第三章 電性材料

第三章、電性材料電性材料是利用物質(zhì)的導電或電阻特性制造的具有不同功能的金屬材料。按其功能特性可分為:電阻合金（精密電阻合金、應變電阻合金、熱敏電阻合金）電熱材料（電熱合金、熱電偶合金）導電合金（電觸頭材料、導電合金）等。電性材料第一節(jié)

材料的電學性能物質(zhì)按導電能力分為導體、半導體和絕緣體：導體：電導率106～108Ω-1·m-1半導體：電導率10-9～105Ω-1·m-1絕緣體：電導率10-20～10Ω-1·m-1僅用導電能力劃分并不科學，應該用導電過程及其特點來劃分。根據(jù)能帶理論，晶體中的電子由于晶體周期場的作用而分成能帶。金屬、半導體、絕緣體的能帶結構不同，因此其導電過程及特點不同（圖1）。1、材料的電學特性1.1.絕緣體和半導體的電學特性1.1.絕緣體和半導體的電學特性絕緣體的滿帶和空帶之間存在較寬的禁帶，因此很難導電。而半導體的滿帶和空帶之間的禁帶寬度較窄，滿帶中的電子由于熱激發(fā)，使電子有足夠能量脫離鍵合時，再加電場就有可能導電。

1.2.金屬的電學特性充滿電子的滿帶中電子是不能傳導電流的。而金屬在低電子能級中電子是填滿的，高能級未被填滿。未填滿的能級中的電子是自由電子，即使不加電場也作無規(guī)則的熱運動，其平均速度v由下式求出：

其中，Ef―費米能；

m*―電子的有效質(zhì)量。不加電場時，各方向平均速度的矢量和為零，不產(chǎn)生電流。加電場E時，自由電子則沿電場的反方向運動形成電流。

1.2.金屬的電學特性

1.2.1.金屬的電導率和電阻率由于金屬存在著大量自由電子，所以是良導體。金屬的電導率如下式：

式中，n――單位體積的自由電子數(shù)；

e――電子電荷；――電子的平均自由程；――電子的有效質(zhì)量；――自由電子的平均速度。而電阻率

則是電導率

的倒數(shù)，常用來表征金屬導電能力的參量（很少用

）。

（

·m）R----材料電阻；S----橫截面積(m2)；L----長度(m)。電阻率由材料本身的特性決定，與形狀大小無關。因此影響材料特性的因素都會影響電阻率的大小。材料中晶格離子振動、合金元素原子、雜質(zhì)原子、空位、位錯、晶界等缺陷，組織結構變化都導致電阻率提高。

1.2.2.影響材料電阻率的主要因素影響材料電阻率的主要因素:合金元素、雜質(zhì)、組織結構、溫度。1.2.2.1.合金元素：合金的電阻率一般比組成它的金屬的電阻率高。這是因為當加入合金元素時，導致晶格畸變，增加了電子運動的阻力。合金元素的濃度、合金元素與基體金屬原子價差別、原子半徑差都影響電阻的程度。1.2.2.2.雜質(zhì)：雜質(zhì)的影響與合金元素道理相同。影響程度取決于雜質(zhì)種類、含量及分布狀態(tài)。1.2.2.影響材料電阻率的主要因素1.2.2.3.組織結構：固溶體、形變和熱處理、有序－無序轉(zhuǎn)變及K狀態(tài)的形成或消失。

1)合金固溶體電阻率①

形成固溶體電阻率呈拋物線增加；兩相混合物時，電阻呈線性

合金固溶體的電阻，由于溶劑的點陣畸變，增加了電子散射而使電阻升高。然而,點陣畸變并不是固溶體電阻增長的唯一原因。固溶體的電學性質(zhì)還決定于組元的化學相互作用。在連續(xù)固溶體中，合金按其成分距純組元越遠，電阻越大。當合金元素為50at%時，合金具有最大電阻值，有時要比純金屬電阻高數(shù)倍。特別值得注意的是電阻溫度系數(shù)的最小值總是相應于電阻的最大值。這是由于此類合金的電阻由兩部分組成：第一部分是溶劑的電阻，它隨著溫度升高而增加；第二部分是由決定于溶劑晶格變形的外來原子(溶質(zhì))的電阻。它與溫度無關，其合金電阻率

可由下式表示。

=

0+aP式中

0--溶劑的電阻率；P--溶質(zhì)的原子濃度；a--與溫度無關的常數(shù)。當溫度不變時，合金的電阻溫度系數(shù)

僅為可見，

與合金的電阻率有關(溶質(zhì)的濃度越高，合金的電阻率也越高)，并隨合金組元含量增高

降低。用固溶體合金作精密電阻合金，就是利用固溶體型合金的這一特點。1)合金固溶體電阻率2)

形變和熱處理的影響形變:塑性形變使晶體點陣產(chǎn)生應力、畸變，電阻率增加。加工程度越大電阻率越高。熱處理:當一定溫度下退火時，應力畸變消失，缺陷減少，電阻率下降。在回復階段即可降到冷加工前的狀態(tài)。當達再結晶溫度時由于新晶粒產(chǎn)生及晶粒間的點陣畸變，電阻率有會增高。

右圖中Au-Cu合金的電阻率依不同熱處理而不同。黑線是淬火后的電阻率變化曲線，這時是無序固溶體；加熱后緩慢冷卻的退火時出現(xiàn)Cu3Au、CuAu的有序點陣，電阻率有不同的變化----在Cu3Au、CuAu處出現(xiàn)電阻率的極小值。其原因是晶體的規(guī)則性增加，電子碰撞的幾率減小的緣故。

3)

有序－無序轉(zhuǎn)變及K狀態(tài)的形成或消失影響電阻率3)

有序－無序轉(zhuǎn)變及K狀態(tài)的形成或消失影響電阻率在NiCr、NiCu、MnCu等某些合金中都是單相固溶體結構，但有時出現(xiàn)反常：i）淬火+低溫回火后室溫電阻提高；ii）冷加工降低電阻率；iii）電阻－溫度曲線呈S形的電阻反常變化。反常的原因：這是形成了“K狀態(tài)”(不均勻固溶體狀態(tài))造成的?？傊M織結構的變化影響電阻率，說明電阻率是對組織結構敏感的物理量。

“K狀態(tài)”(不均勻固溶體狀態(tài))“K狀態(tài)”(不均勻固溶體狀態(tài))是合金經(jīng)不同溫度回火后形成的一種低溫穩(wěn)定狀態(tài)?！癒”狀態(tài)形成時，在固溶體點陣中發(fā)生原子的聚集。這些聚集本身的成分與固溶體不同。因此，在形成這些聚集時，固溶體的電阻增加。當回火溫度提高時，這些聚集將被溶解、消散，不均勻固溶體便漸漸地成為普通無序、統(tǒng)計性的均勻固溶體，合金的電阻也隨之下降。由于回火溫度不同，這個狀態(tài)形成的程度也不同。而且，回火時間足夠長時，有一個平衡值。回火溫度增高，則形成“K狀態(tài)”的速度增大，達到平衡的時間縮短1.2.2.影響材料電阻率的主要因素

1.2.2.4.溫度電阻隨溫度而變化。一般溫度升高電阻率增大，有兩種類型：

電阻隨溫度變化特性接近一條直線（線性關系）；

電阻隨溫度變化特性接近拋物線。

電阻隨溫度變化特性接近一條直線（線性關系）式中：Rt--t℃時電阻值；R0--t0℃時電阻值；t--實驗溫度；t0--參考溫度(一般為20℃)；

--t0到t區(qū)間電阻溫度系數(shù)（1/℃）。

電阻隨溫度變化特性接近拋物線

式中，

----一次電阻溫度系數(shù)(1/℃)；為R-T曲線上20℃時的斜率。

----二次電阻溫度系數(shù)（1/℃2）。 tm叫做峰值溫度。也就是在合金的使用溫度范圍內(nèi)，電阻值為最大時的溫度。計算峰值溫度tm的公式如下：2.幾個重要的典型參數(shù)及其測量方法2.1電阻率電阻率的測量按中華人民共和國國家標準GB6146-85《精密電阻合金電阻率測試方法》進行。標準規(guī)定，試樣長度應不小于300mm。線徑大于0.3mm的絲材，直徑變化不得大于1%；厚度大于0.5mm的帶材，厚度和寬度變化不得大于3%。試樣長度用游標卡尺測量，測量誤差為

0.1%；截面積用千分尺、微米千分尺、測微儀或用感量為0.1mg的天平測量，測量誤差為

0.5%。電阻用0.05級以上的直流電橋或電位差計測量。當試樣電阻值大于100

時采用兩端法單橋測量；若試樣電阻值等于或小于100

時，采用四端法雙橋測量。測量誤差為

0.2%。

2.2.電阻溫度系數(shù)

電阻溫度系數(shù)是表征金屬及合金的電阻率隨溫度變化的的特征參量。通常，金屬的電阻率隨溫度升高而增大。大多數(shù)金屬與合金（如康銅、鎳鉻改良型合金等）的電阻隨溫度變化近似直線關系，可用平均電阻溫度系數(shù)表示

式中，Rt——t℃時的電阻值（

）；

Rto——to℃時的電阻值（）

t——試驗溫試（℃）；to——參考溫度（℃），to=20℃；

to,t——to到t區(qū)間的平均電阻溫度系數(shù)（1/℃）

有些合金(如錳銅合金)的電阻與溫度的關系接近于拋物線。（一次電阻溫度系數(shù)；二次電阻溫度系數(shù)）2.2.電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)的測量按中華人民共和國國家標準GB6148-85《精密電阻合金電阻溫度系數(shù)測試方法》進行。標準規(guī)定，有絕緣層的線材依線徑大小繞成直徑為20~50mm的線圈；裸線可繞在直徑為20mm以上的有三層黃蠟綢的瓷管上。試驗裝置由恒溫槽、溫度計及電阻測量儀器組成。電阻測量裝置應能保證測量精度為1

10-5以上。裝置靈敏度不低于2

10-6。裝置可選用單、雙臂電橋，比較儀電橋或電位差計及相應的標準電阻或標準電池、光電放大檢流計、直流電源等組成。試樣與測量儀器之間的連接導線電阻應盡量小。單橋法，導線電阻應小于試樣電阻的0.02%；雙橋法，連接被測電阻與標準電阻之間的導線電阻應不大于0.01

。2.2.電阻溫度系數(shù)電阻隨溫度變化近似直線關系的合金，其平均電阻溫度系數(shù)

to,t按式計算。電阻隨溫度變化近似呈拋物線關系的合金，通過一定溫度下電阻值的測量，求

、

值。按電阻合金技術條件要求選擇測溫點，或選用包括20℃在內(nèi)的三個適當溫度點，測量Rt值分別代入式

中，解方程組求出

和

值。

2.2.電阻溫度系數(shù)式中，R1、R2、R3——t1、t2、t3溫度的電阻值（t1<t2<t3）。2.3.對銅熱電動勢率

在兩種不同金屬組成的回路中，因測量接點與基準接點之間的溫度差而產(chǎn)生熱電動勢。在儀器儀表中，精密電阻合金制成的元件與銅導線形成閉合回路而產(chǎn)生的熱電動勢會影響測量精度。因此，合金的對銅熱電動勢是重要的電學性能之一。在實際中，測量合金平均對銅熱電動勢率：即由合金與標準銅絲組成的回路中，假設熱電動勢與溫度成線性關系時，兩接點間溫差在100℃范圍內(nèi)時，溫差為1℃時所產(chǎn)生的熱電動勢。其關系式為：

式中，Q----熱電動勢率（

V/℃）；

Et——熱電動勢（

V）；t0——基準接點溫度（℃），一般t0=0℃；t——測量接點溫度（℃）。2.3.對銅熱電動勢率對銅熱電勢率的測量按中華人民共和國國家標準GB6147-85《精密電阻合金熱電動勢率測試方法》進行。標準規(guī)定，試樣為線材時，其直徑在4mm以下；試樣為帶（片）材時，將試樣剪切成窄條，其寬度應小于5mm，試樣長度一般取1.2m。測試裝置主要由測試儀器、恒溫槽、冰點槽和標準銅線等組成，示意圖如圖。測試儀器采用不低于0.05級低電勢直流電位差計。溫度測量可用二等水銀溫度計，最小分度值為0.1℃。

第二節(jié)電阻合金

1、

精密電阻合金1.1定義精密電阻合金是指電阻溫度系數(shù)和對銅熱電動勢小、電阻值經(jīng)年變化小的合金，是利用電阻恒定不變特性的電阻材料。精密電阻合金廣泛應用于精密儀器儀表、調(diào)節(jié)器、傳感器中的電阻元件，如電橋、電位器、繞線電阻器、分流電阻器、滑線電阻器、標準電阻器、電動機速度控制、電路溫度控制及電壓調(diào)節(jié)等。1、

精密電阻合金按合金類型可分為Cu—Mn系、Cu—Ni系、Ni—Cr系，F(xiàn)e—Cr—Al系、貴金屬等系列精密電阻合金。按電阻率大小可分為低電阻合金(

<0.2

·m)中電阻合金(

=0.2~1.0

·m)高電阻合金(

1.0

·m)。1.2.精密電阻合金的性能要求1)．電阻溫度系數(shù)小，且電阻--溫度曲線的線性好，即

要小。2)．電阻值穩(wěn)定，經(jīng)年變化小。3)．對銅熱電勢率要小。4)．電阻率高，且電阻的均勻性好。5)．良好的加工性能和機械性能。6)．耐蝕性、耐熱性、抗氧化性、耐磨性和包漆性能好。7)．焊接性能好。應該說，能完全滿足上述性能要求的材料很少，應按照不同用途選擇材料。但上述1、2、3三項則是精密電阻合金的最重要的基本特性。1.3.各類精密電阻合金

1.3.1.Cu—Mn系合金Cu—Mn系合金是使用最多的精密電阻合金。它的電阻溫度系數(shù)小、對銅熱電勢率小，而成為最主要的精密電阻合金。Mn含量低于20%的Cu—Mn二元合金組織為

固溶體。Mn的加入可提高電阻率，降低電阻溫度系數(shù)，但使對銅熱電勢率增加。適當調(diào)整Mn含量可使電阻溫度系數(shù)為零，甚至為負值。但Cu—Mn二元合金的電阻率較低，

值較大，使用溫度范圍較窄，耐蝕性和抗氧化性稍差。為此，在Cu—Mn合金中添加Ni、Al、Sn、Si、Ge、Ga等合金元素，以改善合金性能。1.3.1.1.錳銅合金

錳銅合金的成分與性能見表1和表2。相應于國外的合金牌號為Manganin（德）、Manganin（美）、Manganin（英）、マンガニン（日）、МАНГАНИН（蘇）。各國錳銅合金的主要成分大致相同，性能亦大同小異，只是有的國家的錳銅分類較細以滿足不同的需要。表1錳銅合金的成分（GB6145-85）合金名稱牌號化學成分％SCPFeSiMnNiCu通用型錳銅6J12<0.02<0.05<0.005<0.5<0.111~132~3余F1型分流錳銅6J8<0.02<0.05<0.005<0.51~28~10—余F2型分流錳銅6J13<0.02<0.05<0.005<0.5<0.111~132~5余1.3.1.1.錳銅合金表2錳銅合金的品種及性能（GB6145－85）合金分類電阻率

(

·m）電阻溫度系數(shù)對銅熱電動勢ECu(

V/℃)（0～100℃）工作溫度（℃）一次溫度系數(shù)

(10-6℃-1)二次溫度系數(shù)

(10-6℃-2)通用型錳銅6J120級0.44~0.50－2～＋2－0.7～＋0≤15～451級－3～＋52級－5～＋103級－10～＋20F1型分流錳銅6J80.30~0.40－5～＋10－0.25～0≤210～80F2型分流錳銅6J130.40~0.480～＋40－0.7～0≤210～801.3.1.1.錳銅合金右圖示出了錳銅合金的電阻—溫度曲線。曲線為拋物線形，電阻溫度系數(shù)在室溫附近很小。這說明在使用溫度范圍內(nèi)電阻值很穩(wěn)定；但溫度偏差較大時，由于曲線呈拋物線，電阻則發(fā)生較大的變化。錳銅成品要經(jīng)退火處理才能得到長期穩(wěn)定的電阻和小的電阻溫度系數(shù)。退火應在真空或保護氣氛中進行。退火溫度根據(jù)保護氣氛、形變程度和絲材直徑而定。1.3.1.2.

新康銅合金

新康銅合金（6J11）的主要成分為11.5~12.5%Mn、2.5~4.5%Al、1.0~1.6%Fe。相應于國外的合金牌號是Novokonstant。合金經(jīng)400℃退火5~20h后，形成均勻的

固溶體。其性能為：電阻率為0.49

·m，一次電阻溫度系數(shù)

為-1.6

10-6℃-1，二次電阻溫度系數(shù)

為-0.35

10-6℃-2，平均對銅熱電動勢，最高工作溫度達500℃。由于添加了Al，使溫度系數(shù)

、

降低，電阻率和耐蝕性增加，提高了最高工作溫度，但對銅熱電動勢的降低比鎳的作用小。此外，該合金的長期穩(wěn)定性良好，但不如錳銅。1.3.1.3.

鍺錳銅合金在錳銅中添加Ge，就成為鍺錳銅合金,并使電阻率、電阻溫度系數(shù)、對銅熱電動勢等電學性能大為改進。表3和表4列出了鍺錳銅合金的成分及性能。其中4YC6合金相應于國外的Zeranin合金。鍺錳銅合金按其電阻溫度系數(shù)大小分為三個等級。

1.3.1.3.

鍺錳銅合金

表3鍺錳銅合金的成分合金名稱牌號化學成分％GeMnCu其它鍺錳銅4YC65.5~6.55～7余<1低鍺錳銅4YC70.5~2.08～10余<21.3.1.3.

鍺錳銅合金表4鍺錳銅合金的性能合金牌號等級一次電阻溫度系數(shù)(10-6℃-1)二次溫度系數(shù)

20(10-6℃-2)對銅熱電動勢ECu(

V/℃)

工作溫度（℃）0~20℃20~70℃

20℃鍺錳銅（4YC6）IIIIII±3±6±10±3±6±10———≤0.04≤1.70～70低鍺錳銅（4YC7）IIIIII——————±3±6±10≤0.2≤1.00～401.3.1.3.

鍺錳銅合金右圖示出了鍺錳銅合金的電阻--溫度曲線?？煽闯?，在0～70℃溫度范圍內(nèi)電阻與溫度呈良好的線性關系；在-70～125℃溫度范圍內(nèi)特性曲線為S形，電阻的變化約為0.1％左右。這說明鍺錳銅有較寬的使用溫度范圍。鍺的加入還提高了電阻率、耐蝕性和塑性。但其缺點是電阻溫度系數(shù)

的大小與線徑有關；合金受機械應力，電阻會發(fā)生變化；成本也高于錳銅。

鍺錳銅與錳銅電阻—溫度曲線比較1.3.2．Cu—Ni系電阻合金Cu—Ni合金為連續(xù)固溶體組織。合金的電阻率、對銅熱電動勢、電阻溫度系數(shù)等性能隨著Ni含量的變化而改變。1.3.2．Cu—Ni系電阻合金Cu—Ni系電阻（國外相應牌號為Konstantan即康銅）合金的成分就處在

大而

小的成分范圍內(nèi)?？点~合金的成分與性能見下表?？点~的電阻--溫度曲線的線性比錳銅好，可在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，最高使用溫度可達400℃。耐蝕性、耐熱性和抗氧化性也比較好。但康銅的對銅熱電動勢較高，僅適用于交流，使用范圍受到限制。表5Cu—Ni合金系精密電阻合金的成分和性能合金名稱牌號化學成分％

(

m)

(10-6℃-2)(

V/℃)

(MPa)最高使用溫度（℃）NiCuMnZn康銅6J4039~4158~601~2—0.48±4045>390400尼凱林—30673—0.40110~20020—300德銀—54~6217~20—24~270.34330~36014.4—2001.3.2．Cu—Ni系電阻合金這類合金還有尼凱林、德銀等，其成分和性能見上表。為進一步改善康銅的性能，可加入Mn、Si、Be等元素以提高耐熱性、降低電阻溫度系數(shù)。通過增加Mn含量和調(diào)整Ni、Cu的配比，可得到低電阻溫度系數(shù)和耐蝕性好的Monel401合金，最高使用溫度可達500℃。

1.3.2．Cu—Ni系電阻合金在Ni-Cu合金中添加定量的Co可使合金的電阻溫度系數(shù)等于零。這種合金的主要成分為：Cu55%、Ni43%、Co2%，溫度在20-100℃時

=0。含Mn1.35%、0.35-0.4%Fe、40%Ni和余量為Cu的特殊康銅，具有穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)。其兩組電阻溫度系數(shù)分別為(-15

-5)

10-6℃-1、(-5

7)

10-6℃-1。由于這些合金的對Cu熱電勢很大，而不能作為標準電阻器和直流測量儀器的分流器使用，但在交流下使用的精密電阻器、滑線電阻器、起動、調(diào)節(jié)變阻器以及電阻應變計等方面都獲得了廣泛地應用。

1.3.3．Ni—Cr改良型電阻合金

Ni—Cr改良型電阻合金是在鎳鉻電熱合金的基礎上，添加適量Al、Mn、Fe或Cu而成的高電阻精密電阻合金。它的電阻率高（可達1.3

·m），電阻溫度系數(shù)特別是二次電阻溫度系數(shù)低，對銅熱電動勢低，抗氧化，耐腐蝕，冷加工性較好能加工成微細絲。缺點是焊接性能較差，需用銀焊，而且要防止假焊或因焊點受力引起斷線。1.3.3．Ni—Cr改良型電阻合金Ni—Cr改良型精密電阻合金的成分和性能見表6和表7。其中6J22合金相應于國外的Karma合金，6J23合金相應于國外的Evanohm合金，6J24合金相近于瑞典的NikrothalLx合金。

表6Ni—Cr改良型精密電阻合金的成分合金牌號化學成分％CrAlFeCuMnSiNiCPS6J2219.0~21.52.7~3.22.0~3.0—0.5~1.5≤0.20余≤0.04≤0.01≤0.016J2319.0~21.52.7~3.2—2.0~3.00.5~1.5≤0.20余≤0.04≤0.01≤0.016J2419.0~21.52.0~3.2≤0.5—1.0~3.00.9~1.5余≤0.04≤0.01≤0.01表7Ni—Cr改良型精密電阻合金的性能合金牌號電阻率

(

·m）一次溫度系數(shù)

(10-6℃-1)二次溫度系數(shù)

(10-6℃-2)對銅熱電動勢ECu(

V/℃)

工作溫度（℃）6J221.333.50.060.28－55～1256J232.70.050.256J242.5—0.201.3.3．Ni—Cr改良型電阻合金Ni—Cr改良型合金的電阻—溫度曲線在較寬的溫度范圍內(nèi)比較平直，說明使用溫度范圍較寬。

Ni—Cr改良型合金與錳銅、康銅的電阻—溫度曲線比較1.3.3．Ni—Cr改良型電阻合金按標準規(guī)定，Ni—Cr改良型精密電阻合金可根據(jù)平均電阻溫度系數(shù)的大小分為三個等級。表8Ni—Cr改良型電阻合金性能級別分類合金牌號級別平均電阻溫度系數(shù)(10-6℃-1)6J22、6J23、6J240－5～+51－10～+102－20～+201.3.3．Ni—Cr改良型電阻合金對該類要合金進行熱處理，其目的是消除加工硬化并改善電學性能?；鼗饻囟葘辖痣妼W性能的影響見下圖。圖5回火溫度對6J22合金性能的影響

圖6回火溫度對6J23合金性能的影響

2、應變電阻合金

2.1定義應變電阻合金是利用電阻--應變效應進行測量和控制的材料。所謂電阻—應變效應是材料應變導致電阻的相對變化。應變電阻利用電阻—應變效應制成傳感器、電阻應變計可測量壓力、載荷、加速度、位移和扭距等。

2.2.應變電阻合金對性能的要求1）高、穩(wěn)定的電阻率，≮0.5μ

·m；2）在工作溫度范圍內(nèi)，低且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，電阻和溫度成線性關系；3）應變靈敏系數(shù)（，單位應變的電阻相對變化）大，且在較大應變范圍為常數(shù)，K不隨溫度變化。4）線膨脹系數(shù)等于或高于（接近）被測零件的線膨脹系數(shù)。5）機械性能方面要求：疲勞強度高、彈性極限大、蠕變小，抗氧化。6）工藝上要求冷加工性能好，塑性易繞制，和焊接性。

2.3.應變電阻合金應變電阻合金有Cu基（Cu-Ni應變康銅、Cu-Mn錳白銅等）、Ni基（Ni-Cr、Ni-Mo）、Fe基（Fe-Cr-Al）貴金屬（PtW、PtWRe）等。按使用溫度可分為六類。2.3.應變電阻合金Cu-Mn合金在壓力作用下，在很寬溫度范圍內(nèi)電阻變化非常小，電阻-壓力效應是常值或正值。這種材料可作壓力傳感器。Cu-Ni系合金的康銅是制作常溫和中溫(250℃以下)及各類自補償電阻應變片的最常用材料。這類合金容易加工成細絲，電阻值適中，穩(wěn)定性好，彈性系數(shù)小，電阻溫度系數(shù)低，焊接方便，價格低。缺點是ECu大，耐蝕性差，在大氣中容易氧化。這種合金對冷加工和熱處理很敏感。Ni-Cr改良型合金可用作電阻應變片敏感柵材料，特點是電阻率高，TCR（電阻溫度系數(shù)）低，電阻-溫度曲線的線性度好?？芍谱鞲鞣N常溫、中溫、高溫及低溫自補償電阻應變片。使用最多的是卡瑪合金(Ni-Cr-Al-Fe合金)和伊文合金(Ni-Cr-Al-Cu合金)。Ni-Mo合金的電阻率高，可制作高溫電阻應變片。但由于合金中加人大量Mo，加工性能差，通常需要熱加工。Fe-Cr-Al合金具有電阻率高，K(應變靈敏度系數(shù))大，經(jīng)控制合金成分及摻雜可獲得較小的TCR，抗氧化性能好。隨Al含量增加和Fe含量減少，有

增大，K減小的傾向。Pt基合金是理想高溫(600-800℃)應變電阻材料。它具有適中的

值，K大，耐酸、耐堿，抗腐蝕，特別是高溫(700-800℃)抗氧化性好，但TCR大是這類合金的主要缺點。熱處理溫度、時間、氣氛和試樣的原始狀態(tài)對Pt基合金的電學性能有明顯影響。2.3.應變電阻合金近年來國內(nèi)外又研制出Fe-Cr-Co-Ni系合金和含有適量Pt、Fe、Al等Au-Pd-Cr合金，用于要求K值大和穩(wěn)定性高的測力傳感器和應變傳感器中，其最高工作溫度可達800℃。非晶態(tài)應變電阻合金也是近年來開發(fā)的一種合金。其電阻率通常比晶態(tài)合金高幾倍；在相當寬的溫度范圍內(nèi)，

非常小，約較晶態(tài)合金小一數(shù)量級；應變敏感系數(shù)大（K>2）。

3、

熱敏電阻合金3.1定義與精密電阻的性能相反，利用電阻隨溫度升高而增大的性能的合金是熱敏電阻合金。3.2熱敏電阻合金的要求：1)電阻溫度系數(shù)大且為正；2)電阻率較小，電阻值與溫度呈線性；3）電阻值的時間穩(wěn)定性好；4）有一定的抗氧化性和耐蝕性；5）加工性好，資源豐富，價格便宜。3、

熱敏電阻合金3.3各類熱敏電阻合金熱敏電阻合金主要有Co基、Ni基、Fe基等合金，如Ni50Co10Fe、Cr20V10Fe、Co85CrAlFe等。廣泛用于航空、航天的溫度加熱器、家用電器的元件，如熨斗、烙鐵、電褥子等。由于電阻溫度系數(shù)很大，可達到控溫、安全和節(jié)能的目的。由于線性好，可制成電阻溫度計測溫。該合金有限流作用，可制成限流調(diào)節(jié)器。主要介紹兩類熱敏電阻合金：限流合金和感溫合金。

3、

熱敏電阻合金

3.3.1限流合金（限制電流）限流線是熱敏電阻材料之一，是70年代發(fā)展起來的，已經(jīng)使用在大、中型設備中。限流線是一種新型限流元件，它本身不能斷開電路，而是通過它使電路中的自動開關起作用來斷開電路，使開關限制短路電流的能力加大，提高了自動開關的分斷能力。限流線的工作原理：當限流線通過大電流而發(fā)熱時，溫度升高，電阻急劇增大，電流迅速下降，當電流達到某一定值時，自動開關切斷電路，從而限制電流增加，不致使電器中通過過大電流，起到保護設備的作用。3.3.1.限流合金適于制作限流線的純金屬有Fe、Co、Ni等，應用最多的是Fe。純Fe隨溫度升高，電阻率增加量最大，而在常溫下電阻率較小，電阻與溫度呈線性關系，價廉，是一種好的限流材料。幾種純金屬的性能如下表所示，電阻率

與溫度T的關系如下圖所示。純Fe的缺點是在常溫下容易生銹，在高溫反復加熱和冷卻時容易產(chǎn)生氧化皮，并易脫落，因此不能保證性能的長期穩(wěn)定性。為克服這一缺點，常在純Fe中添加少量Co、Cu、W、Ni、Mn等元素。

3.3.1.限流合金3.3.1.限流合金3.3.1.限流合金

Fe-Co(35-61%)合金具有良好的耐蝕性和耐熱性，限流效果為Fe的二倍，是一種非常好的限流電阻合金。缺點是加工性能差。為改善加工性能，在Fe-Co合金中添加Ni而研制成40-60%Co，5-10%Ni，余Fe的合金，其加工性能顯著提高。含Ni40-90%的Fe-Ni合金是具有面心立方結構的單相固溶體，可作限流線。當Ni含量為40%左右時，電阻率最大，故Ni含量為40%左右成分范圍是Fe-Ni合金限流線的最佳成分范圍。Fe-Pb復合限流合金是利用金屬加熱到熔點時，電阻增大1.5-2倍的特性，用低熔點Pb和高熔點Fe復合而成的限流線合金。在高于Pb熔點溫度使用時限流效果大，但加工工藝比較復雜。3.3.2.感溫合金感溫合金：利用電阻與溫度呈一定函數(shù)關系的金屬導體制成溫度傳感器，用于溫度測量和檢測儀表，可與顯示或控制及調(diào)節(jié)儀表等配套，直接測量溫度。用作感溫元件熱敏電阻絲的純金屬有Pt、Cu、Ni、Fe、W和Rh-Fe合金。目前工業(yè)中大量使用Pt、Cu、Ni三種純金屬，其電阻-溫度曲線如右圖所示。我國研制的Fe-Ni58熱敏電阻絲，作為感溫元件己經(jīng)使用在大型客機上。第三節(jié)電熱材料

1.電熱合金1.1定義眾所周知，當電流I通過電阻R時，每秒產(chǎn)生I2R的焦耳熱。電熱合金就是利用這種電能轉(zhuǎn)換為熱能特性的電阻合金。廣泛用于各種工業(yè)電爐、實驗室電爐和家用電器的電加熱元件。1.電熱合金1.2.對電熱合金的性能要求①具有高的電阻率和低電阻溫度系數(shù)。高電阻率意味著單位體積的電熱合金在通過相同的電流時產(chǎn)生較高的熱量，當然這不是絕對的，對于加熱溫度不高、熱量分布面大的場合，電阻率不要太高；低電阻溫度系數(shù)表明隨溫度變化電阻的變化小，則便于通過調(diào)節(jié)電流控制加熱溫度。②合金在使用溫度范圍內(nèi)無相變，以保證電阻沒有突變，電性能長期穩(wěn)定。③具有較高的抗氧化性和對各種氣氛的耐蝕性。④具有足夠的高溫強度，保證加熱體不易形變和較長的使用壽命⑤良好的加工性能，易于制成絲材或帶材，并能繞制成各種形狀的加熱元件。1.3、電熱合金電熱合金主要包括Ni—Cr系和Fe—Cr—Al系兩類，適用于在950℃～1400℃溫度范圍內(nèi)工作的電加熱元件。而在更高溫度工作的加熱體則采用純金屬電熱材料。1.3.1.Ni—Cr系電熱合金

Ni—Cr系電熱合金的高溫強度高，高溫冷卻后無脆性，使用壽命較長，易于加工和焊接，是廣泛使用的電熱合金。Ni—Cr系電熱合金的成分和性能列于表6－9和表6－10。其中，Cr15Ni60合金相應于國外的NIKROTHAL60（瑞典）、X15H60-H（蘇）、NiCr6015（德）合金；Cr20Ni80合金相應于國外的NIKROTHAL80（瑞典）、X20H80（蘇）、80Ni60Cr（美）合金；Cr30Ni70合金相應于國外的NIKROTHAL70（瑞典）、CNir7030（德）合金。1.3.1.Ni—Cr系電熱合金表9Ni—Cr系電熱合金的成分（GB1234－85）合金牌號化學成分％CPSMnSiCrNiAlFeCr15Ni60≤0.08≤0.02≤0.015≤0.600.75~1.6015.0~18.055.0~61.0≤0.50余Cr20Ni80≤0.08≤0.02≤0.015≤0.600.75~1.6020.0~23.0余≤0.50≤1.0Cr30Ni70≤0.08≤0.02≤0.015≤0.600.75~1.6028.0~31.0余≤0.50≤1.0

1.3.1.Ni—Cr系電熱合金表10Ni—Cr系電熱合金的性能（GB1234－85）合金牌號電阻率

20℃(μ

·m)熔點(℃)最高使用溫度(℃)密度(g/cm3)平均線膨脹系數(shù)(20~1000℃)(10-6℃-1)比熱(cal/g·℃)σb(MPa)延伸率δ(%)Cr15Ni601.11~1213.00.110637~748≥20Cr20Ni801.09~1414.00.105637~748≥20Cr30Ni701.18~1.20138012508.117.10.110900≥201.3.1.Ni—Cr系電熱合金

在Ni-Cr系電熱合金中，Ni與Cr形成有限固溶體。Cr含量大于30％則靠近兩相區(qū)，硬度增加，加工困難。當<20%時，隨Cr含量的增加，電阻率提高，電阻溫度系數(shù)減??；當=20%Cr時，電阻溫度系數(shù)最??；當>20％Cr時，加工性能變差。因此，Cr含量以15～30％為宜。加入Fe使加工性能改善，但耐蝕性降低。而添加少量Si、Al、Ti、Zr或稀土元素可提高合金的工作溫度和使用壽命。Ni-Cr系電熱合金的軟化退火溫度為950～1100℃，快速冷卻。1.3.2.Fe—Cr—Al系電熱合金Fe—Cr—Al系電熱合金的電阻率高，耐熱性和高溫抗氧化性好，與Ni—Cr系合金相比具有更高的使用溫度，價格也較便宜。但這類合金經(jīng)高溫使用時易產(chǎn)生脆性，而且長時間使用時永久伸長率較大。Fe—Cr—Al系電熱合金成分和性能見表11和表12。其中，1Cr13Al4合金相應于國外的Х13Ю4（蘇）合金；0Cr25Al5合金相近于國外的CrAl255（德）、Х23Ю5（蘇）合金；0Cr27Al7Mo2合金相近于國外的Х27Ю5T（蘇）合金。0Cr13Al6Mo2、0Cr21Al6Nb和0Cr27Al7Mo2合金是我國研制的電熱合金，經(jīng)多年的生產(chǎn)和使用，工藝穩(wěn)定，性能指標均滿足應用要求。表11Fe—Cr—Al系電熱合金的成分（GB1234－85）合金牌號化學成分％CPSMnSiCrNiAlMoFeNb1Cr13Al4≤0.12≤0.025≤0.025≤0.70≤1.0012.0~15.0≤0.604.0~6.0—余—0Cr13Al6Mo2≤0.06≤0.025≤0.025≤0.70≤1.0012.5~14.0≤0.605.0~7.01.5~2.5余—0Cr25Al5≤0.06≤0.025≤0.025≤0.70≤0.6023.0~26.0≤0.604.5~6.5—余—0Cr21Al6Nb≤0.05≤0.025≤0.025≤0.70≤0.6021.0~23.0≤0.605.0~7.0—余參考加入量0.50Cr27Al7Mo2≤0.05≤0.025≤0.025≤0.20≤0.4026.5~27.8≤0.606.0~7.01.8~2.2余—表12Fe—Cr—Al系電熱合金的性能（GB1234－85）合金牌號電阻率

20℃(μ

·m)熔點(℃)最高使用溫度(℃)密度(g/cm3)平均線膨脹系數(shù)(20~1000℃)(10-6℃-1)比熱(cal/g·℃)σb(MPa)延伸率δ(%)1Cr13Al41.25±0.0814509507.415.40.117588~735≥160Cr13Al6Mo21.41±0.07150012507.215.60.118686~833≥120Cr25Al51.42±0.07150012507.116.00.118637~784≥120Cr21Al6Nb1.45±0.07151013507.116.00.118686~784≥120Cr27Al7Mo21.53±0.07152014007.116.00.118686~784≥101.3.2.Fe—Cr—Al系電熱合金在Fe中加入Cr和Al都使電阻率提高，電阻溫度系數(shù)降低，抗氧化性提高。添加少量Co、Ti、Zr、稀土元素等也提高合金的抗氧化性、高溫強度和使用壽命。但隨Cr、Al含量增加，合金的σb增加，δ下降，沖擊韌性降低，加工性能變差。因此要求嚴格控制工藝和質(zhì)量。經(jīng)各工藝環(huán)節(jié)，不僅要保證成分準確均勻，有害元素及雜質(zhì)少，還要控制晶粒細小而均勻，組織致密。Fe—Cr—Al系電熱合金的軟化退火溫度為750～800℃，快速冷卻。Fe—Cr—Al系合金在焊接時晶粒易長大而產(chǎn)生脆性。因此要用Fe—Cr—Al合金焊條快速焊接，最好用氬弧焊。如果焊后不立刻使用，應將焊接部位于800℃左右退火，以消除焊接應力。1.3.3.純金屬電熱材料一可用作電熱體的純金屬有Pt、W、Mo、Ta等。純金屬的電阻率低，電阻溫度系數(shù)高，有的還需要特殊的保護氣氛。但它們的使用溫度較高，因此僅在特殊情況下使用。表13列出了純金屬電熱材料的性能。表13純金屬電熱材料的性能合金牌號電阻率

20℃(μ

·m)熔點(℃)最高使用溫度(℃)密度(g/cm3)平均線膨脹系數(shù)(20~1000℃)(10-6℃-1)比熱(cal/g·℃Pt0.0941774160016008.9135.6Mo0.0522625180018004.92760W0.0513410240024004.6(20℃)142Ta0.1312996220022006.55142Pt的價格昂貴，在真空下易蒸發(fā)，但抗氧化性強，可以在氧化氣氛中使用。W和Mo作為電熱體只能在氫氣、氮氣或真空中使用。而Ta則要求在真空中使用。1.3.4.非金屬電熱材料最常見的是SiC發(fā)熱體（碳硅棒）。它是將SiC粉末加粘結劑成形，在～2000℃高溫下燒結而成的。不象金屬發(fā)熱體那樣具有韌性和可繞性。但耐熱性高，用于1450℃（常用）、最高1600℃的電爐。該材料的最大問題是端部的接觸電阻。為此，通常端部的斷面積大，兩端浸在熔融Si中浸透Si，可減少該部分的電阻率。更高使用溫度的發(fā)熱體還有MoSi2棒，可將常用溫度提高到1600℃左右。但在高溫下剛性差，通常制成U形。石墨亦可用作發(fā)熱體。但用于真空、惰性氣氛、還原性氣氛中。多用棒狀或管狀。

1.4.不同介質(zhì)氣氛中電熱合金的選擇

根據(jù)不同電熱合金的抗氧化性能和在不同介質(zhì)氣氛中的耐蝕性，在選擇電熱合金時應考慮使用介質(zhì)氣氛。Fe—Cr—Al電熱合金表面的氧化膜在高溫氮氣中會遭受破壞使抗氧化性降低，因此不適于在氮氣中使用。在含S的氧化氣氛中，Ni—Cr合金在高溫下與硫化物反應而受侵蝕，而Fe—Cr—Al合金在該氣氛中有較好的穩(wěn)定性。因此，在含S的氧化氣氛中要用Fe—Cr—Al電熱合金而不能用Ni—Cr合金。在不同介質(zhì)氣氛中適用的電熱合金列于表14。

1.4.不同介質(zhì)氣氛中電熱合金的選擇表14電熱合金在各種氣氛中的耐蝕性及最高使用溫度（℃）氣氛合金牌號空氣氫氣氮氣水蒸氣H2S、SO2吸熱式氣體放熱式氣體真空(10-3乇以下)鐵鉻鋁合金0Cr13Al6Mo20Cr25Al513001250950不適用10501100115011000Cr27Al7Mo214001350950不適用1150120012501150Cr20Ni801150115011001200不適用95010501100W不適用2500——————Mo不適用2000——————2、熱電偶合金在生產(chǎn)和科學研究中，溫度是一個最基本最重的物理量和工藝參數(shù)，常常需要準確測量和適時控制。在實踐中使用的測溫儀表有許多種。按使用方法可分為兩大類：接觸式溫度計和非接觸式溫度計。接觸式溫度計通常有兩個主要部分：溫度傳感器和溫度顯示器。傳感器的核心部分是感溫元件，制造感溫元件的材料稱為測溫材料。測溫材料是儀器儀表材料的一大門類。人們利用測溫材料的某種與溫度呈單調(diào)、穩(wěn)定而可復現(xiàn)的函數(shù)關系的物理特性來制作感溫元件。例如：利用材料的熱膨脹特性制成各種雙金屬溫度計、玻璃溫度計和(氣體)壓力式溫度計；利用材料的電阻隨溫度而變化的特性制成了熱電阻和熱敏電阻溫度計；利用材料的熱電動勢隨溫度差變化的特性制成熱電偶等等。

2.1概述

2.1.1.測溫材料發(fā)展概況最早用來制造溫度計的材料特性是熱膨脹。1592年意大利人伽利略發(fā)明第一支膨脹溫度計時，就是利用空氣的熱脹冷縮特性。1632年他又利用水的熱膨脹特性制造溫度計。1641年酒精溫度計和1689年水銀玻璃溫度計相繼發(fā)明，一直沿用至今。1747年出現(xiàn)了利用金屬竿的熱膨脹特性制成的溫度計。后來又出現(xiàn)利用雙金屬復合材料的膨脹特性制成的熱雙金屬溫度計。利用材料的電、磁特性隨溫度而變化的現(xiàn)象制作溫度計是近百年的事。1821年J·Seebeck發(fā)現(xiàn)熱電效應，1823年A·H·Becquerel研究了熱電特性，1826年首先提出用Pt-Pd熱電偶來測量高溫。但是，第一臺實用化熱電高溫計是1886年LeChatelier用PtRh10合金與純Pt配對制成的。他用此高溫計成功地測量水泥制造中的高溫。隨后，鎳鉻-鎳鋁、鐵-康銅、銅-康銅等熱電偶相繼發(fā)明，并在工業(yè)上得到推廣應用，使熱電偶成為今天最重要的測溫儀表。今天，熱電偶材料已成為大規(guī)模生產(chǎn)的標準化的測溫材料。

2.1.1

.測溫材料發(fā)展概況與熱電偶發(fā)展的同時，電阻溫度計也得到發(fā)展。1821年SirHumphryDary觀察到金屬的電阻隨溫度而變化的性質(zhì)。1861年德國的WillianSiemens制成了第一支Cu電阻溫度計，10年后他又制成了Pt電阻溫度計。但是，由于他的溫度計的示值不穩(wěn)定而未得到推廣應用。第一支實用化的精密鉑電阻溫度計是H·L·Calleadar制成的。由于避免了應變和沾污，他的鉑電阻的性能十分穩(wěn)定。1927年，第七屆國際計量大會采用Pt電阻和PtRh10-Pt熱電偶為國際溫標ITS-27的標準儀器。在工業(yè)上，Pt電溫和Cu電阻今天都得到了廣泛的應用。1932年發(fā)現(xiàn)半導體材料的電阻隨溫度而變化的特性后，40年代初期美國Bell實驗室以及稍后德國的Siemens公司，開始了氧化物熱敏電阻的研究，50年代初期Ge電阻低溫溫度計及50年代末BaTiO3PTC熱敏電阻相繼問世。此外，磁溫計和聲學溫度計開拓于50年代，而光纖溫度計則是70年代新近發(fā)展起來的。2.1.2.對測溫材料的要求

雖然各種物質(zhì)隨溫度變化的種種特性，都有可能用來制作溫度計，但要制成一種實用化的工業(yè)溫度計，不僅要求材料具有優(yōu)秀的計溫特性，還應具有適當?shù)墓に囆阅芎推渌阅埽虼?，理想的測溫材料應滿足下列要求：(1)使用溫域?qū)挕?2)在使用溫域內(nèi)，計溫特性的物理量值，以及其隨溫度變化的系數(shù)要大，以保證溫度計有足夠的靈敏度。特性曲線的線性好，以利刻度。(3)材料的計溫特性對溫度以外的其它物理量不敏感；化學呈惰性，保證溫度計在分度和使用過程中性能穩(wěn)定。(4)高溫用的測溫材料，熔點要高，抗氧化性和高溫強度好。(5)不同批材料的計溫特性應能精確復現(xiàn)。同爐、同批次材料的性能應當均勻一致，保證制成的感溫元件有良好的互換性。(6)材料應具有良好的工藝性能，易于拉制成絲、軋成片或箔，適于批量生產(chǎn)。

(7)資源豐富。價格適中，無公害。

2.1.3.測溫材料的分類2.2、賽貝克效應測溫材料是制造用于測量溫度的感溫元件的材料。熱電偶合金就是利用材料的熱電動勢隨溫度差而變化的特性的一種測溫材料。

2.2、賽貝克效應將兩種不同的金屬或合金A、B連接成閉合回路，而兩個接點處保持在不同的溫度時，回路中產(chǎn)生一個電動勢，稱為熱電動勢EAB（見圖）。這種效應叫做賽貝克效應。如果將回路斷開，在斷開處則出現(xiàn)電動勢差，即

V=Vb-Va，可用電位差計測量。

V與兩接點的溫度差

T有關。

2.2.賽貝克效應

V與兩接點的溫度差

T有關。當

T很小時，

V與

T與正比。定義熱電動勢率（賽貝克系數(shù)）SAB為

V對

T的微分熱電動勢

SAB的符號和大小取決于兩種金屬或合金的熱電特性和接點的溫度。如果兩種金屬或合金完全均勻一致，SAB就只是溫度的函數(shù)，而與導體的粗細長短無關。而回路的熱電動勢EAB可由上式積分得到

所以，EAB也只取決于兩個接點的溫度。如果將一個接點的溫度保持恒定（如0℃），EAB就只隨另一接點的溫度而變化。利用這個特性測定溫度的元件叫做熱電偶。

2.3、對熱電偶合金的要求根據(jù)工業(yè)和科學研究的需要，對熱電偶合金有如下要求：①熱電偶的熱電動勢應足夠大，并隨溫度的變化呈線性關系，電阻溫度系數(shù)低，以保證熱電偶測溫的靈敏度。

②在使用過程中熱電動勢應有良好的穩(wěn)定性和一致性。因此熱電偶合金應是化學成分和物理狀態(tài)均勻的高純金屬或單相固溶體合金。在各種介質(zhì)氣氛中和工作溫度范圍內(nèi)，材料不發(fā)生明顯的氧化、蒸發(fā)、相變、再結晶和有序化等現(xiàn)象。以保證熱電勢在測量過程中穩(wěn)定。③熱電偶的熔點要足夠高，以便能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。④熱電偶的熱電特性應有良好的重現(xiàn)性。⑤良好的抗氧化性和耐蝕性。⑥此外，還要求加工性能好；價格便宜等。

2.4.熱電極材料的選配

2.4.1.根據(jù)材料的絕對熱電勢特性選配因為由導體A、B配成熱電偶時，其塞貝克系數(shù)SAB與導體A、B的絕對熱電勢率SA和SB間存在以下的關系:SAB=SA-SB因此，在配對材料時應當選擇具有符號相反的，量值大的SA和SB，保證配成的熱電偶靈敏度高。如圖所示，在任何溫度下，熱電偶的SAB可以用圖上在溫度T對應的SA和SB相減而得到。2.4.熱電極材料的選配

2.4.1.根據(jù)材料的絕對熱電勢特性選配通常，金屬與合金的絕對熱電勢S與溫度T的關系較為復雜(見圖)。若導體A、B的絕對熱電勢率隨溫度變化的曲線的斜率相等，配成的熱電偶的E-T熱電勢特性呈現(xiàn)線性關系。2.4.熱電極材料的選配2.4.2選配熱電極材料的理、化因素

選配熱電極材料除考慮熱電性能外，還必須根據(jù)使用環(huán)境條件考慮有關物理、化學因素。例如，在高溫下使用的熱電偶，選配的兩種材料的熔點都應當高；在高溫氧化性氣氛中使用的熱電偶，其正、負熱電極材料都必須具有相當好的抗氧化性。在高溫還原性氣氛中使用的熱電極，都應具有抗原性。在高真空中使用的高溫熱電偶，其兩個電極的蒸氣壓都應當?shù)?。在核反應堆中測溫用的熱電偶，其兩種熱電極材料的中子俘獲截面積都要小。低溫熱電偶材料，希望兩種熱電極材料的熱導率不要太高等。此外，兩種熱電極材料的機械強度和塑性最好相近，在制造鋁裝熱電偶復合材料時，有利于拉制。兩種材料的機械性能和熱膨脹系數(shù)相差懸殊時，往往導致高溫下焊點處機械損壞；另外，熱電極材料間的可焊性也要考慮。

2.5.國際標準化熱電偶品種熱電偶的種類很多。根據(jù)儀表的標準化、系列化的要求，經(jīng)過長期篩選，目前有15種已得到廣泛應用成為標準化產(chǎn)品，見表6-15。國際電工委員會（IEC）已對其中8種規(guī)定了代號，制訂了國際統(tǒng)一的標準分度表（見IEC584-Ⅰ，1977）和允許偏差（見IEC584-Ⅱ，1980）。例如S型熱電偶表示鉑銠10-鉑熱電偶，SP代表正極，SN代表負極。在我國有9種熱電偶已制訂國標，還有3種正制訂國家專業(yè)標準（ZBN），詳見表6-16。

熱電動勢特性曲線和標準分度表標準分度表是根據(jù)熱電偶的熱電動勢特性曲線（見右圖）和多項式：E=計算出來的。但標準分度表卻代表許多成分有差異的熱電偶材料的熱電動勢特性。例如，鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶和以前的鎳鉻—鎳鋁（C-A）熱電偶都采用K型分度表；不同廠家生產(chǎn)的K型熱電偶成分也會有差異。這樣，實際熱電偶的熱電動勢特性與標準分度表就存在偏差。因此，對允許偏差也作了嚴格的規(guī)定。

熱電穩(wěn)定性和使用溫度極限由于不同熱電偶材料的化學性能不同，與其相適應的使用環(huán)境氣氛和長期、短期使用的最高溫度也不相同。例如K型熱電偶適于在氧化性氣氛下使用，它的長期和短期使用最高溫度分別為1200℃和1300℃。但在還原性氣氛（CO295%，CO5%）中，鎳鉻極發(fā)生選擇性氧化，導致熱電動勢異常變化。因此不適于在還原性氣氛中使用。此外，熱電偶的長期使用溫度極限還與偶絲直徑有關，絲徑越粗使用溫度越高，詳見表17。

2.5.1、鉑銠熱電偶合金標準的鉑銠熱電偶合金有B型、R型、S型3種。這種熱電偶的化學穩(wěn)定性好，測量精度和重現(xiàn)性高，測溫區(qū)寬，廣泛用于1000℃以上的溫度測量。其中，鉑銠10-鉑(S型)熱電偶是300℃以上測溫最準確的熱電偶，可用作標準測溫。鉑銠熱電偶適于在氧化或中性氣氛中使用，也可在真空中使用，應避免在還原氣氛中使用。作為標準熱電偶，使用前應充分退火。退火方法是懸掛通電退火。PtRh10合金絲的退火溫度為1400℃，時間為2h；純鉑絲為1100℃3h。Pt合金：SN和RN是高純鉑絲。鉑絲純度用電阻比R100/R0表示（其中R100、R0分別是純鉑絲在100℃和0℃時的電阻值），要求R100/R0≥1.3910，通常在1.3920-1.3925之間。2.5.1、鉑銠熱電偶合金PtRh合金：BN、SP、RP和BP為含Rh量6%、10%、13%和30%的鉑銠合金。隨Rh含量增加，合金的熔點、電阻率、對Pt的熱電動勢和機械強度都提高。但由于Rh的添加沒有改變Pt的電子結構，因此合金的熱電動勢特性與純鉑絲的特性曲線平行（見圖）。2.5.2.鎳鉻—鎳硅熱電偶合金

鎳鉻—鎳硅合金是K型熱電偶，也是工業(yè)上最常用的熱電偶合金之一。這種材料具有較好的抗氧化性、很寬的測溫區(qū)域(500-1300℃)，微分熱電動勢較恒定，適用于在氧化或惰性氣氛中使用，但不適于還原性氣氛、含硫氣氛或真空。K型熱電偶材料對應力較敏感，且在高溫發(fā)脆。鎳鉻硅—鎳硅（N型）熱電偶是為了改進K型熱電偶的缺點而創(chuàng)制的。它具有更好的抗氧化性和熱電穩(wěn)定性。2.5.2.鎳鉻—鎳硅熱電偶合金鎳鉻合金：KP是NiCr10合金，成分為9-10%Cr、0.6%Si、1.2%Co、0.2Mn。該合金的抗氧化性很好。若添加少量稀土元素，抗氧化性可進一步提高，且不改變熱電動勢特性曲線。但KP合金的缺點是在250-550℃范圍內(nèi)結構不穩(wěn)定造成熱電勢不穩(wěn)定；在含碳(還原)氣氛中，500-800℃范圍內(nèi)會產(chǎn)生Cr的內(nèi)氧化，造成較大的熱電動勢漂移。NP合金的鉻含量高達14.5%，消除了KP合金的上述缺點。而且由于含硅量為1.5%，促進表面保護性氧化膜較快生成，提高抗氧化性和熱電穩(wěn)定性。鎳硅合金：KN是含2~3%Si、<0.6%Co、<0.7%Mn的Ni基合金。NN是含4.5%Si、0.05~0.2%Mg、≤0.02%Cr的高硅Ni基合金。由于NN合金（NiSi45Mg0.1）的含硅量高，抗氧化性更好，并使磁性轉(zhuǎn)變溫度降到室溫以下。

2.5.3.低溫熱電偶低溫熱電偶指在0℃以下溫度區(qū)域使用的熱電偶，主要包括T型、E型、K型和N型熱電偶。各種低溫熱電偶的熱電動率隨溫度降低而迅速減小(測量誤差大)（見圖）。因此，盡管這些熱電偶的分度表溫區(qū)下限為-270℃，但實際使用的低溫限為-200℃。深低溫熱電偶：指在-200℃以下到液氦（4.2K）溫度區(qū)域使用的熱電偶，主要有Cu-AuFe（Co）和NiCr-AuFe兩種。2.5.3.低溫熱電偶正極合金：TP是1號純銅，含Cu量不小于99.95%可在氧化、還原、惰性氣氛或真空中使用。但在400℃以上迅速氧化，因此400℃是使用溫度上限。JP是99.5%的純鐵，可在氧化、還原、真空、惰性氣氛中使用。但純鐵含氧化、易生銹，耐蝕性差。若經(jīng)發(fā)藍或磷化處理能改善耐蝕性。EP和KP一樣，同為NiCr10合金。負極合金：TN、EN和JN是含Cu55~61%，Ni45~39%的合金，亦稱康銅。能在氧化、還原、惰性氣氛或真空中使用。2.5.4.鎢錸熱電偶鎢錸熱電偶是隨高溫技術(航空發(fā)動機測溫)發(fā)展的需要而發(fā)展起來的。我國標準化的WRe熱電偶有WRe3-WRe5、WRe5-WRe26兩種，WRe5-WRe20熱電偶也有生產(chǎn)和應用。可以在干氫氣氛、惰性氣氛和真空下使用到2700℃的高溫，但在無保護情況下不能在氧化氣氛或無氫的還原氣氛中使用。WRe熱電偶的熱電動勢與溫度的關系如圖6-11所示。WRe熱電偶有更高的測溫范圍，還可代替鉑銠熱電偶以節(jié)約貴金屬。目前，我國的WRe熱電偶已進入工業(yè)化實用階段。2.5.4.鎢錸熱電偶圖WRe系熱電偶的熱電勢E與溫度的關系1--WRe3-Wre25；2--WRe5-WRe26；3--W-WRe26；4--WRe5-WRe202.6.熱電偶補償導線要把溫度測量信號從現(xiàn)場傳送到控制室，顯示儀表不能安裝在被測對象附近，而需要通過連接導線將熱電偶延伸到恒溫器中，來消除或降低熱電偶冷端溫度變化所引起的測量誤差，必須設法找到一種導線，使其在0-150℃范圍內(nèi)的熱電特性與所用熱電偶相近，而且價格較便宜。這種導線就叫熱電偶補償導線。不同的熱電偶材料要求不同的補償導線。補償導線材料一般采用熱電偶材料本身或?qū)ｉT的合金。GB4990-85中規(guī)定了標準補償導線的品種和性能，見表6-18。標準補償導線的代號中第一個字母為配用熱電偶的分度號；第二個字母中，“P”表示正極，“N”表示負極；第三個字母中，“X”表示延伸型補償導線，“C”表示補償型補償導線。標準補償導線的品種和性能熱電偶分類號補償導線型號補償導線正極補償導線負極100℃熱電動勢及允差（mV）200℃熱電動勢及允差（mV）名稱成分代號名稱成分代號熱電動勢允差熱電動勢允差普通級精密級普通級精密級SSC銅CuSPC銅鎳CuNi0.6SNC0.645

0.037(5℃)

0.023(3℃)1.44

0.057(5℃)/KKX鎳鉻NiCr10KPX鎳硅NiSi3KNX4.095

0.105(2.5℃)

0.063(1.5℃)8.137

0.100(2.5℃)

0.060(1.5℃)KC銅CuKPC康銅CuNi40KNC4.095

0.105(2.5℃)

0.063(1.5℃)///EEX鎳鉻NiCr10EPX康銅CuNi45ENX6.317

0.170(2.5℃)

0.102(1.5℃)13.419

0.183(2.5℃)

0.111(1.5℃)JJX鐵FeJPX康銅CuNi45JNX5.268

0.135(2.5℃)

0.081(1.5℃)10.777

0.138(2.5℃)

0.083(1.5℃)TTX銅CuTPX康銅CuNi45TNX4.277

0.047(1℃)

0.024(0.5℃)9.286

0.080(1.5℃)

0.043(0.8℃)2.6.熱電偶補償導線補償導線的熱電勢在其補償溫度范圍內(nèi)，應與所配用的熱電偶的熱電勢相等，不應超出允許誤差范圍。一種補償導線只能與其所配的熱電偶做冷端溫度補償，不能任意調(diào)換。

第四節(jié)導電合金

1、電觸頭材料電觸頭是用于電路通斷或連接的導電元件，按工作電流的負荷大小可將電觸頭分為強電、中電和弱電三種電觸頭。電力工業(yè)中的電觸頭多是強電和中電電觸頭。而儀器儀表、電子裝置、計算機等設備中的電觸頭多是弱電電觸頭。電觸頭材料也稱為接點材料。廣泛用于電力、電子、通信設備、儀器儀表中的開關、繼電器、連接器、換向器、電位器、電刷等的接點。通過接點的開閉擔負著電能和電信號的接通、切斷、轉(zhuǎn)換等任務。對電觸頭的主要要求是，工作可靠，接觸電阻恒定，使用壽命長等

1、電觸頭材料1.1電接觸的一般原理

電觸頭材料在使用過程中發(fā)生一系列表面現(xiàn)象：接觸電阻、電侵蝕等首先是接觸電阻，接觸電阻是指兩個接觸元件在接觸部位產(chǎn)生的電阻，是接觸材料的最基本性能參數(shù)。接觸元件的工作是否可靠，本質(zhì)上就是其接觸部位是否穩(wěn)定。接觸電阻與接觸材料的電阻率、硬度、接觸壓力以及接觸元件的幾何形狀、尺寸和表面光潔度等有關，尤其是接觸壓力對接觸電阻影響最大。接觸材料的化學穩(wěn)定性、抗電侵蝕性和抗摩擦性也影響接觸電阻的大小和穩(wěn)定性。接觸電阻Rk由收縮電阻Rc和表面膜電阻Rf兩部分組成，即Rk=Rc+Rf1.1電接觸的一般原理--接觸電阻收縮電阻:接點表面不可能是完全的平面，以微觀上是凹凸不平的，接觸時僅有部分突出點真正接觸。這種因?qū)嶋H有效的接觸面積小而形成的電阻就是收縮電阻。其大小與觸頭材料的電阻率、彈性模量與接觸壓力有關，常用經(jīng)驗公式為式中：C--常數(shù)；ρ--觸頭材料的電阻率(Ω?m)E——彈性模量（Pa）；Fk——接觸壓力（N）；r——接觸面半徑（mm）。表面膜電阻:在各種環(huán)境氣氛下接點表面形成氧化膜、硫化膜、氮化膜、有機絕緣膜、吸氣層、油污膜或塵埃等表面絕緣膜，從而產(chǎn)生表面膜電阻，而使接觸電阻增大。表面膜薄時由于隧道效應電子尚能移動；但厚度較大時接觸電阻過大就不能使用了。同時，由于膜的形成和存在會使接點在工作過程中造成不穩(wěn)定的接觸電阻，而使電信號失真。電觸頭材料中元素的化學活性（包括電子結構和電化學電位）、周圍環(huán)境的氣氛、溫度、濕度和塵埃