电阻材料

第三章电阻材料广义上讲，凡是利用物质固有电阻特性来制造不同功能电阻元件的材料均称电阻材料。如制作发热体的电热材料、绕制标准电阻器的精密电阻材料以及制作力敏、热敏传感器用的应变电阻材料和热敏电阻材料等。电阻材料是制作电子仪器、测量仪表及其他工业装置中电阻元件的一种基础材料，本章主要介绍电阻器用线绕电阻材料和非线绕电阻材料。前言电阻材料发展概况线绕电阻材料非线绕电阻材料电阻材料发展动向3.1电阻材料发展概况电阻材料发展至今大约已有100年的历史了。被称为“德银”(Cu-Ni-Zn)的合金是最古老的电阻材料。但由于其电学性能较差，逐渐被淘汰。1888－1892年，对锰钢、Pt－Ir(铱)、Pt－Ag和康铜等电阻合金在生产、性能和应用方面都有大量报导。德国迪沦堡的Isabellen冶金公司及时地利用这些成果生产了精密电阻合金。1910年，美国的Thomas提出了Therlo合金，1919年制出满意的镍锰铜合金。日本在1921－1922年报导了锰钢合金的研究情况。1930－1940年，若干新的精密电阻合金已趋于完善，并有Au－Co(钴)、Au－Cr、Ag－Mn和Ag-Mn-Sn等合金相继问世。3.1电阻材料发展概况由于仪器仪表向小型化、精密化方向发展，1940年，各国对Ni－Cr型精密高电阻合金开始进行研究。1948年，美国W.B.Driver公司将Al、Fe和Cu等合金元素加入到镍铬电热合金中，大大地改善了合金在20－300℃范围内的电学性能，从而得到了精密高电阻合金。随后，美国C.C.Jelliff将Mo、Mn加入镍铬合金中，制出“Jelliff800”合金。这些在镍铬合金基础上的改良合金不仅电阻率高（为锰铜合金的3倍），且电阻温度系数大大降低。目前，已发展成为品种繁多的镍铬系改良型精密高阻合金。其他高电阻合金如Fe－Cr－Al合金、Mn基合金和Ti基合金等也随之得到了发展。3.1电阻材料发展概况同时，更精密的锰铜型电阻合金也获得了迅速发展。1948年，Schulze发现在锰铜系合金中添加少量的Ge(锗)可使合金性能大大改善，此后发展了硅锰钢和锗锰铜精密电阻合金系列。如60年代末和70年代初，联邦德国Isabellen公司生产的宽温域低电阻温度系数锗锰钢合金、苏联计量研究所研究的0~170℃宽温域含Ga(镓)的“马尔加林”合金。20世纪50年代以来，由于电子计算机和航天技术的出现和发展，贵金属精密电阻合金也相应得到了发展，主要有两个方向：一是向高电阻率、低电阻温度系数方向发展，如Pd基和Au-Pd基高电阻合金；一是有机气氛对Pt(铂)族金属电阻合金的有害影响，促使人们去寻找综合性能更加优越而资源更丰富的新合金，如Au基精密电阻合金。目前，贵金属合金系列主要有：Ag基、Au基、Pt基和Pd基等，并向多元合金发展。1946年，S.S.Manson等人采用镍铬丝制成高温应变计，成功地进行了燃气轮机叶片地振动应力测量。1965年，英国地R.Bertodo为进行650℃以上的静态应力测量，系统地研究了Cu、Ag、Au、Fe、Ni、Pt、Pd等46重金属和合金系，并对Pt-W系高温应变电阻合金进行了详细研究。此后，美国、日本、苏联在Pt-W贵金属方面也进行了大量研究。苏联开发出Ni-Mo系和Fe-Cr-Al系高温电阻合金系列。美国也开发出Fe-Cr-Al系Armour合金系列。我国从50年代开始，采用康铜和镍铬合金生产常温电阻应变计；60年代开始研究高温应变电阻合金。目前，已基本形成了适合不同使用温度的高温应变电阻合金系列。3.1电阻材料发展概况3.2线绕电阻材料电阻合金线通常是用元素周期表中第ⅠB、ⅥB和ⅦB族各金属元素（如Cu、Ag、Au、Cr、Mn）的合金经拉伸而制成，它们具有电阻温度系数小、使用温度范围较宽、耐热性高、噪声小、稳定性好、耐磨和电阻率高等诸多优点，是制造固定线绕电阻器（简称线绕电阻器）和线绕电位器的绕组材料。由于这些电阻元件主要用在各种电子产品和仪器仪表的控制回路中，所以，它们的精度直接影响着电子产品和仪器仪表的最终性能指标。选择电阻合金线的依据线绕电阻材料的种类3.2.1选择电阻合金线的依据电阻合金线的用途不同，对它们的要求也不同。表3.l列出了线绕电阻器和电位器对电阻合金线的要求。表3.1线绕电阻器和电位器对电阻合金线的要求元件种类对电阻合金线的要求元件种类对电阻合金线的要求线绕电阻器电阻率适当电阻温度系数小使用温度范围宽阻值经久稳定，年变化率小机械性能好耐腐蚀、抗氧化、焊接性能好漆包线的漆膜性能好线绕电位器除具有固定电阻器所要求的性能外，还需以下要求：耐磨性好、摩擦系数小阻值均匀、米阻差值小表面光洁、线径均匀、椭圆度小接触电阻小而稳定，噪声电平低化学稳定性好、不受氧化、硫化、盐雾等气氛的腐蚀3.2.1选择电阻合金线的依据另外，由于使用环境不同，对电阻合金线的要求亦有所差异。例如体积小、重量轻的通讯设备中的线绕电阻器，要求高电阻率、耐温；标准电阻器要求电阻温度系数小、阻值稳定性好；大功率电阻器则要求耐热、热稳定性好；直流电路中电阻器要求合金线对Cu的热电势小；线绕电位器电阻合金线除有上述要求外，还要求耐磨、线径均匀、椭圆度小及抗氧化性强等。总之，必须根据线绕电阻器和电位器的不同用途，选择相应的电阻合金线。3.2.2线绕电阻材料的种类线绕电阻材料的品种繁多，可归纳为贱金属合金和贵金属合金两大类。3.2.2线绕电阻材料的种类贱金属合金线主要包括锰铜合金线、康铜合金线、镍铬合金线和镍铬基多元合金线。表3.2列出了上述线材的品种、牌号、主要化学成分、性能指标及用途。表3.2常用贱金属合金线牌号、名称、主要化学成分、性能指标和用途3.2.2线绕电阻材料的种类－贱金属合金线锰铜合金线：锰铜合金线的温度系数小，稳定性好，对铜的热电势小，机械加工性能和焊接性能良好，具有中等电阻率和良好的电气性能，是优良的精密电阻材料，适用于制造各种标准电阻器、分流器、精密或普通的电阻元件。缺点是其使用温度范围窄，一般只用于室温范围中低阻值的精密线绕电阻器。3.2.2线绕电阻材料的种类－贱金属合金线康铜合金线：康铜又称“40－1.5锰白铜”，是一种比锰铜使用更早的电阻合金，其密度为8.88g／cm3”。新康铜又称“无镍锰白铜”，是以铝代替了锰铜中的镍制成的，其密度为8.00g/cm3。康铜合金线耐热性好，具有良好的抗氧化能力和良好的机械性能，阻值温度系数较低，使用温度范围较宽。缺点是对铜热电势高，不适于直流标准电阻和测量仪器中的分流器，而适于交流精密电阻器和电位器绕组等；新康铜线具有和康铜线相近的电阻率和机械性能，但电阻温度系数较大。由于新康铜不含镍，密度较康铜小，因此价格便宜。同时，在电性能上，新康铜也能满足使用要求，故在多方面可代替康铜线。总体来说，康铜线适用于大功率、中低阻值的线绕电阻器和电位器。镍铬合金线：镍铬合金的成分很多，但并非每种镍铬合金都适于作电阻材料，这里仅介绍适于作电阻元件的镍铬合金线。镍铬合金线具有较高的电阻率、良好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性和良好的电气性能，使用温度范围宽，而且具有较好的机械性能。其缺点是电阻温度系数较大、对铜电势高。阻值稳定性差。镍铬合金线主要用于制作中、高阻值的普通线绕电阻器和电位器。3.2.2线绕电阻材料的种类－贱金属合金线镍铬基多元精密电阻合金线：在精密电阻合金的领域里，长期以来，铜、锰、镍系电阻合金一直以其优良的电性能和良好的工艺性能而居于主流地位。但是，由于铜、锰、镍系电阻合金的电阻率较低、抗氧化性差、使用温度范围窄等缺点，已满足不了技术发展的需要。我国于是从六七十年代，开始试制并生产镍铬基多元精密电阻合金。镍铬基精密电阻合金是在Cr20Ni80合金的基础上加人少量的Al、Fe、Cu、Si、Mn等元素而形成的改良型精密电阻合金，其主要品种有镍铬铝铁、镍铬铝铜、镍铬铝锰硅及镍铬铝钒等。镍铬基多元精密电阻合金线的优点是：电阻率高、电阻温度系数小、对铜的热电势小、耐热、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、机械强度高、加工性能好和使用温度范围宽等。它们适用于精密线绕电阻器和电位器，以及特殊用途的大功率、高阻值、小型化的精密电阻元件；缺点：焊接性能比锰铜线差，因此，必须选择合适的焊剂和焊接温度。3.2.2线绕电阻材料的种类－贱金属合金线随着科技事业的迅速发展，精密线绕电阻器和电位器的应用范围越来越广。为了满足使用需要，除了大量使用贱金属电阻合金线外，还越来越多地使用贵金属合金线。目前，常用的贵金属电阻合金线包括铂基合金线、钯基合金线、金基合金线和银基合金线。用它们制成的电阻合金线具有良好的化学稳定性、热稳定性和电性能。因此，在精密线绕电位器绕组材料中，它们占有重要的地位。表3.3列出了典型贵金属电阻合金线地品种、名称和主要性能指标。3.2.2线绕电阻材料的种类－贵金属合金线表3.3贵金属电阻合金线的性能指标3.2.2线绕电阻材料的种类－贵金属合金线铂基合金线：铂基电阻合金线具有适中的电阻率、极优的耐腐蚀和抗氧化性，即使长时间暴露在高温、高湿条件下或强腐蚀性介质中，表面仍能保持初始状态。而且，它的接触电阻小而稳定，噪声低，耐磨性好，寿命较长，加工性和焊接性良好。因此，长期以来是最可靠的电位器绕组材料。其缺点是在含有机物的气氛中工作时，会生成一种称为“褐粉”的有机聚合物薄膜，此膜具有绝缘性，会导致接触电阻成倍增大，影响接触电阻的稳定性，从而使噪声电平增高。因此在一定程度上限制了它的应用。另外，它价格昂贵，成本高。常用的铂基电阻合金线有铂铱线、铂铜线等。3.2.2线绕电阻材料的种类－贵金属合金线钯基电阻合金线：钯基电阻合金线的特点是电阻率高，电阻温度系数较低，接触电阻低而稳定，焊接性能好，价格比铂基合金线便宜。其缺点是耐腐蚀性和抗氧化性不如铂基合金线，在有机蒸气中也容易产生“褐粉”。常用的钯基电阻合金线有钯银线和钯银铜线。3.2.2线绕电阻材料的种类－贵金属合金线金基电阻合金线：金的抗氧化性和耐腐蚀性仅次于铂，且对有机蒸气有惰性。它的产量高，价格比铂便宜，因此，以金为基的合金很受重视。但是，以金为基的二元合金的电阻率低、电阻温度系数较高、硬度较低（不耐磨），如果在此基础上添加其他元素，能够改善上述各项性能，如金钯铁合金。金耙铁合金是以金和耙为基加入铁，使金钯系合金能用热处理方法显著提高电阻率并降低电阻温度系数。在合金中加人少量的铝、铊、铟等元素，能够克服金钯铁系合金受热时电阻率不稳定的缺点，衍生出金钯铁铝系、金钯铁铊系和金钯铁铟系等合金系列。这类合金电阻率很高，而且可以在退火状态下长期使用。如金钯铁铝电阻合金线的电阻率高达2.3×10-6Ω·m，而电阻温度系数接近于零。常用金基电阻合金线有金银铜线、金镍铬线、金镍铜线和金钯铁铝线等。金基电阻合金线已成为铂基电阻合金的代用材料。3.2.2线绕电阻材料的种类－贵金属合金线银基电阻合金线：在贵金属电阻合金线中，银基合金线价格最便宜，且有良好的电接触性能。缺点是容易被硫蒸气或硫化氢气体腐蚀，生成AgS膜，造成接触不良；并且强度不高，硬度较低，耐磨性差，寿命短，因而使用很受限制。目前只有为数很少的以银锰为基的几种电阻合金有使用价值，常用的银基电阻合金线主要是银锰线和银锰锡线。银锰合金电阻温度系数较小，对铜的热电势小，具有抗硫化和抗腐蚀的能力，是标准电阻器的良好材料。3.3非线绕电阻材料用真空蒸发、溅射、化学沉积、热分解、烧渗、网印、喷涂、烧结（包括常压烧结和热压烧结）等方法制得电阻体，再加上引出线、保护层以及适当的处理而制得的电阻器称为非线绕电阻器，非线绕电阻器电阻体所用的材料即所谓的非线绕电阻材料。对非线绕电阻材料一般有如下要求：电阻率范围宽，能制高、中、低阻值电阻器，温度系数小，电压系数低，噪声电平小，高频性能好，使用温度范围宽，工艺性能好，使用的稳定性和可靠性高。另外，对恶劣环境中使用的电阻器，还有一些特殊要求。非线绕电阻材料种类及特性典型非线绕电阻材料组成及性能3.3.1非线绕电阻材料种类及特性非线绕电阻器的种类很多