Fe, Ni, Cr) и оксидов (SiO, Nd2O3, ТiO2). Отличаются повышенной термостойкостью, однородностью свойств. Применяю для изготовления резисторных микросборок.

Из металлооксидных резистивных пленок наибольшее применение нашли пленки двуокиси олова. Имеют плотную мелкозернистую структуру. Высокая адгезия к керамическим и стеклянным основаниям. Устойчивы к истиранию и химически устойчивы. Применяют для изготовления постоянных и переменных резисторов.

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используются порошки серебра, палладия и полупровод-е материалы - оксиды этих металлов, карбиды кремния, вольфрама. В качестве связки используются диэлектрики –полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали. Обладают большим удельным сопротивлением, слабо зависящим от температуры, позволяют управлять электрическими свойствами путем изменения состава, простая технология изготовления.

Недостатки: повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты, старение при длительной нагрузке.

Применяют для изготовления постоянных и переменных резисторов, поглощающих элементов в СВЧ-устройствах (пленочные и объемные)

Углеродистые материалы применяют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Отрицательный ТКρ. Применяют для изготовления сравнительно дешевых пленочных резисторов широкого применения.

Материалы для термопар

Используют следующие сплавы:

1. копель (44% Ni и 56% Cu), ρ = 0, 465 10-6 Ом м;

2. алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mn), ρ = 0, 305 10-6 Ом м;

3. хромель (90% Ni & 10% Cr), ρ = 0, 66 10-6 Ом м;

4. платинородий (90% Pt & 10% Rh), ρ = 0, 19 10-6 Ом м;

Используются также константан и платина. По значениям предельных температур при длительной работе термопары распределены следующим образом: 1) платина – платинородий – до 1600 º С; 2) хромель – алюмель – до 1000 º С; 3) хромель – копель, железо – копель, железо – константан – до 600 º С; 4) медь – копель, медь – константан – до 350 º С.

Наибольшую термо-ЭДС дает термопара хромель-копель 80 мкВ/К, наименьшую платина-платинородий 8 мкВ/К.

УРОК №10

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒