Проводниковый алюминий. Влияние примесей на электропроводность алюминия и влияющие на нее факторы

  КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

  по  дисциплине: Материаловедение 

  Тема: «Проводниковый алюминий. Влияние примесей на электропроводность алюминия и влияющие на нее факторы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  ПЛАН 

1. Алюминий, проводниковый алюминий……………………………………..…3

2. Недостатки алюминия …………………………………………………………7

3. Влияние примесей на свойства алюминия, сплавы алюминия.…………….11

4. Получение ……………………………………………………………………..14

5. Применение в электротехнике и промышленности ………………………..16

6. Список использованной литературы ………………………………………..20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Алюминий

     Название  алюминия происходит от латинского alumen — так ещё за 500 лет до н. э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись  как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Датский учёный Х. К. Эрстед в 1825, действуя амальгамой калия на безводный AlCl₃ и затем отгоняя ртуть, получил относительно чистый алюминий. Первый промышленный способ производства алюминия предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль: способ заключался в восстановлении двойного хлорида алюминия и натрия Na₃AICI₆ металлическим натрием. Похожий по цвету на серебро, алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 было получено всего 200 т алюминия. Современный способ получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава разработан в 1886 одновременно и независимо друг от друга Ч. Холлом в США и П. Эру во Франции.

     По  распространённости в природе алюминий занимает 3-е место после кислорода  и кремния и 1-е — среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80%. В свободном виде алюминий в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов алюминия, преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют боксит, алунит и нефелин.

     Он  легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки. Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии).

     Внешняя электронная оболочка атома алюминия состоит из 3 электронов и имеет  строение 3s²3р. В обычных условиях алюминий в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя т. н. субсоединения. Субгалогениды алюминия, AIF и AlCl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Al и AlF₃ или AlCl₃ и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого алюминия. При накаливании мелкоизмельчённый или порошкообразный алюминий энергично сгорает на воздухе. Сжиганием алюминия в токе кислорода достигается температура выше 3000°C. Свойством алюминия активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их окислов. При тёмно-красном калении фтор энергично взаимодействует с алюминием, образуя AIF₃. Хлор и жидкий бром реагируют с алюминием при комнатной температуре, йод — при нагревании. При высокой температуре алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AIN, карбид Al₄C₃ и сульфид Al₂S₃. С водородом алюминий не взаимодействует; гидрид алюминия (AlH₃)x получен косвенным путём. Большой интерес представляют двойные гидриды алюминия и элементов I и II групп периодической системы состава MeH_n-nAlH₃, т.н. алюмогидриды. Алюминий легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя алюминаты. Большинство солей алюминия хорошо растворимо в воде. Растворы солей алюминия вследствие гидролиза показывают кислую реакцию.

     Проводниковый алюминий

     В качестве проводниковых материалов используют чистые металлы, а также  сплавы металлов. Наибольшей проводимостью  обладают чистые металлы, исключением  является ртуть, у которой удельное сопротивление велико 0,95ом*мм²/м при 20⁰С. Чистые металлы составляют группу проводниковых материалов с малым удельным сопротивлением =0,0150 ч0,108 ом*мм²/м при 20С. Из этих металлов (медь, алюминий) изготовляют обмоточные, монтажные, установочные кабели и провода.

     Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м³); плотность литого алюминия около 2,6, а прокатанного - 2,7 Мг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем 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 большим, т. е. диаметр должен быть в » 1,3 раза больше диаметра медного провода. 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: 8,9/(2,7×1,63) »2.

     Поэтому для изготовления проводов одной  и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

     Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5 % примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВОО (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВОООО имеет содержание примесей, не превышающее 0,004 %. Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость g алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5 % снижают y отожженного алюминия не более чем на 2—3 %. Более заметное действие оказывают примеси Сu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие v алюминия на 5—10 %. Очень сильно снижают g алюминия добавки Ti и Мп.

     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.

     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 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 сравнительно с обычным более мягок 
и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии. 
 
 

     2. Недостатки алюминия

     Недостатками  алюминия являются невысокая механическая прочность при растяжении и повышенная мягкость даже у твердотянутого алюминия. Алюминий - металл серебристого цвета, или серебристо-белого. Температура плавления его 658-660, а температурный коэффициент расширения равен 24*10^-6/С. Алюминий быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая надежно защищает металл от проникновения кислорода, поэтому голые (неизолированные) провода алюминия могут длительно работать на открытом воздухе. Оксидная пленка на алюминиевых проводах обладает значительным электрическим сопротивлением, поэтому в местах соединения алюминиевых проводов могут образовываться большие переходные сопротивления. Зачистку мест соединения проводов обычно производят под слоем вазелина во избежание окисления алюминия на воздухе. Непосредственную коррозию алюминия вызывают оксиды азота (NO), хлор (CI), сернистый газ (SO₂), соляная и серные кислоты и другие агенты. Надежные соединения проводов друг с другом, а также с проводами из других металлов осуществляется с помощью холодной или горячей сварки. Чем выше химическая чистота алюминия, тем он лучше сопротивляется коррозии. Поэтому наиболее чистые сорта алюминия с содержанием чистого металла 99,5% идут для изготовления электродов в электрических конденсаторах, для изготовления алюминиевой фольги и обмоточных проводов малых диаметров 0,05 -0,08 мм.

     Применяют проводниковый алюминий, содержащий чистого металла не менее 99,7%. Для изготовления проволоки применяют алюминий с содержанием чистого металла не менее 99,5%. Алюминиевую проволоку изготовляют путем волочения и прокатки. Проволока из алюминия бывает трех видов марок: АМ (мягкая отожженная), АПТ (полутвердая) и АТ (твердая не отожженная). Проволоку выпускают диаметром от        0,08 до 10 мм. 

     Известно  несколько сотен минералов алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и  др.). Получают электролизом глинозема Al₂О₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ при 950 °С. Алюминий имеет решётку гранецентрированного куба, устойчив при температурах от -269 °С до точки плавления (660 °С). Алюминий не имеет аллотропических изменений, элементарная ячейка состоит из 4 атомов, атомный диаметр 2,86×10^-10 м. Теоретическая плотность алюминия равна 2698,72 кг/м³. Экспериментальные значения для поликристаллического материала находятся в пределах от 2696,6 до 2698,8 кг/м³. Электросопротивление алюминия высокой чистоты (99,99%) при 20°С составляет 2,6548×10^-8 Ом×м, или 65% электросопротивления международного эталона из отожжённой меди. Отражательная способность полированной поверхности составляет более 90%.

     Алюминий  чистотой свыше 99,99% впервые был получен  электролизом в 1920г. В 1925 г. в работе Эдвардса опубликованы некоторые сведения о физических и механических свойствах  такого алюминия. В 1938г. Тейлор, Уиллей, Смит и Эдвардс опубликовали статью, в которой приведены некоторые свойства алюминия чистотой 99,996%, полученного во Франции также электролизом. Первое издание монографии о свойствах алюминия вышло в свет в 1967г.

     В последующие годы благодаря сравнительной простоте получения и привлекательным свойствам опубликовано много работ о свойствах алюминия. Чистый алюминий нашёл широкое применение в основном в электронике - от электролитических конденсаторов до вершины электронной инженерии - микропроцессоров; в криоэлектронике, криомагнетике.

     Более новыми способами получения чистого  алюминия являются метод зонной очистки , кристаллизация из амальгам (сплавов  алюминия со ртутью) и выделение  из щёлочных растворов. Степень чистоты алюминия контролируется величиной электросопротивления при низких температурах.

     В настоящее время используется следующая  классификация алюминия по степени  чистоты: