Chuong 8 vat lieu dan dien

22,321 views

Published on

Chuong 8 vat lieu dan dien

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
22,321
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4
Actions
Shares
0
Downloads
130
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Chuong 8 vat lieu dan dien

  1. 1. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8Chương 8 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Vật liệu có tính chất dẫn điện cao. Vật liệu thuộc nhóm này là các dây dẫn có điện trở suất ở điều kiện bình thường khôngvượt quá 0,1µΩ.m. Thông dụng nhất trong số vật liệu này là đồng và nhôm. 8.1 . Đồng Đồng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện do có những đặc điểm sau: I) Điện trở suất nhỏ (chỉ lớn hơn bạc một chút). 2) Độ bền vững cơ học cao. 3) Bền vững hoá học (không bị ăn mòn ở môi trường không khí). 4) Dễ gia công, cán kéo thành các kích thước khác nhau theo ý muốn. 5) Dễ hàn nối.  Điều chế đồng. Đồng được điều chế từ CuS là loại quặng thường gặp trong thiên nhiên. Sau đó được đưavào lò luyện và được điện phân. Đồng nhận được sau khi điện phân là đồng tấm có trọng lượngtừ 80 - 90 kg. Bằng phương pháp kéo nguội sẽ có được đồng cứng có ký hiệu là (MT), loại đồngnày có độ cứng cao và có độ bền kéo dãn, có tính đàn hồi. Nếu đồng được gia công thêm bằngcách ủ ở nhiệt độ khoảng 600 - 650 0C sẽ được đồng mềm ký hiệu là (MM) có độ dẻo cao nhưngđộ bền cơ học kém hơn đồng cứng. Đồng có điện trở suất 0,01721 µΩ.m.  Các mác đồng. Đồng có các mác sau: M1 và M0. Loại M1 có 99,90% là đồng và lượng tạp chất là 0,1%nhưng lượng oxy không được vượt quá 0,08%. Oxy là lượng tạp chất có hại bậc nhất cho đồng.Khi lượng tạp chất oxy tăng sẽ làm cho tính chất của đồng kém hẳn về mặt cơ học, khó hàn nốivà tráng bạc. Đồng M0 chứa 99,95% là đồng và 0,05% tạp chất. Trong đó oxy không được vượtquá 0,02%. Từ đồng có thể kéo thành dây có kích thước cực nhỏ.  Tính chất của đồng. Điện trở suất của đồng rất nhạy cảm với lượng tạp chất, nếu trong đồng có chứa 0,5% tạpchất Zn, Co, Ag thì điện dẫn suất giảm đì 5%. Nếu như trong đồng có 0,5% tạp chất Ni, Sn, Althi điện dẫn suất giảm từ 20 - 40%. Nếu tạp chất là Be, As, Fe, Si hoặc P thì điện dẫn suất giảm55% hay hơn nữa. Nhược điểm của đồng là bề mặt tiếp xúc với không khí rất dễ bị ăn mòn và hình thànhmàng Sunphit. Tốc độ ăn mòn tăng nhanh khi bị đốt nóng, tuy nhiên độ bám của lớp màng vớikim loại không cao. Vì vậy đồng không sử dụng ở nơi có tiếp xúc không chặt. Khi bị nhiệt độcao do hồ quang oxit đồng bị phân ly, bám chặt lên bề mặt kim loại. Sự tróc và bám oxit lên kimloại làm phá huỷ nhanh chóng tiếp xúc khi có dòng điện lớn. Tính cơ học của đồng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi H2. Sau khi ủ đồng bằng H2 thì tính cơhọc sẽ giảm đi một vài lần. Đặc biệt sự phá huỷ của H2 còn mạnh hơn khi có mặt cả oxy có trongđồng kỹ thuật ở dạng Cu2O .Hyđro dễ dàng xâm nhập sâu trong kim loại ở nhiệt độ cao và hìnhthành phản ứng: Cu2O+ H2 = Cu + H2O Áp suất tạo bởi hơi nước trong kim loại do tốc độ khuếch tán chậm có thể đạt một vàingàn at và tạo thành vết nứt nhỏ làm phá vỡ tính khít chân không của vật liệu và làm cho nó trởnên giòn và dễ gãy. Trong công nghiệp được gọi là bệnh hyđro. Trong đồng chứa 0,001% oxy thìsẽ không có bệnh này. Tuy nhiên trong đồng không oxy sau khi nhiệt luyện trong hyđro có thểthấy sự sa sút tính dẻo ở nhiệt độ cao (300 - 800 0C). Do khi đốt nóng xảy ra sự thâm nhập hyđrotrong đồng. Giải phóng khí ở áp suất cao, phá huỷ đồng và tích luỹ chủ yếu bằng những hạt nhỏ.Khi bị kéo dãn các vị trí này trở thành đoạn yếu.  Ứng dụng của đồng. Đồng được sử dụng trong kỹ thuật điện để sản xuất dây dẫn, cáp, các thiết bị phân phối,cuộn dây máy biến áp, máy điện. Băng đồng được sử dụng làm màn chắn từ, chắn điện và rấtnhiều các lĩnh vực khác. Đồng cứng được sử dụng trong các trường hợp cần có độ bền cơ học 93
  2. 2. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8cao, có độ cứng và chống mài mòn, ví dụ để làm dây trần. Nếu cần có độ dẻo và độ bền kéo dãnkhông cần thiết thì sử dụng đồng mềm (ví dụ dùng cho dây điện mềm).Đồng cao cấp tạo trongchân không dùng để chế tạo klistron, magnetron, đầu xuất năng lượng của máy phát siêu cao tần,ống dẫn sóng và các bộ cộng hưởng. Mặc dù có hệ số nở dài cao so với thuỷ tinh, đồng được ứng dụng để hàn với thuỷ tinh,do nó có giới hạn chảy thấp, mềm mại và tính chịu nhiệt cao. 8.2 Nhôm.  So sánh tính chất của nhôm với đồng. Nhôm là vật liệu thứ hai sau đồng sử dụng rất rộng rãi. Nhôm là kim loại màu trắng cóđặc điểm rất nhẹ. Điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng, nhưng nhôm lại có khối lượng riêngnhỏ hơn 3,5 lần Cu. Nếu dây dẫn đồng, nhôm bằng nhau về độ dài, bằng nhau về điện trở suất thìmặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn nhưng nó lại nhẹ hơn đồng tới hai lần. Một mặt nhôm lại cónhiều trong thiên nhiên, giá thành rẻ hơn đồng rất nhiều. Nhược điểm của nhôm là có độ bền cơ học thấp. Nhôm khó hàn hơn.  Các mác nhôm. + Nhôm kỹ thuật A.E có lượng tạp chất không lớn hơn 0,5% và được ủ mềm ở nhiệt độ350 0C ± 20 0C. Dây dẫn có điện trở suất không quá 0 028 µΩ.m. + Nhôm A-97 không chứa quá 0,03% tạp chất dùng để chế tạo màng mỏng, điện cực,vàvỏ tụ điện. + Nhôm A-999 chứa không quá 0,001% tạp chất. Độ sạch được kiểm tra theo giá trị điệntrở suất còn lại ở nhiệt độ He hoá lỏng, nó không vượt quá 4.10-6 µΩ.m. Các tạp chất làm giảm tính dẫn điện của nhôm. Nếu có những tạp chất như Ni, Si, Zn, Fe,Pb khoảng 0,5% thì điện trở suất của nhôm mềm giảm 2-3%. Nếu tạp chất là Cu hay Ag thì tínhdẫn điện giảm 5-10%. Điện dẫn của nhôm còn giảm mạnh mẽ hơn nữa khi lượng tạp chất là Ti,Mn. Có thể nói rằng những tạp chất không hình thành dung dịch cứng với nhôm không làm thayđổi nhiều tính dẫn điện, còn các tạp chất hình thành dung dịch cứng sẽ làm giảm tính dẫn điệncủa nhôm, trừ kẽm ra. Tôi nhôm làm tăng điện trở của nó do tồn tại tạp chất và làm tăng độ hoàtan khi đốt nóng. Trong nhôm kỹ thuật tạp chất chủ yếu là Fe và Si. Cán, kéo, ủ nhôm cũng được làm tương tự như đồng. Nhôm cán có độ dày rất nhỏ (6 -7µm), sử dụng làm bản cực của tụ giấy, hay bản cực tụ xoay chiều. Một điều thú vị là ở nhiệt độnitơ hoá lỏng điện trở suất của nhôm tương tự như đồng, còn ở nhiệt độ thấp hơn nhôm có tínhdẫn điện tốt hơn đồng. Chính vì vậy nhôm sử dụng làm dây dẫn lạnh (dây dẫn có tính dẫn điệnrất cao).  Ứng dụng của nhôm. Cũng như đồng, nhôm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm dây dẫn, làm dụng cụgia đình. Nhôm bị oxy hoá mạnh, bề mặt nhôm bị che phủ bởi lớp màng mỏng có điện trở suất lớn.Lớp màng này giữ cho nhôm khỏi bị ăn mòn, nhưng tạo ra điện trở chuyển tiếp lớn, làm chonhôm không thể hàn theo phương pháp bình thường. Để hàn nhôm phải sử dụng loại sáp hàn đặcbiệt hoặc sử dụng mỏ hàn siêu âm. Lớp oxit cách điện rất bền vững về cơ và chịu nhiệt cao (mộtlốp oxit có độ dày 0,03 mm có điện áp chọc thủng khoảng 100 V, còn ở độ dày 0,04 mm khoảng250 V). Từ oxit nhôm chế tạo cuộn dây không có cách điện giữa các vòng dây. Nhược điểmchính của cách điện loại này là hạn chế tính dẻo và có tính hút ẩm cao. Oxit nhôm sử dụng rộngrãi trong kỹ thuật chế tạo tụ điện, bộ nắn và các bộ chống sét. Nhôm có ưu điểm của vật liệu tiếpxúc là dễ dàng, vật liệu dễ phun thành bụi và kết dính với Si và màng cách điện từ SiO 2 sử dụngtrong kỹ thuật bán dẫn. 8.3 Hợp kim có điện trở cao và hợp kim cho cặp nhiệt ngẫu.  Hợp kim có điện trở cao. Hợp kim có điện trở cao là hợp kim ở nhiệt độ bình thường có ρ ≥ 0,03 µΩ.m. Nó đượcsử dụng để sản xuất dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, thiết bị đốt nóng. Khi sử dụng hợp kim làmthiết bị đo không chỉ yêu cầu điện trở suất cao mà còn phải có hệ số nở dài nhỏ, và sức điện độngnhỏ so với đồng. Dây điện trở phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ 1000 oC trong không khí ở 94
  3. 3. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8thời gian đài .Những vật liệu có điện trở suất cao được sử dụng rộng rãi trong thực tế là Mn vớiCu và Ni , Konstantan và Crom - Niken , xem bảng 8.1. Bảng 8.1. Những tính chất chủ yếu của hợp kim có điện trở suất cao. Hợp kim ρ α Sức điện động Nhiệt độ công tác (µΩ.m) (10-6.K-1 nhiệt (oC) ) (µV/K)1- Maganin (86% Cu, 12% 0,42-0,48 5-30 1-2 100-200Mn, 2%Ni)2- Konstantan 0,48-0,52 -(5-25) 40-50 450-5003- Hợp kim Crom-niken 1,0-1,1 100-200 - 1000X15H60 (55-61%Ni,15-18%Cr, 1,5%Mn còn lại làsắt)4- X20H80 (75-78% Ni, 1,0-1,1 100-200 - 110020-23%Cr, 1,5%Mn còn lại làsắt)  Hợp kim dùng cho cặp nhiệt ngẫu. Khi tiếp xúc hai kim loại khác nhau thì giữa chúng xuất hiện hiệu điện thế tiếp xúc. Theolý thuyết lượng tử, nguyên nhân chính xuất hiện hiệu điện thế trên tiếp xúc là hiệu của nănglượng Fermit ở cặp kim loại. Hình 8.1. Biểu đồ năng lượng tiếp xúc của hai kim loại. Giả sử ở trạng thái cách ly khí điện tử trong kim loại A và B được biểu thị bằng nănglượng Fermi ∋A và ∋B tính từ vùng đáy của vùng dẫn (H.8.1a). Công nhiệt động lực bứt điện tử χAvà χB . Động năng của điện tử nằm trên mức Fermi trong mỗi kim loại khác nhau đều khác nhau.Vì vậy khi tiếp xúc hai kim loại sẽ xuất hiện sự chuyển tiếp điện tử từ vùng có mức năng lượngcao sang mức năng lượng thấp hơn. Chính xác hơn từ kim loại B sang kim loại A. Thực chất làcác điện tử tới chiếm trạng thái có mức năng lượng thấp nhất. Không thể có một trong hai kimloại ở trạng thái có mức năng lượng thấp, trong khi đó kim loại kia ở trạng thái lấp đầy với mứcnăng lượng cao hơn. Thực tế chuyển tiếp điện tử từ kim loại B vào kim loại A là sự chuyển tiếpđiện tử vào một hệ thống có mức năng lượng thấp hơn. Kết quả là kim loại B được tích điệndương, kim loại A được tích điện âm, giữa chúng xuất hiệnhiệu điện thế. Cân bằng chi khi công của điện tử bằng: e.U = ∋A = ∋B (8.1) Như vậy hiệu điện thế tiếp xúc trong được xác định bằng hiệu năng lượng Fermi tính từđáy vùng dẫn, cho hai dây dẫn độc lập A và B. Sự tồn tại trường tiếp xúc bằng từ thông của điện tử từ một kim loại này sang kim loạikhác tới trạng thái cân bằng. Do tốc độ chuyển động của điện tử rất lớn, cân bằng xảy ra ở thời 95
  4. 4. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8gian ~ 1016s. Ở điều kiện ổn định mức Fermi của hai kim loại phải bằng nhau. Nhờ vậy các điệntích của vùng điều hoà mức có thể đi qua khi di chuyển của một số lượng nhỏ điện tử. Lớp điệnkép d tồn tại trong vùng tiếp xúc rất mỏng (khoảng chu kỳ lưới) và không ảnh hưởng tới sự đi lạicủa dòng điện qua tiếp xúc. Do năng lượng Fennđrong kim loại có giá trị một vài eV thì hiệuđiện thế tiếp xúc giữa hai kim loại đạt từ 1/10 tới một vài V. Bộ phận nhiệt làm từ hai kim loại khác nhau, tạo thành một mạch kín gọi là cặp nhiệtngẫu. Ở nhiệt độ khác nhau của tiếp xúc trong một mạch kín xuất hiện dòng điện, gọi là dòngđiện nhiệt. Nếu mạch hở sẽ tạo thành hiệu điện thế và gọi là sức điện động nhiệt và bằng: U ≈ αT(T2 - T1). (8.2) Ở đây: αT- gọi là hệ số sức điện động nhiệt. Giá trị αT phụ thuộc vào bản chất của dây dẫn và nhiệt độ. Sức điện động nhiệt trongmạch gồm ba thành phần. Đầu tiên là sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu điện thế tiếp xúc. Trongkim loại khi nhiệt độ tăng lên mức Fermi mặc dù rất yếu nhưng chuyển dịch xuống dưới theothang năng lượng. Vì vậy, trên đầu nguội của dây dẫn sẽ nằm ở mức cao hơn so với đầu nóng.Kết quả là mức Fermi dịch chuyển và xuất hiện sức điện động nhiệt. Thành phần thứ hai của sức điện động nhiệt là độ khuếch tán của các điện tích từ đầunóng sang đầu nguội. Năng lượng trung bình của điện tử thay đổi không nhiều nhưng vẫn thayđổi theo nhiệt độ. Các điện tử tập trung ở đầu nóng có mức động năng cao hơn và có tốc độ caohơn so với đầu nguội. Vì vậy phần lớn chúng khuếch tán theo hướng gradient nhiệt độ so vớihướng ngược lại. Dòng khuếch tán mang điện tích âm từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng cónhiệt độ thấp, tạo giữa chúng hiệu điện thế. Thành phần thứ ba của sức điện động nhiệt xuất hiện trong mạch do tăng điện tử bởinăng lượng nhiệt lượng tử (Fonon). Dòng của chúng cũng lan truyền tới đầu nguội. Tất cả cácthành phần sức điện động nhiệt xác định bằng nồng độ điện tử không lớn, nằm ở mức nănglượng gần mức Fermi Vì vậy sức điện động nhiệt riêng của kim loại rất nhỏ. Lý thuyết lượng tửđưa ra biểu thức tính sức điện động nhiệt riêng của kim loại hoá trị một bằng: k kT α T ≈ π2 (8.3) e ∋F Ở nhiệt độ trong phòng tỷ số kT/∋F có giá trị khoảng 10-3. Vì vậy αT phải đạt khoảng một vàiµV/K. Để có sức điện động nhiệt riêng lớn có thể sử dụng hợp kim có cấu trúc miền phức tạp.Cặp nhiệt ngẫu kim loại sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ trong quá trình đo phải ổn định nhiệt ởmột đầu. Trong điều kiện tự nhiên loại bỏ chênh lệch nhiệt độ trên thực tế không có. Vì vậy trongmạch điện có thể xuất hiện sức điện động nhiệt ký sinh. Để giảm bớt sự ảnh hưởng của chúngtrong mạch đo lường cần phải lựa chọn vật liệu tiếp xúc có αT nhỏ. Cần nhấn mạnh rằng trong dây dẫn đồng nhất, chính xác hơn chế tạo từ một kim loại, khixuất hiện gradient nhiệt độ trên các đầu cuối cũng xuất hiện hiệu điện thế do các nguyên nhânvừa nêu trên. Giá trị của nó là hiệu nhiệt độ trên các đầu cuối của dây dẫn, gọi là sức điện độngnhiệt riêng tuyệt đối. Có thể chứng minh rằng trong mạch cặp nhiệt ngẫu sức điện động nhiệtriêng là hiệu của hai nhiệt điện động riêng tuyệt đối của hai dây dẫn: αT = αTA - αTB (8.4) Nếu như biết được giá trị tuyệt đối sức điện động nhiệt riêng của một vật liệu, chấp nhậnlà vật liệu mẫu thì để bất kỳ một vật liệu nào tham số này cũng có thể nhận được qua sự giúp đỡđo lường của vật liệu mẫu. Khi đo hiệu điện thế trên các đầu cuối của dây dẫn bằng phương phápnối volt kế cần phải tính rằng dây nối của volt kế làm tăng nhanh cân bằng nhiệt với đầu cuốicủa dây dẫn. Vì vậy kết quả đo lường là sức điện động nhiệt tương đối, do xuất hiện sức điệnđộng ngược hướng của dây dẫn với dây nối. Để xác định sức điện động tuyệt đối. Vật liệu mẫu được chọn là chì, ở chì có tính chấtnhiệt điện rất yếu. Ở nhiệt độ thấp vật liệu mẫu là dây siêu dẫn do có sức điện động nhiệt riêngbằng 0 . Dấu của sức điện động nhiệt tính là âm, nếu như đầu nóng của dây dẫn nạp dương, đâylà đặc tính của hầu hết kim loại. Trường hợp tổng quát sức điện động nhiệt tuyệt đối phụ thuộcnhiều vào nhiệt độ và thậm chí có thể thay đổi dấu trong quá trình đốt nóng. Hợp kim dùng cho cặp nhiệt ngẫu được sử dụng rộng rãi gồm các loại sau: 96
  5. 5. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8 l) Kopel 56% Cu và 44% Ni. 2) Aliumel 95% Ni còn lại là Al, Si, Mn. 3) Cromel 90% Ni và 10% Cr. 4) Platin Rodi 90% Pt và 10% Rh. Cặp nhiệt ngẫu sử dụng để đo nhiệt độ thì giới hạn sau: + Platin - (PlatinRodi) thì nhiệt độ l.600 oC + Đồng - Konctantan và đồng - Kopel 350 oC + Sắt Konstantan, sắt - Kopel 600 oC + Cromel - Aliumel 900 - l.OOO oC Trong quá trình làm việc có thể thấy được hiện tượng giảm sức điện động riêng do có tạpchất trong môi trường, sự thăng hoa các thành phần và dây dẫn bị oxy hoá. Tính bền vững vàhoạt động ổn định nhất là cặp nhiệt ngẫu Platin-Platinrodi mặc dù có sức điện động riêng nhỏnhưng nó có độ bền vững hoá học rất cao. 8.4. Kim loại và hợp kim có công dụng khác.  Kim loại khó nóng chảy. Những kim loại có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 1.700 oC thì được gọi là kim loại khónóng chảy. Theo nguyên tắc nó có độ bền vững hoá học cao ở nhiệt độ thấp nhưng ở nhiệt độ caonó trở nên tích cực. Để sử dụng chúng ở nhiệt độ cao phải đặt vào môi trường khí trơ hoặc chânkhông.  Volfram. Là kim loại rất nặng, kim loại cứng có màu nâu xám. Trong số các kim loại Volfram cónhiệt độ nóng chảy cao nhất. Nguyên liệu để sản xuất Volfram là FeWO4 + MnWO4 hoặcCaWO4. Đặc điểm của volfram là độ bền vừng trong tinh thể rất cao nhưng giữa các hạt mắt xíchlại có liên kết yếu, tính giòn và rất dễ gãy. Ngoài ra khi giảm đường kính của dây thì độ bền kéodãn tăng lên rất nhiều. Dây dẫn làm từ Volfram nguyên chất rất không bền vững ở nhiệt độ cao.Để tăng độ bền người ta thường cho thêm một số phụ gia là Th2O3. Để dễ dàng đạt được độ bền vững tạo hình thì cho thêm SiO2, Ai, Cr. Loại này được sửdụng để chế tạo sợi tim đeön. Volfram là vật liệu có tầm quan trọng bậc nhất để chế tạo điện cực, lò nung, các móctrong đèn điện tử, ống tia điện tử.... Volfram có hệ số nở dài nhỏ nhất so với các kim loại.  Molipđen. Kim loại có hình dáng bên ngoài tương tự Volfram. Quặng làm nguyên liệu để sản xuấtMolipđen là MoS2. Để tăng tính chịu cơ học của Mo, cho thêm một số phụ gia như SiO2, Th2O3 v.v... Molipđen chưa kết tinh có tính chất cơ tương tự Volfram, nhưng đã tinh thể hoá thì giữachúng có sự khác biệt cơ bản như sau: tinh thể Volfram ở nhiệt độ bình thường rất ròn, còn tinhthể Molipđen có độ dẻo cao. Nhờ vậy gia công linh kiện bằng Molipđen rất dễ dàng.Ở nhiệt độ bình thường Mo là kim loại rất bền vững. Trong không khí nó bắt đầu oxy hoá ở nhiệtđộ 300 oC, ở nhiệt đa 600 oC sẽ hình thành MoO3, loại oxit này rất dễ bị bốc hơi ở nhiệt đa 700o C. Trong số các kim loại khó nóng chảy Mo có điện trở suất nhỏ nhất. Độ bền của Mo kếthợp với tính dẻo của nó có thể chế tạo được các chi tiết phức tạp hoạt động ở nhiệt độ cao. TừMo chế tạo ra lưới đèn điện tử, ống tia Rơngen và các linh kiện khác trong lò điện. Ở môi trườngkhí trơ nó có thể hoạt động được ở nhiệt độ l.700 oC.  Tantal. Tantal được chế tạo từ quặng Fe(TaO3)2. Tính đặc biệt của Tantal là quá trình nén, dậpđều được thực hiện ở môi trường chân không, do Tantal rất nhạy cảm với oxy và nó trở nên rấtgiòn. Tantal có tính dẻo cao ở ngay nhiệt độ bình thường. Giới hạn bền vững trên kéo dãn thayđổi vào cách gia công cơ học và nhiệt luyện tử 350 - 1250 Mpa. Khi nung trong không khí và khiOxy hoá Anot trên bề mặt Tantal hình thành màng oxít vững chắc Ta 2O5, nó không bị phân huỷtới nhiệt độ 1500 oC. Khác biệt với Vofram và Molipđen là Tantal không trở nên giòn ở nhiệt độ 97
  6. 6. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8rất cao trong chân không. Đặc điểm của Tantal là khả năng hấp thu khí ở nhiệt độ 600 - l.200 oC,kết hợp với nhiệt độ nóng chảy cao, có độ dẻo và hình thể bền vững đã đặt vị trí của nó vào loạivật liệu sử dụng trong kỹ thuật chân không ở những nơi có tầm quan trọng đặc biệt. Tính chấtđặc biệt của Tantal sử dụng trong công nghiệp tụ điện nhờ có hệ số điện môi của Ta2O5 = 25.  Niobi. Là kim loại có tính chất tương tự Tantal và nó nằm trong quặng cùng với quặng có chứaTantal. Kim loại có chứa 94% Ni thì có tính dẻo cao, có thể cán thành tấm, bản hoặc màng mỏng. Niobi có tính hấp thụ khí rất cao ở nhiệt độ 400 - 900 oC. Vì thế trong các dụng cụ chânkhông các linh kiện làm bằng Niobi hấp thụ lượng khí còn lại. Niobi là kim loại có khả năngchuyển sang trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ 9,2 oK.  Crom. Là kim loại rất thông dụng trên thực tế, có tính bền vững hoá học rất cao vì thế nó đượcsử dụng để bảo vệ bề mặt của kim loại. Crom có tính dính với thuỷ tinh, gốm sứ và liên kết với bất kỳ một kim loại nào. Crom nằm trong hầu hết các hợp kim dùng để đốt nóng, cặp nhiệt ngẫu, kim loại khôngrỉ, thép chịu nhiệt và vật liệu từ.  Reni. Re là một trong những kim loại nặng có nhiệt độ nóng chảy gần bằng nhiệt độ nóng chảycủa Volfram. Reni và hợp kim của nó với Volfram được sử dụng trong công nghiệp đèn điện tửvà thiết bị chân không thay cho Volfram. Reni và hợp kim của nó cùng với Volfram có thể tạođược cặp nhiệt ngẫu để đo được nhiệt độ tới 2.500 + 2.800 oC ở chân không, hay trong môitrường Hydro hoặc khí trơ. Trong kỹ thuật điện tử Reni được sử dụng để bảo vệ khỏi ăn mòn các linh kiện làm bằngđồng, bạc, Volfram, Molipđen.  Các hợp kim khó nóng chảy . Ngoài những kim loại nguyên chất có độ nóng chảy cao, trong kỹ thuật chân không đểchế tạo sườn máy sử dụng hợp kim của Volfram với Molipđen, Molipđen với Reni, Volfram vớiReni hoặc Tantal với Volfram. Sự thay đổi lượng kim loại trong thành phần của hợp kim sẽ cóđược hợp kim có độ bền cơ học theo yêu cầu đồng thời có độ dẻo cần thiết của linh kiện. Ví dụhợp kim của Molipđen với Volfram là hợp kim cứng có độ nóng chảy hơi kém hơn khi giữnguyên độ cứng và tăng điện trở suất.  Những kim loại quí. Những kim loại quí là các kim loại có độ bền vững hoá học cao nhất gồm có: vàng, bạc,Platin, Palađi. Chúng thường gặp trong thiên nhiên ở dạng nguyên chất hoặc trong các quặng.Các kim loại này nhận được từ lò luyện, bằng phương pháp điện hoá, điện phân và đạt được độtinh khiết rất cao: + Vàng - 99,998%; Bạc - 98,999% + Platin - 99,9998%, Paladi - 99,94% .  Vàng. Là kim loại có màu vàng, có độ dẻo rất cao. Giới hạn bền vững kéođứt 150 Mpa, độ dài tương đối khi kéo đứt là 40%. Trong kỹ thuật điện tử, vàng được sử dụng làm vật liệu tiếp điểm, tráng bề mặt trong củaống dẫn sóng. Ưu điểm của tiếp điểm bằng vàng là tính bền vững khỏi bị oxy hoá tiếp điểm ởnhiệt độ cao.  Bạc. Có màu trắng, kim loại bóng, rất bền vững với oxy ở nhiệt độ thường và là kim loại cóđiện trở suất nhỏ nhất. Độ bền kéo 200 Mpa, độ dài tương đối khi kéo đứt 50%. Bạc được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm các tiếp điểm. Tính dẫn nhiệt rất cao, bạcđược sử dụng làm điện cực. Nhược điểm của bạc là tính nhạy cảm với sự chuyển dịch bên trong điện môi mà nó đặtlên ở nhiệt độ cao và có độ ẩm lớn.  Platin. Kim loại màu trắng, có tính bền vững hoá học rất cao. Nó có thể kéo thành chi rất mảnh. Platin được sử dụng làm tiếp điểm có điện trở chuyển tiếp rất ổn định. 98
  7. 7. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8 Platin sử dụng để làm cặp nhiệt ngẫu, có thể hoạt động được ở nhiệt độ 1600 oC. Nhữngsợi chỉ mảnh làm bằng platin có đường kính khoảng 0,001mm được dùng làm sợi dây treo trongdụng cụ đo lường có độ nhạy cao. Platin và hợp chất của nó với Iriđi có độ cứng cao cho phép hoạt động ở tần số rất cao,tuy nhiên do giá thành của Platin rất đắt nên nó chỉ được sử dụng ở trường hợp đặc biệt.  Paladi. Có tính chất gần giống với Platin và thường được sử dụng để thay thế Platin do giá thànhrẻ hơn 4-5 lần. Sử dụng Paladi trong kỹ thuật chân không có tính hấp thụ hyđro cao. Paladi và hợp kim của nó với bạc hay đồng sử dụng trong kỹ thuật tiếp điểm. Độ bền kéođứt là 200 Mpa, độ dài tương đối khi kéo đứt tới 40%.  Các kim loại có độ nóng chảy trung bình. Kim loại có nhiệt độ nóng chảy trung bình gồm có sắt, Nikel và coban. Chúng là vật liệusắt từ, ngoài ra chúng có hệ số nhiệt điện trở cao.  Sắt (thép) Là vật liệu rẻ và thông dụng nhất, có độ bền cơ học cao. Đặc tính của sắt và các vật liệusuất từ là có quan hệ điện trở suất với nhiệt độ không tuyến tính. Tính đặc biệt này là do tínhnhiễm từ tự phát khi tới gần nhiệt độ Quiri. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Quiri tính chất đó biếnmất. Ở nhiệt độ thấp tất cả các mô men từ của nguyên tử trong kim loại nhiễm từ định hướngsong song. Nhờ có sự sắp xếp trật tự, chu kỳ phân bố vị trí của chúng không gây ra phân tán điệntử chuyển động dưới tác động của điện trường. Khi nhiệt độ tăng lên tính trật tự biến mất và gâyra sự phân tán điện tử. Theo nguyên tấc Matisen cơ cấu phân tánđược tính bằng điện tử toàn phần. R = RT + RCL + RM (8.5) RT và RCL - điện trở do phân tán điện tứ & dao động nhiệt của lưới và trên tạp chất. RM - từ tính đặt vào điện tử do mất trật tự trong hệ thống spin. Điện trở suất của săït cũng như các kim loại khác phụ thuộc vào lượng tạp chất. Aínhhưởng lớn nhất tới tính chất dẫn điện của sắt là tạp chất Si và nó được sử dụng để làm vật liệu,làm lõi từ có điện trở suất cao và làm giảm tổn thất do dòng điện xoáy. Do có độ từ thẩm cao nó được sử dụng làm lõi từ cho cuộn dây máy biến áp. Săút đượcsử dụng làm vỏ máy hoạt động ở nhiệt độ 500 oC.  Nikel. Kim loại có màu trắng bạc có khối lượng riêng bằng khối lượng riêng của đồng được sửdụng rộng rãi trong kỹ thuật chân không và được làm Katốt. Nikel dễ dàng nhận được ở dạngsạch 99,99%. Tạp chất nguy hiểm nhất là lưu huỳnh, nó làm giảm độ bền cơ học của nikel rấtmạnh. Tính chất quí báu của nikel là tính bền vững hoá học rất cao, đặc biệt là đối với dung dịchkiềm, dù ở nhiệt độ cao cũng không tác động với nikel. Nikel được sử dụng trong thành phầnhợp chất của dây dẫn từ. Một tính chất quí báu khác của Ni là có độ bền cơ học cao sau khi đượcủ nó có độ kéo dán ∆l/l = 35 - 50%. Ở nhiệt độ lạnh vẫn có thể dập, kéo, cán.... Từ Ni có thể chếtạo các linh kiện có kích thước và hình dáng cực kỳ phức tạp. Ngoài ra Ni được sử dụng trong kỹthuật chân không và làm lớp bảo vệ bên ngoài cho sắt.  Hợp kim dùng cho kỹ thuật chân không. Dùng chủ yếu là kim loại có độ nóng chảy trung bình tạo thành hợp kim được sử dụngrộng rãi trong kỹ thuật chân không, do chúng có hệ số nở dài chuẩn, có thể hàn nối với thuỷ tinh.Hợp kim thông dụng là 29% Ni, 17% Co và 54% Fe. Nó có hệ số nở dài từ (4,4 - 5,7) 10 -6K-1dùng để hàn nối với thuỷ tinh thay thế cho Volfram và Molipđen.  Coban. Là kim loại có tính chất giống nikel. Nó được sử dụng để làm hợp kim từ tính có độ chịunhiệt cao, và hợp kim có hệ số nở dài nhỏ.  Vật liệu hàn. Vật liệu hàn là một hợp kim đặc biệt sử dụng để hàn nối. Vật liệu hàn được chia thànhhai nhóm: nhóm mềm và cứng. + Nhóm mềm là nhóm có nhiệt độ nóng chảy dưới 300 oC, nhóm cứng lớn hơn 300 oC.Ngoài ra vật liệu hàn được phân biệt theo độ bền vững cơ bọc. Loại mềm có giới hạn bền vữngkéo đất 16-100 Mpa. Loại cứng 100-500 Mpa. 99
  8. 8. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8 Vật liệu hàn mềm là hợp kim của thiếc và chì, thiếc chiếm 90% còn chì 10%. Tính dẫnđiện của vật liệu này khoảng 9-15% của đồng. Vật liệu hàn cứng là hợp kim của đồng và kẽm, ngoài ra còn phải kể đến hợp kim bạc vàcác phụ gia khác. Vật liệu trợ giúp để có mối hàn chắc chắn được gọi là chất giúp chảy. Nó phải có tínhchất: 1- Hoà tan và tẩy sạch oxit và các vết dơ trên bề mặt của kim loại được hàn. 2- Bảo vệ trong quá trình hàn bề mặt và làm nóng chảy vật liệu hàn đồng thời bảo vệ khỏi bị oxy hoá. 3- Giảm bề mặt kéo của vật liệu hàn. 4- Tăng tiếp xúc của vật liệu được hàn nối.  Chất phụ giúp làm chảy tích cực hoặc axit. Là các vật chất tích cực axit HCL, hay Clorua kim loại.... Những vật chất này làm hoà tancác lớp màng oxit trên bề mặt kim loại. Nhờ đó mà độ bám dính của vật liệu hàn dược tăng lên.Chất giúp làm chảy còn sót lại trên bề mặt kim loại làm tăng nhanh ăn mòn vì vậy loại phụ gianày chỉ trong trường hợp có thể rửa bề mặt sau khi đã hàn xong.  Chất phụ giúp làm chảy không chứa axit. Đây là nhựa thông và có thêm một số phụ gia khác như rượu hoặc glixerin. .  Chất phụ gia giúp làm chảy chống ăn mòn. Lâõy axit Phốtphoric làm vật liệu chủ yếu (H2PO4) coø thêm một số phụ gia hữu cơ cóthành phần là axit hữu cơ. Sự còn lại của chất phụ làm chảy không gây ăn mòn. 8.5. Các vật liệu dẫn điện không kim loại. Ngoài các kim loại và hợp kim dùng để chế tạo điện trở, cán bộ phận tiếp xúc, dây dẫncòn sử dụng các vật liệu không kim loại. Theo nguyên tắc các vật liệu này có giá trị sử dụngtrong lĩnh vực hẹp. Vật liệu có nguồn gốc cachon. Dây dẫn không kim loại được sử dụng rộng rãi trong kỹ.thuật điện là Graflt - một trongsố dạng cacbon sạch: Nó có điện trở suất nhỏ, có độ chịu nhiệt cao, tính dẫn nhiệt, bền vững vớinhiều môi trường hoá học rất mạnh. Grarlt thiên nhiên. Là vật liệu có tinh thể lớn, nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng 3900 oC). Ở nhiệt độ caonó kết hợp với oxy và tạo thành khí CO hoặc CO2 Cacbon nhiệt phân. Nhận được bằng phương pháp nhiệt tách hơi cacbon trong chân không hoặc môi trườngkhí trơ. Vật chất dùng để nhiệt phân thường được dùng là khí Me tan. Để có cấu trúc chặt cầnphải có nhiệt độ phân tích không dưới 900 oC. Màng cacbon nhiệt phân sử dụng để làm điện trởtuyến tính dạng mặt phẳng. Công nghiệp sản xuất linh kiện từ cacbon phần lớn là dùng nguyên liệu cacbon đượcnghiền nhỏ, sau đó được thiêu kết với vật chất kết dính khác và được ép thành các linh kiện cóđộ cứng cao. Graflt được sử dụng trong công nghệ vật liệu bán dẫn để làm bộ phát nhiệt, màn chăún,lò nung.... Có thể hoạt động ởû nhiệt độ 2500 oC. Các vật liệu dẫn hỗn hợp. Vật liệu dẫn hỗn hợp là hỗn hợp của phụ gia dẫn và điện môi. Bằng phương pháp thayđổi thành phần cấu tạo và đặc tính của hỗn hợp có thể thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đặctính của vật liệu này là tính dẫn điện phụ thuộc vào tần số và có tính già cỗi theo thời gian khimang tải. Thành phần của pha dẫn là các kim loại, Graphit, một vài loại Carbit. Chất kết dính lànhững điện môi hữu cơ hoặc vô cơ. Những vật liệu dẫn tổng hợp điển hình là Kontaktol và bộtchịu nhiệt. Kontaktol. Sử dụng làm dây dẫn màng mỏng, sơn dẫn điện. Chất kết dính là các loại keo tổng hợp(Epoxi, Fenol-formaldehit, Silikon...). Chất dẫn điện phụ gia là bột khuếch tán kim loại (Bạc, 100
  9. 9. Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8Nikel, Panadi). Trước khi rải lên bề mặt kết dính cần phải rửa sạch bề mặt bằng Axetol hoặcrượu. Kontaktol sử dụng để làm contact giữa các kim loại hay giữa kim loại với bán dẫn, tạođiện cực trên điện môi, làm màn chắn từ, chế tạo ống dẫn sóng dẻo.... Bột chịu nhiệt. Là hỗn hợp của kim loại với chất kết dính vô cơ. Dùng để chế tạo băng điện trở. Tính ưuviệt của nó là có khả năng điều chình điện trở suất ở giới nhạn rất rộng. Hỗn hợp điển hình là Cr- SiO, màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp thăng hoa và ngưng tụ trong chân không sauđó được gia nhiệt để ổn định tính chất. Khi gia nhiệt do có sự tác động tương hỗ giữa các thànhphần, xảy ra sự giải phóng oxit của lớp giữa các hạt và hình thành Cr3Si. Kết quả là điện trở cáchđiện của các lớp giữa các hạt và thay đổi điện trở tiếp xúc. Trong các sơ đồ vi mạch sử dụng biến trở làm từ hỗn hợp của thuỷ tinh với Panadi vàBạc. Trước tiên nghiền thuỷ tinh thành những hạt có kích thước từ 3-5 µm , sau đó trộn đều vớibột Bạc và Panadi cùng với chất kết dính hữu cơ. Hợp chất thu được có thể quét lên bể mặt gốmở điều kiện áp suất khí quyển bình thường. Điện trở suất của lớp màng phụ thuộc vào phần trămvật dẫn. 101

×