电子材料

P4-1 第四章導電與絕緣材料

4-1 導電材料的分類

4-2 導線與電纜材料

4-3導電材料的其它應用

4-4 電阻材料的特性與分類

4-5電阻材料特殊應用

4-6絕緣材料的特性與分類

本章將，

4.1導電材料的分類

導電材料可分為純金屬與合金(Alloy)兩大類。純金屬的導電率高，但機械強度與抗蝕性較差。合金包含兩種以上金屬成份，雖然降低導電性，但可大幅提升材料的機械性質，或提昇耐蝕性。因此兩類材料各有利弊，在選用材料時，就要特別注意使用需求。以下我們介紹幾種常用，且具代表性的純金屬材料，如銅，銀，金，鋁，鉑。合金材料部份介紹銅合金，鋁合金，以及鋼鐵材料。

純金屬材料

一般常用的純金屬材料包括銅(Cu)，銀(Al)，鋁(Al)，金(Pt)，鉑(Au)，純鐵(Fe)等，其特性與用途分述如下：

●銅(Cu)：導電率僅次於銀，由於價格較銀便宜，加工容易，因此成為最常

用的導電材料。純銅依其加工程度與熱處理的不同，可分為軟銅與硬銅。

國際標準軟銅為長1m截面1mm2的圓銅線，20︒C的電阻值為1/58Ω(電阻係

數1.72μΩ-cm )。硬抽銅線是將軟銅抽製成不同粗細的銅線，抽拉過程相

當是施以冷拉加工處理，可增加材料強度，同時也提高了電阻值。可做外

配線。軟抽銅線則是在400~600︒C的爐中施以退火處理，可達最佳導電度。

機械強度較差，多用於室內配線。

●銀(Al)：具有最高導電率，室溫下的電阻係數為1.62μΩ-cm。利用電解法可

製造高純度銀，易於加工，耐蝕性與抗氧化性佳。但由於價格昂貴，故僅

用在特殊途，例如儀表的電刷，電容器的電極，小型整流片等。

●鋁(Al)：導電率僅次於銀，銅與金，居第四位。由於質量輕，價格便宜，故

應用極為廣泛。例如可作為電場與電磁波的屏蔽材料，廣泛應用在電子電

器產品的外殼。此外鋁的導熱性好，亦廣泛應用在散熱器與熱交換器上。

●金(Pt)：導電率僅次於銀與銅，高居第三位。能抗強酸強鹼與化學藥品腐蝕。

延展性非常好，可拉成金線，或展成金箔。經常做為電路接點，或是積體

電路中的接線，以確保電路的可靠度。此外也常用做表面鍍金膜。

●鉑(Au)：又稱白金，導電率在純金屬中，排名中等，延展性好，耐蝕與抗

氧化性皆。其熔點高達1765︒C，故可做高溫環境中的電路接點。例如電子

點火系統。

●純鐵(Fe)：將電解的純鐵在次真空熔鍊，可應用在磁心材料，如變壓器，馬

達，繼電器，發電機，電子儀表的鐵心。

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表4-1列出一般常用的導電金屬性質，其中包括電阻係數，電阻溫度係數，熱動勢，線膨帳係數，比重與熔點等資料。

表4.1：常用金屬性質

銅合金材料

導電用的合金材料，以銅合金的應用最為普遍。材料主要以銅金屬為主，依不同的特性需求，攙入各種不同的金屬成份，如鋅，錫，鋁，錳….等。雖然降低導電率，但可大幅提昇材料機械性能，或抗蝕耐磨性。常見的銅合金的特性與用途如下：

●銅-鋅合金(Cu-Zn)，即為黃銅(brass)。易於切削，抗腐蝕性佳。

●銅-錫合金(Cu-Sn)，又稱青銅(bronze)。分別添加磷與矽，又可分為磷青銅

與矽青銅。磷青銅的耐熱性佳，抗拉強度高，可用於長跨架的電車架空線。

矽青銅的彈性佳，可用於電表或開關的導電彈簧與軸承。

●銅鎳矽合金(Cu-Sn)，又稱Corson合金。具有高強度，且耐蝕性好，大多應

用在導電彈簧，通信線與電車架空饋電線。

●銅-鎘合金(Cu-Cd)：具有良好的耐磨性與抗蝕性，且電阻下降不多。可用

於長距離的送電線，通信線，以及電車的架饋電線。

●銅-銀合金(Cu-Ag)，具優良的抗磨性與耐熱性，可用於熔接電極與真空管

之陽極材料。

●銅-鈹合金(Cu-Be)，又稱鈹青銅。價格昂貴，機械性質良好，耐磨且彈性

限度大，常用於開關或軸承的接觸部位。

鋁合金

金屬鋁的質量輕，導電率高，缺點是機械強度較差，因此添加其它元素，製成鋁合金，以提高抗拉強度，增加其應用範圍。鋁合金的種類繁多，應用也極為廣泛。目前常用的代號依美國鋁業協會(AA)規定，鍛製品編號有四位數字，鑄造品有三位數字。編號與合金成成份如附表4-2。

表4.2：鋁合金種類與合金成份

其中2xxx，7xxx與8xxx系屬於高強度鋁合金，一般應用在航空材料上。

電工材料主要以4xxx系的Al-Si，5xxx系的Al-Mg，與6xxx系的Al-Si-Mg系的鋁合金為主。例如利用鋁合金線材做架空電線，可減輕重量。

鋼鐵材料

鋼鐵主要是純鐵添加極少量的碳(0.4~1.0%)，具有極高的機械強度。若只添加碳，又稱碳鋼。若再添加其它不同的元素，可製成種類繁多的鋼鐵製品。

例如添加5%的矽(Si)，可製成電機裝置常用的矽鋼片。添入鎳-鉻(Ni-Cr)金屬，可製成不銹鋼。添加少量Mn，Si，Mo，V，Ti，Nb….等金屬元素，可成為高強力鋼。電工材料使用高強力鋼鐵材料的機會較少。電車的鋼軌或長途電話線，需要高強度的場合時，一般在鋼線外層覆上一層銅金屬，又稱銅包鋼線。鋼鐵的強度提供支撐力，銅層可增加其導電性，並附帶防銹功能。

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4.3導線與電纜材料

電線主要可分裸線與絕緣電線兩種。裸線是指導線外部並未覆加任何絕緣材料。絕緣電線則是在裸線外圍包覆絕緣材料。以下分別介紹兩種電線的分類與應用。

裸線

裸線可就其組成，構造，以及粗細這三方面加以歸類。首先就材料組成可分為：

●單金屬線：由單一金屬製成，如銅線，鋁線。

●合金線：兩種以上金屬組成的合金材料製成，如銅合金線，鋁合金線。

●雙金屬線：由兩種金屬熔覆製成，如銅包鋼線。

●合成絞線：由兩種以上金屬線絞合而成，如鋼心鋁纜ACSR(aluminum cable

steel reinforced)。如圖4.6所示。

●若依裸線的結構加以分類，則有單線，同心絞線，複合絞線，集合絞線，

扁帄絞線，編織絞線等。如圖4-6所示。

若由裸線的粗細加以分類，則必須採用線規(wire gauge)表示。目前常用的線規有AWG，即美國線規(American Wire Gauge)。附表5-2顯示AWG的銅線線規。線號表示導線的直徑，截面積，與20︒C下的電阻值。號數越小，導線愈粗。反之，號數越大，導線愈細。例如AWG12號線，直徑為0.205cm，截面積為0.0331cm2，電阻值為每公尺0.0553Ω。

圖4.6：各種裸線的截面構造