П2.2 Резистивные материалы

Нихром. 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 %. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т.е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается.

Графит. Вторым по значению резистивным материалом является графит. Графит – одна из кристаллических модификаций углерода. Это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца. Удельное сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить напряжение поперек слоев, удельное сопротивление составит 100 мкОм×м, если приложить напряжение в плоскости слоев, удельное сопротивление достигает 0.3-0.5 мкОм×м.

Помимо чистого углерода известно много модификаций технического углерода. Их физические характеристики также сильно меняются в зависимости от структуры и от количества разнообразных примесей. В основе их лежит структура графита, поэтому технические углероды можно считать и техническими графитами. Из них отметим сажу, кокс, коллоидный графит, силицированный графит. Сажа характеризуется очень малым размером частиц, до десятков ангстрем. Используется как наполнитель для резин, полимеров, электропроводных композиций. Взвесь порошка графита в воде называется «аквадаг» и используется для создания электропроводящих покрытий.

Тот факт, что графит имеет повышенное удельное сопротивление по сравнению с металлами, позволяет применять его в промышленности для создания различных сопротивлений. Начиная с пленочных сопротивлений в радиоэлектронике, графитовой бумаги и графитовой ткани и заканчивая композиционными материалами, где частицы графита выступают в роли проводящего наполнителя. Из последних мы упомянем бетэл и более подробно остановимся на ЭКОМе.

Бетэл. Бетэл - (бетон электротехнический) - исторически один из первых российских электропроводящих композиционных материалов. Предложен в середине шестидесятых новосибирскими учеными (Вершинин Ю.Н., Добжинский М.А). Эта разработка в начале восьмидесятых была награждена государственной премией. Состоит из четырех компонентов: цемент, поликристаллический углерод (с добавкой сажи), вода, кварцевый песок. Главное достоинство - дешевизна исходных компонентов и простота технологии приготовления. Сделав смесь типа обычного бетона, куда добавлен поликристаллический графит с добавлением сажи, получаем материал с удельным сопротивлением примерно в диапазоне 0,01-10 Ом·м.

Недостатки бетэла - нестабильное сопротивление, водопоглощение с последующим изменением многих параметров, малый коэффициент теплопроводности (~ 0.6 Вт/(м·К). Это не дает возможности создания мощных и долговечных резисторов для энергетики. Опыт показывает, что бетэловый резистор можно включать только на несколько секунд, число включений и общий срок службы бетэловых резисторов невелик.

 

ЭКОМ

Материал “ЭКОМ” составляется из трех мелкодиспергированных компонентов: силицированный графит, окись железа, корунд и одного жидкого компонента: ортофосфорная кислота. Каждый из компонентов обеспечивает определенную функцию. Графит обеспечивает электропроводность материала за счет контактов частичек графита между собой и получения, тем самым, сплошного проводящего мостика от одного электрода к другому. Изменяя концентрацию графита, можно менять, в значительных пределах электропроводность композиционного материала. Корунд обеспечивает его теплопроводность, ввиду того, что теплопроводность корунда достаточно велика (30-50 раз больше теплопроводности других компонентов) и составляет примерно 30 Вт/(м·К). Для сравнения, это значение равно теплопроводности нержавеющей стали. Взаимодействие окиси железа с ортофосфорной кислотой дает фосфат железа, обеспечивающий механическую прочность. Материал имеет следующие параметры:

Параметры материала	Значения
Плотность	2.6-2.7 Т/м3
Механическая прочность на сжатие	50-100 МПа
Теплопроводность	3-4 Вт/(м×К)
Электропроводность	10-6¸3000 Ом×м
Температурный коэффициент удельного сопротивления	- (1.5¸2)×10-3 1/К
Температурный коэффициент линейного расширения	10-5 1/К
Теплостойкость	1100 °С
Нагревостойкость	300 °С

 

Производственное научное предприятие “ПНП Болид” (Новосибирск) разрабатывает и изготавливает высоковольтные заземляющие резисторы, нагреватели бытового и промышленного применения на основе промышленно - выпускаемых резистивных элементов из композиционного материала “ЭКОМ” (авторы Сарин, Зиновьев и др.).

Одиночный элемент резистора из материала ЭКОМ выпускается в виде нескольких типоразмеров. Наиболее часто применяется в изделиях элемент с размерами 150х150х10 мм, массой 0.6 кг, номинальным сопротивлением R=2¸20 Ом. В каждом конкретном случае осуществляется выбор необходимого номинала путем изменения соотношения компонентов и изготовление элементов в нужном количестве. В зависимости от допустимой длительности включения и способов организации теплоотвода допустимая мощность на элемент может меняться в пределах от 50 Вт до 200 Вт.

В конструкции электрообогревателей и резисторов предусмотрено использование нескольких элементов соединенных последовательно. Можно показать, что при таком типе соединения происходит выравнивание мощности по элементам, что обусловлено отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении мощности на каком-то элементе его сопротивление уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на этом элементе, что приводит, в свою очередь, к уменьшению мощности на этом элементе.

В процессе разработки материала было перепробовано большое количество компонентов. Рассмотрим варианты выбора электропроводного компонента. Были испробованы порошки металлов: нержавеющая сталь, медь и т.п. Выяснилось, что композит на основе металлических порошков меняет свое сопротивление после каждого эксперимента с протеканием более-менее значительного тока, а именно, сопротивление уменьшается. Исследования показали, что частички металла сплавляются в месте контактов за счет повышенной плотности тока и повышенной температуры в контактах. В результате перешли на материал, который теоретически плавится при температуре 3500 °С, а именно, графит.

Однако не всякий графит подходит – например, коллоидный графит имеет слишком высокую электропроводность, низкую адгезию к связующему материалу ( в результате - низкая прочность материала) и повышенный температурный коэффициент сопротивления. Изготовленные на основе этого материала нагреватели «разбегались» по температуре, т.е. по мере нагревания сопротивление материала уменьшалось, что приводило к увеличению мощности, это вело к дополнительному нагреву, увеличению мощности и т.д. Чтобы предотвратить выход из строя из-за перегрева, пришлось ставить термодатчики, которые отключали прибор после достижения определенной температуры.

Важно также выбрать концентрацию графита. Дело в том, что сопротивление сильно зависит от его содержания. При этом, при малом содержании материал является диэлектриком, а затем, при увеличении количества графита, становится проводником. При этом имеется пороговое значение концентрации графита, при котором резко меняется электросопротивление.

Особенностью композиционных материалов структуры ЭКОМа является наличие контактного сопротивления между впрессованным электродом и материалом, которое может лежать в пределах от десятых долей до единиц Ом. Когда это сопротивление становится сравнимым с сопротивлением элемента, элемент бракуется.

 

Электропроводящие полимеры

Как известно, полимеры являются диэлектриками. Однако можно их сделать и проводниками. Для чего такие проводники? Они, в отличие от металлов, имеют высокую коррозионную стойкость, легкую обрабатываемость, малый удельный вес, эластичность, дешевизну и т.п. Для того, чтобы из диэлектрика сделать проводник используются два пути. При введении дисперсной электропроводной фазы, тем самым получается композит, в котором матрицей является полимер, а наполнителем - электропроводная добавка. Обычно используют один из видов технического углерода, чаще сажу. Трудности - плохая адгезия полимера и наполнителя. Значит трудно ввести достаточно много наполнителя чтобы достичь высокой электропроводности. Характерное значение удельного электросопротивления при 20% содержании ацетиленовой сажи составляет 10² Ом·м.

Второй вариант электропроводящих полимеров заключается в модифицировании их структуры. Оказывается, если сделать полимер не из насыщенных углеводородов, а из ненасыщенных, в которых есть двойные, либо тройные связи, то в таком полимере может быть электронная, либо дырочная электропроводность. Первым электропроводным полимером был полиацетилен, в котором чередуются одинарные и двойные связи в линейной молекуле полимера. Пока электрополимеры такого типа не вышли за пределы лабораторий. Но несомненно, у них есть будущее. Достигнутое значение удельного сопротивления примерно как у графита (10^-3 Ом×м, частное сообщение японских разработчиков).

 

[1] Ожегов С.И. и Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 72500 слов и 7500 фразеологических выражений / Российская Академия Наук. Институт русского языка; российский фонд культуры; - М.: АЗЪ, 1993. – 960 с.

[2] Водородный показатель среды – рН – это значение десятичного логарифма концентрации ионов водорода, взятое с обратным знаком. Обычно значения рН лежат в пределах 1…12. При рН = 1 концетрация ионов водорода наибольшая, и составляет Такая среда называется кислой. При рН = 12 в растворе преобладают ионы ОН^-, а концетрация ионов водорода минимальна и равна Такая среда называется щелочной. Нейтральной называют среду с рН = 6. Ниже этого значения среда в большей или меньшей степени кислая, а выше – всё более щелочная.

[3] Сразу после включения прибор выполняет серию внутренних тестов и, если проверки прошли успешно, на экран выводится название прибора и фирмы-производителя. Затем прибор автоматически переходит в главное (основное) меню.

[4] Иммитанс – общее название сопротивлений и проводимостей

[5] Короткое время проведения опыта позволяет пренебречь теплоотводом

[6] В физике буквой ρ часто обозначают плотность вещества (массу единицы объёма). В курсе «Материаловедение» мы будем обозначать плотность маленькой латинской буквой d.

[7] Это выражение вытекает из закона Ома в дифференциальной форме: j=γE; понятия плотности тока j, равной произведению суммарного заряда носителей в единице объёма nq на их скорость v (j=nq×v) и определения подвижности как средней скорости носителей зарядов при единичной напряженности электрического поля: u=v/E

[8] В справочной литературе [1-3] эта величина обозначается греческой буквой α синдексом, соответствующимпараметру, к которому относится температурный коэффициент. Например. температурный коэффициент длины обозначается α_l.

[9] Магнитный момент- это основная векторная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Поскольку источником магнетизма является ток в замкнутой цепи, то значение магнитного момента М определяется как произведение силы тока Iна площадь, охватываемую контуром токаS:

М = I×SА×м².

Магнитными моментами обладают электронные оболочки атомов и молекул (орбитальные магнитные моменты). Электроны и другие элементарные частицы имеют спиновый магнитный момент, определяемый существованием собственного механического момента частицы – спина. Спиновый магнитный момент электрона может ориентироваться во внешнем магнитном поле так, что возможны только две равные и противоположно направленные проекции момента на направление вектора напряженности магнитного поля, равные магнетону Бора – 9,274×10^-24 А×м².

 

[10] Намагниченность – J –это суммарный магнитный момент единицы объема вещества:

[11] Магнитная проницаемость, μ –это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля.Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ₀

.

Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Её значение для конкретной среды на 1 больше магнитной восприимчивости (отношение намагниченности вещества к напряженности магнитного поля) той же среды:

μ =א_v + 1,

так какмагнитная индукция в веществе усиливается по сравнению с магнитной индукцией внешнего поля за счёт намагниченности вещества: В = μ₀(Н+J).

 

[12] Квазистатический процесс – процесс в физической системе, протекающий столь медленно, что состояние системы в любой момент времени можно считать равновесным. (Quasi (лат) – приставка, соответствующая по значению словам «мнимый», «ненастоящий» или словам «почти», «близко»)и"ловамловам "от времени можно считать равновесным. стояние сигнитного поля, а размагничиваниегнитных полей, соответствующих

[13] Симметричная петля магнитного гистерезиса – петля, получаемая при циклическом изменении напряжённости магнитного поля между равными по модулю значениями максимальной и минимальной напряжённости, симметричная относительно начала координат.

[14] Дислокация – дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.