Chuong 8 vat lieu dan dien

Bài gảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 8
Chương 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 không
vượt 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 đưa
vào lò luyện và được điện phân. Đồng nhận được sau khi điện phân là đồng tấm có trọng lượng
từ 80 - 90 kg. Bằng phương pháp kéo nguội sẽ có được đồng cứng có ký hiệu là (MT), loại đồng
này có độ cứng cao và có độ bền kéo dãn, có tính đàn hồi. Nếu đồng được gia công thêm bằng
cách ủ ở nhiệt độ khoảng 600 - 650 0C sẽ được đồng mềm ký hiệu là (MM) có độ dẻo cao nhưng
độ 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 nối
và tráng bạc. Đồng M0 chứa 99,95% là đồng và 0,05% tạp chất. Trong đó oxy không được vượt
quá 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% tạp
chất Zn, Co, Ag thì điện dẫn suất giảm đì 5%. Nếu như trong đồng có 0,5% tạp chất Ni, Sn, Al
thi điện dẫn suất giảm từ 20 - 40%. Nếu tạp chất là Be, As, Fe, Si hoặc P thì điện dẫn suất giảm
55% hay hơn nữa.
Nhược điểm của đồng là bề mặt tiếp xúc với không khí rất dễ bị ăn mòn và hình thành
màng Sunphit. Tốc độ ăn mòn tăng nhanh khi bị đốt nóng, tuy nhiên độ bám của lớp màng với
kim loại không cao. Vì vậy đồng không sử dụng ở nơi có tiếp xúc không chặt. Khi bị nhiệt độ
cao do hồ quang oxit đồng bị phân ly, bám chặt lên bề mặt kim loại. Sự tróc và bám oxit lên kim
loại 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 cơ
học sẽ giảm đi một vài lần. Đặc biệt sự phá huỷ của H2 còn mạnh hơn khi có mặt cả oxy có trong
đồng kỹ thuật ở dạng Cu2O .Hyđro dễ dàng xâm nhập sâu trong kim loại ở nhiệt độ cao và hình
thành 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 vài
ngàn at và tạo thành vết nứt nhỏ làm phá vỡ tính khít chân không của vật liệu và làm cho nó trở
nên giòn và dễ gãy. Trong công nghiệp được gọi là bệnh hyđro. Trong đồng chứa 0,001% oxy thì
sẽ không có bệnh này. Tuy nhiên trong đồng không oxy sau khi nhiệt luyện trong hyđro có thể
thấy sự sa sút tính dẻo ở nhiệt độ cao (300 - 800 0C). Do khi đốt nóng xảy ra sự thâm nhập hyđro
trong 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 rất
nhiều các lĩnh vực khác. Đồng cứng được sử dụng trong các trường hợp cần có độ bền cơ học
93

cao, có độ cứng và chống mài mòn, ví dụ để làm dây trần. Nếu cần có độ dẻo và độ bền kéo dãn
không cần thiết thì sử dụng đồng mềm (ví dụ dùng cho dây điện mềm).Đồng cao cấp tạo trong
chân 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 có
đặc điểm rất nhẹ. Điện trở suất của nhôm gấp 1,6 lần đồng, nhưng nhôm lại có khối lượng riêng
nhỏ hơn 3,5 lần Cu. Nếu dây dẫn đồng, nhôm bằng nhau về độ dài, bằng nhau về điện trở suất thì
mặc dù nhôm có tiết diện lớn hơn nhưng nó lại nhẹ hơn đồng tới hai lần. Một mặt nhôm lại có
nhiều 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 độ
350 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,và
vỏ tụ điện.
+ Nhôm A-999 chứa không quá 0,001% tạp chất. Độ sạch được kiểm tra theo giá trị điện
trở 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 tính
dẫn 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 thay
đổi nhiều tính dẫn điện, còn các tạp chất hình thành dung dịch cứng sẽ làm giảm tính dẫn điện
của nhôm, trừ kẽm ra. Tôi nhôm làm tăng điện trở của nó do tồn tại tạp chất và làm tăng độ hoà
tan 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 độ
nitơ hoá lỏng điện trở suất của nhôm tương tự như đồng, còn ở nhiệt độ thấp hơn nhôm có tính
dẫn điện tốt hơn đồng. Chính vì vậy nhôm sử dụng làm dây dẫn lạnh (dây dẫn có tính dẫn điện
rất cao).
 Ứng dụng của nhôm.
Cũng như đồng, nhôm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm dây dẫn, làm dụng cụ
gia 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 cho
nhôm không thể hàn theo phương pháp bình thường. Để hàn nhôm phải sử dụng loại sáp hàn đặc
biệt hoặc sử dụng mỏ hàn siêu âm. Lớp oxit cách điện rất bền vững về cơ và chịu nhiệt cao (một
lốp oxit có độ dày 0,03 mm có điện áp chọc thủng khoảng 100 V, còn ở độ dày 0,04 mm khoảng
250 V). Từ oxit nhôm chế tạo cuộn dây không có cách điện giữa các vòng dây. Nhược điểm
chính của cách điện loại này là hạn chế tính dẻo và có tính hút ẩm cao. Oxit nhôm sử dụng rộng
rãi trong kỹ thuật chế tạo tụ điện, bộ nắn và các bộ chống sét. Nhôm có ưu điểm của vật liệu tiếp
xúc là dễ dàng, vật liệu dễ phun thành bụi và kết dính với Si và màng cách điện từ SiO 2 sử dụng
trong 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 được
sử dụng để sản xuất dụng cụ đo lường, điện trở mẫu, thiết bị đốt nóng. Khi sử dụng hợp kim làm
thiết bị đo không chỉ yêu cầu điện trở suất cao mà còn phải có hệ số nở dài nhỏ, và sức điện động
nhỏ so với đồng. Dây điện trở phải có khả năng hoạt động ở nhiệt độ 1000 oC trong không khí ở
94

thời gian đài .Những vật liệu có điện trở suất cao được sử dụng rộng rãi trong thực tế là Mn với
Cu 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 1-2 100-200
Mn, 2%Ni)
2- Konstantan 0,48-0,52 -(5-25) 40-50 450-500
3- Hợp kim Crom-niken 1,0-1,1 100-200 - 1000
X15H60 (55-61%Ni,
15-18%Cr, 1,5%Mn còn lại là
sắt)
4- X20H80 (75-78% Ni, 1,0-1,1 100-200 - 1100
20-23%Cr, 1,5%Mn còn lại là
sắt)

 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. Theo
lý thuyết lượng tử, nguyên nhân chính xuất hiện hiệu điện thế trên tiếp xúc là hiệu của năng
lượng 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 năng
lượng Fermi ∋A và ∋B tính từ vùng đáy của vùng dẫn (H.8.1a). Công nhiệt động lực bứt điện tử χA
và 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 lượng
cao sang mức năng lượng thấp hơn. Chính xác hơn từ kim loại B sang kim loại A. Thực chất là
các điện tử tới chiếm trạng thái có mức năng lượng thấp nhất. Không thể có một trong hai kim
loại ở trạng thái có mức năng lượng thấp, trong khi đó kim loại kia ở trạng thái lấp đầy với mức
năng lượng cao hơn. Thực tế chuyển tiếp điện tử từ kim loại B vào kim loại A là sự chuyển tiếp
điện tử vào một hệ thống có mức năng lượng thấp hơn. Kết quả là kim loại B được tích điện
dương, kim loại A được tích điện âm, giữa chúng xuất hiện
hiệu 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 từ
đáy 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 loại
khác tới trạng thái cân bằng. Do tốc độ chuyển động của điện tử rất lớn, cân bằng xảy ra ở thời
95

gian ~ 1016s. Ở điều kiện ổn định mức Fermi của hai kim loại phải bằng nhau. Nhờ vậy các điện
tích của vùng điều hoà mức có thể đi qua khi di chuyển của một số lượng nhỏ điện tử. Lớp điện
kép d tồn tại trong vùng tiếp xúc rất mỏng (khoảng chu kỳ lưới) và không ảnh hưởng tới sự đi lại
của dòng điện qua tiếp xúc. Do năng lượng Fennđrong kim loại có giá trị một vài eV thì hiệu
điện 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 nhiệt
ngẫu. Ở nhiệt độ khác nhau của tiếp xúc trong một mạch kín xuất hiện dòng điện, gọi là dòng
điện 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 trong
mạch gồm ba thành phần. Đầu tiên là sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hiệu điện thế tiếp xúc. Trong
kim loại khi nhiệt độ tăng lên mức Fermi mặc dù rất yếu nhưng chuyển dịch xuống dưới theo
thang 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 đầu
nóng sang đầu nguội. Năng lượng trung bình của điện tử thay đổi không nhiều nhưng vẫn thay
đổi theo nhiệt độ. Các điện tử tập trung ở đầu nóng có mức động năng cao hơn và có tốc độ cao
hơn so với đầu nguội. Vì vậy phần lớn chúng khuếch tán theo hướng gradient nhiệt độ so với
hướng ngược lại. Dòng khuếch tán mang điện tích âm từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có
nhiệt 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 bởi
năng lượng nhiệt lượng tử (Fonon). Dòng của chúng cũng lan truyền tới đầu nguội. Tất cả các
thành phần sức điện động nhiệt xác định bằng nồng độ điện tử không lớn, nằm ở mức năng
lượng gần mức Fermi Vì vậy sức điện động nhiệt riêng của kim loại rất nhỏ. Lý thuyết lượng tử
đưa 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 vài
µV/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 ở
một đầu. Trong điều kiện tự nhiên loại bỏ chênh lệch nhiệt độ trên thực tế không có. Vì vậy trong
mạch điện có thể xuất hiện sức điện động nhiệt ký sinh. Để giảm bớt sự ảnh hưởng của chúng
trong 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, khi
xuất hiện gradient nhiệt độ trên các đầu cuối cũng xuất hiện hiệu điện thế do các nguyên nhân
vừa nêu trên. Giá trị của nó là hiệu nhiệt độ trên các đầu cuối của dây dẫn, gọi là sức điện động
nhiệt riêng tuyệt đối. Có thể chứng minh rằng trong mạch cặp nhiệt ngẫu sức điện động nhiệt
riêng 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 nhận
là vật liệu mẫu thì để bất kỳ một vật liệu nào tham số này cũng có thể nhận được qua sự giúp đỡ
đo lường của vật liệu mẫu. Khi đo hiệu điện thế trên các đầu cuối của dây dẫn bằng phương pháp
nối volt kế cần phải tính rằng dây nối của volt kế làm tăng nhanh cân bằng nhiệt với đầu cuối
của dây dẫn. Vì vậy kết quả đo lường là sức điện động nhiệt tương đối, do xuất hiện sức điện
động 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 chất
nhiệt điện rất yếu. Ở nhiệt độ thấp vật liệu mẫu là dây siêu dẫn do có sức điện động nhiệt riêng
bằng 0 . Dấu của sức điện động nhiệt tính là âm, nếu như đầu nóng của dây dẫn nạp dương, đây
là đặc tính của hầu hết kim loại. Trường hợp tổng quát sức điện động nhiệt tuyệt đối phụ thuộc
nhiều 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

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 tạp
chất trong môi trường, sự thăng hoa các thành phần và dây dẫn bị oxy hoá. Tính bền vững và
hoạt động ổn định nhất là cặp nhiệt ngẫu Platin-Platinrodi mặc dù có sức điện động riêng nhỏ
nhưng 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 khó
nóng chảy. Theo nguyên tắc nó có độ bền vững hoá học cao ở nhiệt độ thấp nhưng ở nhiệt độ cao
nó trở nên tích cực. Để sử dụng chúng ở nhiệt độ cao phải đặt vào môi trường khí trơ hoặc chân
không.
 Volfram.
Là kim loại rất nặng, kim loại cứng có màu nâu xám. Trong số các kim loại Volfram có
nhiệt độ nóng chảy cao nhất. Nguyên liệu để sản xuất Volfram là FeWO4 + MnWO4 hoặc
CaWO4.
Đặc điểm của volfram là độ bền vừng trong tinh thể rất cao nhưng giữa các hạt mắt xích
lại có liên kết yếu, tính giòn và rất dễ gãy. Ngoài ra khi giảm đường kính của dây thì độ bền kéo
dãn 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 sử
dụng để chế tạo sợi tim đeön.
Volfram là vật liệu có tầm quan trọng bậc nhất để chế tạo điện cực, lò nung, các móc
trong 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 xuất
Molipđen 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 giữa
chúng có sự khác biệt cơ bản như sau: tinh thể Volfram ở nhiệt độ bình thường rất ròn, còn tinh
thể 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 nhiệt
độ 300 oC, ở nhiệt đa 600 oC sẽ hình thành MoO3, loại oxit này rất dễ bị bốc hơi ở nhiệt đa 700
o
C.
Trong số các kim loại khó nóng chảy Mo có điện trở suất nhỏ nhất. Độ bền của Mo kết
hợp với tính dẻo của nó có thể chế tạo được các chi tiết phức tạp hoạt động ở nhiệt độ cao. Từ
Mo chế tạo ra lưới đèn điện tử, ống tia Rơngen và các linh kiện khác trong lò điện. Ở môi trường
khí 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, dập
đều được thực hiện ở môi trường chân không, do Tantal rất nhạy cảm với oxy và nó trở nên rất
giòn. Tantal có tính dẻo cao ở ngay nhiệt độ bình thường. Giới hạn bền vững trên kéo dãn thay
đổi vào cách gia công cơ học và nhiệt luyện tử 350 - 1250 Mpa. Khi nung trong không khí và khi
Oxy hoá Anot trên bề mặt Tantal hình thành màng oxít vững chắc Ta 2O5, nó không bị phân huỷ
tới nhiệt độ 1500 oC. Khác biệt với Vofram và Molipđen là Tantal không trở nên giòn ở nhiệt độ
97

rất 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 loại
vật liệu sử dụng trong kỹ thuật chân không ở những nơi có tầm quan trọng đặc biệt. Tính chất
đặc 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 chứa
Tantal. 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 chân
không các linh kiện làm bằng Niobi hấp thụ lượng khí còn lại. Niobi là kim loại có khả năng
chuyển 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 được
sử 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 không
rỉ, 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 chảy
của Volfram. Reni và hợp kim của nó với Volfram được sử dụng trong công nghiệp đèn điện tử
và thiết bị chân không thay cho Volfram. Reni và hợp kim của nó cùng với Volfram có thể tạo
được cặp nhiệt ngẫu để đo được nhiệt độ tới 2.500 + 2.800 oC ở chân không, hay trong môi
trường Hydro hoặc khí trơ.
Trong kỹ thuật điện tử Reni được sử dụng để bảo vệ khỏi ăn mòn các linh kiện làm bằng
đồng, 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 để
chế tạo sườn máy sử dụng hợp kim của Volfram với Molipđen, Molipđen với Reni, Volfram với
Reni hoặc Tantal với Volfram. Sự thay đổi lượng kim loại trong thành phần của hợp kim sẽ có
được hợp kim có độ bền cơ học theo yêu cầu đồng thời có độ dẻo cần thiết của linh kiện. Ví dụ
hợp kim của Molipđen với Volfram là hợp kim cứng có độ nóng chảy hơi kém hơn khi giữ
nguyên 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 độ
tinh 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 kéo
đứt 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 của
ống dẫn sóng. Ưu điểm của tiếp điểm bằng vàng là tính bền vững khỏi bị oxy hoá tiếp điểm ở
nhiệt độ cao.
 Bạc.
Có màu trắng, kim loại bóng, rất bền vững với oxy ở nhiệt độ thường và là kim loại có
điện 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, bạc
được sử dụng làm điện cực.
Nhược điểm của bạc là tính nhạy cảm với sự chuyển dịch bên trong điện môi mà nó đặt
lên 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

Platin sử dụng để làm cặp nhiệt ngẫu, có thể hoạt động được ở nhiệt độ 1600 oC. Những
sợi chỉ mảnh làm bằng platin có đường kính khoảng 0,001mm được dùng làm sợi dây treo trong
dụng 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 thành
rẻ 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 kéo
đứt 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 liệu
sắt 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 liệu
suất từ là có quan hệ điện trở suất với nhiệt độ không tuyến tính. Tính đặc biệt này là do tính
nhiễm từ tự phát khi tới gần nhiệt độ Quiri. Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Quiri tính chất đó biến
mất. Ở nhiệt độ thấp tất cả các mô men từ của nguyên tử trong kim loại nhiễm từ định hướng
song song. Nhờ có sự sắp xếp trật tự, chu kỳ phân bố vị trí của chúng không gây ra phân tán điện
tử chuyển động dưới tác động của điện trường. Khi nhiệt độ tăng lên tính trật tự biến mất và gây
ra sự phân tán điện tử. Theo nguyên tấc Matisen cơ cấu phân tán
được 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. Aính
hưởng 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 được
sử 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 sử
dụng rộng rãi trong kỹ thuật chân không và được làm Katốt. Nikel dễ dàng nhận được ở dạng
sạch 99,99%. Tạp chất nguy hiểm nhất là lưu huỳnh, nó làm giảm độ bền cơ học của nikel rất
mạnh. Tính chất quí báu của nikel là tính bền vững hoá học rất cao, đặc biệt là đối với dung dịch
kiềm, dù ở nhiệt độ cao cũng không tác động với nikel. Nikel được sử dụng trong thành phần
hợp chất của dây dẫn từ. Một tính chất quí báu khác của Ni là có độ bền cơ học cao sau khi được
ủ nó có độ kéo dán ∆l/l = 35 - 50%. Ở nhiệt độ lạnh vẫn có thể dập, kéo, cán.... Từ Ni có thể chế
tạo các linh kiện có kích thước và hình dáng cực kỳ phức tạp. Ngoài ra Ni được sử dụng trong kỹ
thuật 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 dụng
rộng 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-1
dùng 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 chịu
nhiệt 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 thành
hai 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 vững
kéo đất 16-100 Mpa. Loại cứng 100-500 Mpa.
99

Vật liệu hàn mềm là hợp kim của thiếc và chì, thiếc chiếm 90% còn chì 10%. Tính dẫn
điện 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 và
các phụ gia khác.
Vật liệu trợ giúp để có mối hàn chắc chắn được gọi là chất giúp chảy. Nó phải có tính
chất:
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 tan
các 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 gia
này 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 có
thành 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 dẫn
còn sử dụng các vật liệu không kim loại. Theo nguyên tắc các vật liệu này có giá trị sử dụng
trong 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 trong
số dạng cacbon sạch: Nó có điện trở suất nhỏ, có độ chịu nhiệt cao, tính dẫn nhiệt, bền vững với
nhiều 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 cao
nó 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 trường
khí trơ. Vật chất dùng để nhiệt phân thường được dùng là khí Me tan. Để có cấu trúc chặt cần
phải có nhiệt độ phân tích không dưới 900 oC. Màng cacbon nhiệt phân sử dụng để làm điện trở
tuyến tính dạng mặt phẳng.
Công nghiệp sản xuất linh kiện từ cacbon phần lớn là dùng nguyên liệu cacbon được
nghiền nhỏ, sau đó được thiêu kết với vật chất kết dính khác và được ép thành các linh kiện có
độ 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 thay
đổi thành phần cấu tạo và đặc tính của hỗn hợp có thể thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đặc
tính của vật liệu này là tính dẫn điện phụ thuộc vào tần số và có tính già cỗi theo thời gian khi
mang tải. Thành phần của pha dẫn là các kim loại, Graphit, một vài loại Carbit. Chất kết dính là
những điện môi hữu cơ hoặc vô cơ. Những vật liệu dẫn tổng hợp điển hình là Kontaktol và bột
chịu 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

Nikel, Panadi). Trước khi rải lên bề mặt kết dính cần phải rửa sạch bề mặt bằng Axetol hoặc
rượu.
Kontaktol sử dụng để làm contact giữa các kim loại hay giữa kim loại với bán dẫn, tạo
điện 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 ưu
việt 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 sau
đó được gia nhiệt để ổn định tính chất. Khi gia nhiệt do có sự tác động tương hỗ giữa các thành
phần, xảy ra sự giải phóng oxit của lớp giữa các hạt và hình thành Cr3Si. Kết quả là điện trở cách
điện 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 và
Bạc. Trước tiên nghiền thuỷ tinh thành những hạt có kích thước từ 3-5 µm , sau đó trộn đều với
bột Bạc và Panadi cùng với chất kết dính hữu cơ. Hợp chất thu được có thể quét lên bể mặt gốm
ở điều kiện áp suất khí quyển bình thường. Điện trở suất của lớp màng phụ thuộc vào phần trăm
vật dẫn.

101

Chuong 8 vat lieu dan dien

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Andere mochten auch

Andere mochten auch (15)

Ähnlich wie Chuong 8 vat lieu dan dien

Ähnlich wie Chuong 8 vat lieu dan dien (20)

Mehr von Đinh Công Thiện Taydo University

Mehr von Đinh Công Thiện Taydo University (20)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (20)

Chuong 8 vat lieu dan dien