盧利平，唐 龍，岳 恩，羅順安，張 平

(1.重慶材料研究院有限公司，重慶 400707;2.國(guó)家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707)

熱電阻傳感器具有測(cè)溫范圍大、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好等特點(diǎn)，是一種比較理想的溫度檢測(cè)元件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛應(yīng)用于大氣溫度、燃滑油溫度的采集中［1］。純金屬或稀合金電阻溫度系數(shù)大，電阻-溫度特性曲線復(fù)現(xiàn)性好，是電阻溫度計(jì)的理想材料，其中，Pt、Ni、Fe等過(guò)渡族金屬電阻率較大，加工性能好，常被用作電阻溫度計(jì)材料［2］。根據(jù)各自特點(diǎn)，它們所使用的環(huán)境及溫度范圍有所不同，一般而言，鉑電阻具有測(cè)溫精度高、化學(xué)性能穩(wěn)定可靠、測(cè)溫范圍寬的特點(diǎn)，可作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，廣泛用于工業(yè)測(cè)量中，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。但對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，特別是在較低的溫度條件下，鎳電阻可以部分代替鉑電阻，具有廣泛的應(yīng)用前景。與鉑相比，鎳具有較高的電阻溫度系數(shù)，比鉑高出50%以上，靈敏度較高，在一般情況下鎳絲的化學(xué)性能也比較穩(wěn)定，與氧、氯等元素不起作用，鎳絲還能在表面生成一層致密的氧化鎳，具有保護(hù)作用［3］。鎳絲的可焊性好，同時(shí)價(jià)格低廉。在200℃以下，鎳的電阻溫度特性線性度較好，因此目前機(jī)載電阻溫度傳感器在200℃以下一般采用鎳電阻絲制備［4］。

在國(guó)外，尤其是歐美、俄等國(guó)，鎳電阻得到了普遍的使用，許多國(guó)家已經(jīng)制定了鎳電阻及鎳電阻材料的國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中，被廣泛采用的有德國(guó)的 DIN43760、俄羅斯的ГОСТР8.625-2006等等，美國(guó)科學(xué)儀器制造協(xié)會(huì)也制定出了鎳電阻材料的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。在鉑電阻溫度計(jì)及材料方面國(guó)內(nèi)已經(jīng)有完善的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但鎳電阻及鎳電阻材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有，隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，鎳電阻的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大，在眾多領(lǐng)域得到廣泛使用。

鎳電阻絲常用電阻溫度系數(shù)α來(lái)表示絲材性質(zhì)和電阻的溫度特性［5］:

一般電阻絲材料不同或同一種材料如果含雜質(zhì)與應(yīng)力狀態(tài)不同，電阻溫度系數(shù)也會(huì)不一樣。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)溫用鎳電阻絲采用摻有少量雜質(zhì)的鎳合金制成，電阻溫度系數(shù)主要有2 種，一種是0.00617/℃(俄)或 0.00618/℃(德)，另外一種是0.00672/℃。本文中研制的是一種非標(biāo)準(zhǔn)的鎳電阻絲材，絲材直徑為φ0.05mm，電阻溫度系數(shù)為0.00586/℃，用于某型機(jī)載溫度傳感器。

1 鎳電阻絲制備

1.1 鎳電阻絲成分

金屬與合金的電阻隨溫度升高而增大，但一般高純金屬和稀合金的電阻溫度系數(shù)要大一些。測(cè)溫用鎳電阻絲一般采用純鎳，具有較高的穩(wěn)定性，通過(guò)添加少量合金元素調(diào)整合金電阻溫度系數(shù)。一般金屬稀合金電阻率滿足Matthiessen 定則［6］:

式(2)中:ρa(bǔ)為稀合金電阻率;ρi(c)為受雜質(zhì)濃度影響的殘留電阻率;ρp(T)為受溫度影響的理想電阻率。

可見(jiàn)鎳的電阻率同樣來(lái)自于雜質(zhì)和聲子的散射，調(diào)整鎳的電阻溫度系數(shù)主要是通過(guò)添加微量合金元素，提高鎳電阻合金的電阻率，從而降低其電阻溫度系數(shù)。

本文鎳電阻合金制備采取在高純鎳(Ni≥99.9 wt.%)基礎(chǔ)上，精確添加微量合金元素Cu、Fe等，調(diào)整合金電阻率，使其電阻溫度系數(shù)滿足要求。其中，Cu對(duì)提高鎳合金電阻率和降低電阻溫度系數(shù)的影響程度要高于Fe。

實(shí)驗(yàn)中一共制備了7種成分的鎳電阻合金，其成分如表1所示。

表1 鎳電阻合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 鎳電阻絲制備工藝

實(shí)驗(yàn)中鎳電阻合金絲材制備工藝主要采用真空熔煉加電渣重熔，然后對(duì)合金鑄錠進(jìn)行熱鍛方坯，對(duì)方坯進(jìn)行精細(xì)打磨后，再進(jìn)行熱軋加工，對(duì)熱軋盤圓條進(jìn)行熱處理后，再進(jìn)行反復(fù)拉絲、氫氣保護(hù)熱處理退火，直至拉到成品微細(xì)絲，再進(jìn)行氫氣保護(hù)熱處理退火。

為保證材料純凈度和研制過(guò)程可控，采用高純?cè)牧希渲?，配料中原輔材料為電解鎳(Ni≥99.96%)，工業(yè)純鐵(Fe≥99.0%)，高純電解銅(Cu≥99.6%)，采用高純鎂砂打制熔煉坩堝，控制熔煉真空度優(yōu)于10-3乇，鍛打及熱軋開坯溫度為1150℃。絲材粗拉完成后，微細(xì)絲加工采用精密水箱拉絲機(jī)和818拉絲機(jī)配鉆石模拉制，氫氣保護(hù)氣氛連續(xù)熱處理退火。

1.3 鎳電阻絲熱處理工藝

固溶處理溫度對(duì)固溶態(tài)鎳電阻絲材的電阻率和電阻溫度系數(shù)有明顯影響，冷加工狀態(tài)或不完全充分退火的鎳電阻絲材電阻率較大，電阻溫度系數(shù)較低，這意味著鎳電阻絲在實(shí)際使用過(guò)程中如不充分退火將會(huì)影響其穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中，為獲得最佳熱處理工藝，對(duì)絲材進(jìn)行了氫氣保護(hù)連續(xù)熱處理，處理溫度分別為 550℃、600℃、650℃、700℃、750℃ 和800℃，分析測(cè)試了不同熱處理溫度下鎳電阻絲的電阻溫度系數(shù)。

2 鎳電阻絲電阻溫度特性

鎳電阻絲的室溫電阻率測(cè)試參照GB6146—85《精密電阻合金電阻率測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，電阻溫度系數(shù)α0～100℃測(cè)試參照《GB6148—85精密電阻合金溫度系數(shù)測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)試采用超級(jí)恒溫油槽和8位半寬帶測(cè)試儀進(jìn)行，四線制雙臂電橋法測(cè)量，測(cè)試樣品制備采用在云母片上繞制充分退火的被測(cè)鎳電阻絲，經(jīng)130℃ ×12 h老化后測(cè)試，測(cè)試儀器為恒溫臺(tái)、超級(jí)恒溫油槽和精密數(shù)字電壓表等。

鎳電阻絲電阻率ρ0℃、電阻溫度系數(shù)α0～100℃測(cè)試結(jié)果列于表2，其中7#樣品達(dá)到了設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)要求。3#樣品滿足德國(guó)DIN43760標(biāo)準(zhǔn)。

表2 鎳電阻絲電阻率、電阻溫度系數(shù)

鎳電阻合金電阻率對(duì)Cu的含量較為敏感，要通過(guò)調(diào)整合金中Cu含量來(lái)調(diào)整合金電阻溫度系數(shù)較為困難，對(duì)比1#樣和7#樣，在其他成分基本一致的情況下，較多的Cu使得合金電阻溫度系數(shù)明顯下降，下降幅度達(dá)到230 ppm。為此，在固定合金Cu含量的情況下，調(diào)整Fe含量來(lái)控制合金電阻溫度系數(shù)就方便得多。實(shí)驗(yàn)中，微調(diào)Fe含量制得的7#樣，性能優(yōu)良，符合研制要求。

為研究熱處理工藝對(duì)電阻溫度系數(shù)的影響，熱處理實(shí)驗(yàn)中，對(duì)5#絲材分別采取 550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃氫氣保護(hù)連續(xù)熱處理，測(cè)試其電阻比W100=R100/R0，結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，在700℃以上熱處理，絲材已經(jīng)充分退火，電阻溫度系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖1 鎳電阻絲電阻比隨固溶處理溫度的變化

作為溫度計(jì)量用鎳電阻絲材，其穩(wěn)定性應(yīng)在其允差范圍內(nèi)，參照GBT59977—1999《電阻溫度計(jì)用鉑絲》和JJG160—2007《標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研制的7#鎳電阻絲穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，樣品先在上限溫度240℃保溫250 h處理前后對(duì)比其R0和R100，結(jié)果如表3所示。

表3 鎳電阻絲7#樣品經(jīng)240℃ ×250 h保溫前后的電阻穩(wěn)定性

可見(jiàn)鎳電阻絲經(jīng)上限溫度240℃保溫250 h后，電阻值變化較小，穩(wěn)定性較好，滿足使用要求。將研制的鎳電阻絲材提供給用戶制成溫度傳感器元件，元件性能穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

在目前我國(guó)還沒(méi)有工業(yè)鎳電阻及鎳電阻絲材標(biāo)準(zhǔn)的情況下，通過(guò)多次調(diào)整鎳稀合金微量元素成分，采取合適的熱處理工藝，成功研制了某溫度傳感器用鎳電阻絲材。實(shí)驗(yàn)表明，研制的鎳電阻絲材電阻溫度系數(shù)α=0.00586/℃，滿足使用要求，絲材性能穩(wěn)定，適合于制備機(jī)載鎳電阻溫度傳感器。

［1］高廣華，王雅云.熱電阻傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究［J］.測(cè)控技術(shù)，2012，31(3)：262-266.

［2］孫建國(guó)，黃金泉，葉志峰.現(xiàn)代航空動(dòng)力裝置控制［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2009.

［3］徐蓓娜.鎳熱電阻及其應(yīng)用［J］.功能材料，1993，24(3)：286-288.

［4］國(guó)家自然科學(xué)基金委.金屬材料科學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

［5］功能材料及其應(yīng)用手冊(cè)編寫組.功能材料及其應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［6］馬如璋，蔣民華，徐祖雄.功能材料學(xué)概論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.