Файл: Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике.pdf

Практика показывает, что из-за наличия дефектов однослойные покрытия оказываются недостаточно эффек­ тивными. При нанесении вторых и последующих слоев той же природы дефекты перекрываются, но появляются другие нежелательные последствия. С увеличением тол­ щины покрытие (особенно эмаль) становится менее устойчивым к механическим и тепловым ударам. Поэто­ му в отдельных случаях применяют пакетные покрытия, слагающиеся из двух и более тонких слоев разной при­ роды. В таких покрытиях сочетаются наилучшие качест­ ва каждого из слоев и появляется возможность подбо­ ром слоев уменьшить напряжение в покрытии. Разно­ родность слоев препятствует развитию сквозных трещин, гарантирует непроницаемость, усиливает эффективность защиты. Создание жаростойких покрытий, имеющих и изоляционные свойства, может быть осуществлено, на­ пример, последовательным закреплением следующих слоев: 1) металлического слоя, по глубине которого в ре­ зультате диффузии создается градиент концентрации од­ ного металла в другом; в этом случае металлическая связь обеспечивает прочное сцепление покрытия с защи­ щаемой поверхностью, а градиент концентраций •— сни­ жение напряжений; 2) керметного (металлокерамиче­ ского) слоя, сочетающего в себе свойства как ионных, так и металлических связей и прежде всего жаростой­ кость окислов и пластичность металлов; 3) эмалевого слоя (стекловидного или кристаллического), наилучшим образом защищающего от окисления кислородом возду­ ха, а при соответствующем подборе состава — и от воз­ действия различных других сред.

В итоге можно получить газонепроницаемые покры­ тия, устойчивые к механическим нагрузкам и тепловым ударам. В зависимости от назначения проводников к по­ крытиям может предъявляться и ряд специальных тре­ бований: высокая электрическая проводимость, опреде­ ленные изоляционные свойства, гибкость, способность к пайке, стойкость к термическим напряжениям, к изме­ нению физических или химических свойств поверхности проводника и т. и. Здесь не рассматриваем комплекс тре­ бований к поверхности проводника, предъявляемых к не­ му радиоэлектронной промышленностью [Л. 25].

Развитие новых технологических способов обработки поверхности и нанесения покрытий, например способов с парофазной вакуумной технологией, позволит при усо-

вершенспвовании этого метода создавать покрытия с та­ кими физико-химическими свойствами, которые обеспе­ чат универсальность и высокую надежность в эксплуа­ тации.

15. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕДНЫХ ПРОВОДНИКОВ

Для защиты медных проводников малого сече­ ния от воздействия среды при повышенной температуре применяют серебряные, никелевые или оловянные по­ крытия. Рабочими средами, в которых эксплуатируются проводники, могут быть воздух, нагретый до 100—300 °С; тропическая влага; морской туман и т. п.

Если нагрев проводника вызывает окисление покры­ тия, то тропическая влага и морской туман приводят к различным видам коррозии. Коррозионные разруше­ ния обусловливают снижение механических характери­ стик, уменьшение гибкости, ухудшение качества пайки, уменьшение электрической проводимости. Аналогичные изменения вызывают и тепловые воздействия, несмотря на отличный от коррозии механизм окисления проводни­ ков. Чем меньше поперечное сечение проводника, тем существеннее сказывается на нем действие среды.

В табл. 42 представлено относительное изменение электрического сопротивления медной проволоки с раз­ личными покрытиями и размерами после 2000 ч выдерж­ ки при разных температурах. Анализ этих данных пока­ зывает, что проволока из никелированной меди имеет наилучшие показатели при любой температуре. Для по­ серебренной медной проволоки изменение электрического сопротивления значительно при малых диаметрах и тем­ пературах 175 и 200°С. Луженая проволока при 125°С имела светло-желтый цвет, при 150 °С — светло-серый и при 175 и 200 °С — темно-серый до черного.

Однако табличные данные не позволяют оценить ди­ намику развития процесса старения во времени. Графи­ ческие и аналитические зависимости дают возможность обобщить полученные данные и на их основании сделать некоторый прогноз дальнейшего изменения свойств. Проч­ ностные свойства проволоки оказалось возможным пред­ сказать с помощью методов экстремального прогнозиро­ вания. На рис. 40 приводится пример прогнозирования предельного значения прочности медной, посеребренной

140

Т а б л и ц а 42

Влияние теплового старения на прирост сопротивления

и никелированной проволоки диаметром 0,15 мм. Для прогнозирования при высоких температурах необходимо иметь набор распределений, полученных при различных временах выдержки.

Через экстремальные распределения, расположенные по шкале, соответствующей экстремальной функции, про­ водится прямая, которая далее продолжается в область низких температур. Естественно, что чем шире область исследования при высоких температурах, тем точнее про­ гноз при малых температурах. Этот метод допустим, если нет каких-либо побочных процессов, резко нару­ шающих процесс старения, и если установлено, что ста­ тистический набор данных в координатах экстремальной бумаги дает прямолинейную зависимость.

На рис. 41 показана зависимость от времени сопро­ тивления медной проволоки с различными покрытиями при 175 °С. Результаты измерений имеют разброс, поэто-

141

му методами корреляционного анализа определялись ли­ нейные зависимости электрического сопротивления про­ волоки от времени выдержки. Уравнения этих корреля­ ционных прямых имеют вид:

где R — сопротивление проводника после выдержки при температуре испытаний; R0— исходное значение сопро­ тивления; t — время выдержки, ч\ k — коэффициент, ха­ рактеризующий скорость изменения сопротивления.

Другая зависимость записывается следующим обра­ зом [Л. 35, 39]:

Рис. 40. Прогнозируемая зависимость предельного значения прочности от температуры.

/ — медная проволока; 2 — медная посеребренная; 3 — мед­ ная никелированная.

142

Значения k и k± для проволоки с разными покрытия­ ми и размерами приведены в табл. 43. Эти данные по­ зволяют рассчитать изменение сопротивления за любой отрезок времени. Уменьшение гибкости и способности к пайке, происходящее в результате теплового старения, показано в табл. 44 и 45.

Рис. 42. Изменение соотношения фаз в оловянном покрытии во времени.

1 — чистое олово; 2 — фаза ч; 3 — фаза в.

143

k0,08 мм, скрученной в жилу из 7 проволок

144

Т а б л и ц а 45

Влияние теплового старения на качество пайки (%) медной проволоки

В покрытии и в основном металле под действием по­ вышенной температуры развиваются процессы, харак­ терные для каждого из сочетаемых компонентов. Эти процессы можно наиболее полно показать на примере оловянного слоя на медной проволоке.

На рис. 42 показана зависимость концентрации олова

•и интерметаллических соединений меди и олова (фаз rj и е) от времени выдержки.

Аналитические измерения показали, что за время опы­ та (500 ч) произошли рост интерметаллидов и уменьше­ ние толщины слоя чистого олова на 0,5 мкм, а также уменьшение сечения меди на 7,55%- Интересно отметить, что более длительные испытания луженых проводов, про­ должавшиеся 1200 ч при 150 °С, показали, что свободно­ го олова в покрытии уже нет и что провода плохо па­ яются. Образцы медной луженой проволоки, несодержащие на поверхности свободного олова, являются хруп­ кими и имеют темный цвет.

Склонность к трещинам возникает вследствие хруп­ кости сплошного интерметаллического слоя. Рентгенов­ ский дифракционный анализ показал, что отсутствие свободного олова привело к уменьшению скорости роста интерметаллидов и что происходит изменение соотноше­ ния между слоями р е и чистой медью. Каждая из этих фаз реагирует одна с другой и с чистой медью; состав фазы tj: CueSng, фазы е: СизБп. Естественно, что в ре-

145