На основании установленных ГОСТ 22265-76 Материалы проводниковые. Термины и определения (с Изменениями № 1, 2) видов проводниковых материалов предлагается использовать классификацию проводниковых материалов по следующим классификационным признакам.
Классификационные признаки
Главный критерий, по которому материалы относят к проводникам — это низкое удельное электрическое сопротивление (ρ). Обычно к проводникам относят материалы с \(ρ < 10^{-5} \, \text{Ом·м}\).
1. По типу электропроводности (природе носителей заряда) и механизму проводимости
Проводники I рода (с электронной электропроводностью)
Механизм: Носители заряда — электроны. Зонная теория объясняет, что у этих материалов есть частично заполненная зона проводимости, поэтому электроны легко перемещаются под действием электрического поля.
Особенности: Не сопровождаются переносом вещества. Характеризуются низким значением удельного сопротивления и его ростом с температурой (положительный ТКС). Это связано с увеличением колебаний ионов кристаллической решетки, которые мешают движению электронов.
Примеры: Все металлы (Cu, Al, Ag), сплавы (нихром, константан), графит, вырожденные полупроводники (сильно легированный кремний \(n^+\)-Si, \(p^+\)-Si, диоксид олова \(SnO_2\)).
Проводники II рода (с ионной электропроводностью)
Механизм: Носители заряда — ионы (положительные катионы и отрицательные анионы).
Особенности: Сопровождаются переносом вещества (что приводит, например, к электролизу). Сопротивление уменьшается с ростом температуры (из-за увеличения подвижности ионов).
Примеры: Электролиты (водные растворы солей, кислот, щелочей), расплавы солей, ионные расплавы в аккумуляторах.
Сверхпроводники
Механизм: Носители заряда — куперовские пары электронов.
Особенности: При охлаждении ниже определенной критической температуры (\(T_c\)) переходят в состояние с нулевым электрическим сопротивлением.
Примеры: Ниобий-титан (NbTi), ниобий-олово (\(Nb_3Sn\)), высокотемпературные сверхпроводники на основе оксидов меди (YBCO). Используются в мощных электромагнитах (МРТ, ускорители частиц).
2. По химическому составу
Простые проводники (состоящие из одного химического элемента)
Примеры: Медь (Cu), Алюминий (Al), Серебро (Ag), Золото (Au), Вольфрам (W), Графит (углерод, C).
Сложные проводники (сплавы или химические соединения)
Примеры:
- Сплавы: Нихром (Ni-Cr), Константан (Cu-Ni-Mn), Манганин (Cu-Ni-Mn), Никелин (Cu-Ni-Zn), Фехраль, Бронза (Cu-Sn), Латунь (Cu-Zn), Припои (сплавы олова и свинца).
- Химические соединения: Проводящие оксиды (ITO - оксид индия-олова), карбиды, нитриды.
- Проводящие полимеры: Специально синтезированные органические материалы с сопряженными связями (полианилин, полипиррол). Используются в гибкой электронике, антистатических покрытиях.
3. По значению удельного электрического сопротивления (ρ)
Проводниковые материалы высокой проводимости
Критерий: \(ρ ≤ 0,1 \, \text{мкОм·м}\) (при 20 °C). Общий критерий для проводников: \(ρ < 10^{-5} \, \text{Ом·м}\).
Назначение: Передача электрической энергии с минимальными потерями.
Примеры: Медь (\(ρ ≈ 0,0175 \, \text{мкОм·м}\)), Алюминий (\(ρ ≈ 0,028\)), Серебро (\(ρ ≈ 0,016\)).
Проводниковые материалы высокого сопротивления
Критерий: \(ρ ≥ 0,3 \, \text{мкОм·м}\) (при 20 °C).
Назначение: Преобразование электрической энергии в тепловую (нагреватели), ограничение тока, создание падений напряжения в резистивных элементах.
Примеры: Нихром (\(ρ ≈ 1,0 - 1,1 \, \text{мкОм·м}\)), Константан (\(ρ ≈ 0,5 \, \text{мкОм·м}\)), Углерод (графит, \(ρ \sim 10-50 \, \text{мкОм·м}\)).
4. По специальным свойствам и функциональному назначению
Металлический проводниковый материал
Описание: Любой проводник на основе металла или сплава. Является наиболее широкой категорией.
Жаростойкий (термостойкий) проводниковый материал
Критерий: Допускает длительную эксплуатацию при температурах \(≥ 1000 \, \text{K}\) (\(≈ 727 \, \text{°C}\)) в окислительной среде.
Примеры: Вольфрам (W), Молибден (Mo), нихромы (X20H80, X15H60), платина (Pt).
Контактный проводниковый материал
Назначение: Изготовление контактов коммутационных аппаратов (реле, выключатели, разъемы).
Требования: Высокая электропроводность, стойкость к эрозии и свариваемости, износостойкость.
Примеры: Серебро (Ag), вольфрам-медь (W-Cu), золото (Au) для слаботочных контактов, родий, палладий (для слабых токов, не окисляются).
Электродный проводниковый материал
Назначение: Изготовление электродов (для сварки, электролизеров, дуговых печей, гальванических процессов).
Примеры: Графит, медь, вольфрам, платина.
Резистивный проводниковый материал
Назначение: Изготовление резистивных элементов (резисторы, шунты, датчики).
Требования: Высокое и стабильное удельное сопротивление, низкий ТКС.
Примеры: Константан, манганин, нихром, керметы (композиты керамика-металл), пленки из хрома и тантала.
Электротехнический угольный материал
Описание: Проводниковый материал на основе графита или аморфного углерода.
Свойства: Хрупкость, положительный ТКС, способность к самосмазке.
Примеры: Графитовые щетки для электродвигателей, угольные электроды, контакты для потенциометров.
Композиционный проводниковый материал
Описание: Механическая смесь разнородных компонентов, не растворяющихся друг в друге.
Примеры: Металлокерамические композиты (керметы), материалы на основе полимеров с проводящими наполнителями (сажа, серебро).
Многослойный проводниковый материал
Описание: Состоит из нескольких слоев различных проводниковых материалов.
Цель: Совмещение свойств разных материалов (например, высокая проводимость + прочность + коррозионная стойкость).
Примеры: Биметаллические ленты, многослойные печатные платы.
Биметаллический проводниковый материал
Описание: Частный случай многослойного материала, состоящий из двух слоев металлов, соединенных на атомарном уровне (молекулярно-атомное сцепление).
Примеры: Сталь-медь (для токопроводящих элементов с высокой механической прочностью), алюминий-медь (для переходных контактов), биметаллические провода ("сталемедь").
Материалы для термопар
Назначение: Измерение температуры.
Требования: Стабильная и воспроизводимая зависимость ЭДС от температуры.
Примеры: Пары сплавов: хромель-алюмель (ТХА), платина-платинородий (ТПП).
Рисунок - Классификация проводниковых материалов
Сводная таблица
| Критерий классификации | Категория | Ключевые характеристики | Примеры |
|---|---|---|---|
| Тип проводимости | I рода (Электронные) | \(ρ ↑\) с \(T ↑\), нет переноса вещества | Медь, Нихром, Вырожденные полупроводники (\(n^+\)-Si) |
| II рода (Ионные) | \(ρ ↓\) с \(T ↑\), есть перенос вещества | Раствор \(H_2SO_4\), расплавы солей | |
| Сверхпроводники | \(ρ = 0\) при \(T < T_c\) | NbTi, YBCO | |
| Химический состав | Простые | Один элемент | Ag, Cu, C (графит) |
| Сложные | Сплавы и соединения | Нихром, Константан, ITO, Проводящие полимеры | |
| Удельное сопротивление | Высокой проводимости | \(ρ ≤ 0,1 \, \text{мкОм·м}\) | Медь, Алюминий |
| Высокого сопротивления | \(ρ ≥ 0,3 \, \text{мкОм·м}\) | Нихром, Константан | |
| Специальные свойства | Жаростойкий | \(T ≥ 1000 \, \text{K}\) | Вольфрам, Нихром X20H80 |
| Контактный | Износостойкость, низкое переходное сопр. | Ag, W-Cu, Au, Родий | |
| Резистивный | Высокое и стабильное \(ρ\) | Манганин, Константан, Керметы | |
| Угольный | На основе графита/углерода | Графитовые щетки, электроды | |
| Биметаллический | Два слоя с атомарным сцеплением | Сталь-медь, Алюминий-медь | |
| Для термопар | Стабильная зависимость ЭДС от \(T\) | Хромель-алюмель (ТХА), Платина-платинородий (ТПП) |
Эта классификация позволяет охарактеризовать любой проводниковый материал по нескольким ключевым параметрам, что крайне важно для его корректного выбора в конкретном инженерно-техническом применении. Выбор проводникового материала — это всегда компромисс между электропроводностью, механическими свойствами, стоимостью и устойчивостью к внешним воздействиям.
