dr hab. in

dr hab. in

ż

ż

. Ryszard P

. Ryszard P

awlak, prof. P

awlak, prof. P

Ł

Ł

Fizyka i inżynieria

materiałów

cz.2

materiały przewodzące

Istota Fizyki Ciała Stałego

Fizyka ciała stałego

traktuje o takim stanie materii, który

reprezentuje bardzo duża grupa atomów, powiązanych
chemicznie, tworząc stałe skupiska.

FCS bada jeden z podstawowych stanów materii, występującej
w fazie skondensowanej, zachowującej objętość i kształt.

Rozwój Fizyki ciała stałego jako odrębnej gałęzi fizyki od

ok. 70 lat.

Wcześniej: krystalografia, badania sprężystości, badania
przewodnictwa elektrycznego, badania przewodnictwa
cieplnego…

„Fizyka ciała stałego”

•

Składanie poznanych wcześniej elementów w

makroskopowe ciało stałe (atomy, elektrony, jony)

•

zastosowanie mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej

do wytłumaczenia zjawisk w makroskopowym ciele stałym.

Istota Fizyki Ciała Stałego

Ciało stałe - skupisko wielkiej liczby elementów:

w 1 cm

3

~ 10

23

atomów!!!!!!!!!!

Elektronika półprzewodników:

od tranzystora do mikroprocesora

Lasery:

telekomunikacja,

zastosowania

technologiczne,

zapis i odczyt informacji, medycyna…

Inżynieria materiałowa:

materiały

żaroodporne,

trudnotopliwe,

ferromagnetyki

i

nadprzewodniki,

materiały

cienkowarstwowe, supersieci,

nanomateriały,

polimery fluorescencyjne i przewodzące, materiały

optyczne.

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

FCS /8

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

FCS /9

Tranzystor ostrzowy

grudzień 1947

Bardeen, Bratain, Schockley

~ 25 mm

?????????????

tranzystorów !!!!

Mikroprocesor

rok 2009

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

FCS /11

LASERY

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

FCS /12

LASERY

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

FCS /13

Korekcja soczewki oka

LASERY

Budowa ciał stałych

FCS /15

Powstawanie ciał stałych: ciała krystaliczne

Ciała stałe powstają z cieczy poprzez zestalanie,

najczęściej w wyniku procesu

krystalizacji.

Centra krystalizacji.

Krystalizacja homogeniczna.

Krystalizacja heterogeniczna.

Ciała stałe polikrystaliczne, składające się z wielu

mniejszych kryształów.

Anizotropia.

Monokryształy.

Budowa ciał stałych

FCS /16

Powstawanie ciał stałych:

ciała amorficzne

mogą powstawać poprzez

zwiększenie lepkości cieczy

przy

obniżaniu temperatury.

Brak porządku geometrycznego (może on jednak występować w
obrębie najbliższych sasiadów)

Ciała amorficzne

- niezależnie od prędkości schładzania nie

utworzą struktury krystalicznej, np.: wosk, smoła, lak, asfalt.

Szkła - ciała amorficzne,

które uległy zestaleniu, ponieważ

prędkość schładzania była na tyle duża, iż nie zdążyła powstać
struktura krystaliczna

ciała amorficzne

zestalone w wyniku szybkiego schładzania:

szkła

metaliczne,

które ogrzane powyżej temperatury odszklenia (ale nie

stopione) ulegają krystalizacji.

Budowa ciał stałych

FCS /18

Podstawowe problemy budowy ciał stałych:

• siły występujące pomiędzy atomami, czyli

wiązania chemiczne

• sposób ułożenia atomów w ciele stałym, czyli

struktura krystaliczna

także struktura ciał amorficznych i cząsteczkowych

(polimerów)

Budowa ciał stałych -

wiązania

FCS /34

R

U

U

R

R

O

U

min

Siły przyciągające -

dalekiego zasięgu

konsekwencja: oddziaływania elektromagnetycznego

n

R

b

R

U

)

(

)

(

σ

−

=

−

]

4

[

]

)

(

[

)

(

)

(

)

(

'

12

'

n

n

R

R

b

R

Z

R

b

e

Z

R

U

R

U

R

U

σ

σ

α

σ

λ

ρ

−

⋅

=

=

−

⋅

=

+

=

−

−

+

Budowa ciał stałych -

wiązania

FCS /39

Wiązanie metaliczne

„jony”
(jądra + elektrony
z powłok wewnętrznych)

elektrony

Rodzaje wiązań w kryształach



wiązanie jonowe



wiązanie kowalencyjne



wiązanie metaliczne



wiązanie van der Waalsa



wiązanie wodorowe

Jak dużo jest defektów?

Defekty punktowe

Dla miedzi w pobliżu temperatury topnienia (1356 K)
udział wakansów wynosi ok. 0,1 % at., co oznacza, iż

1 atom na ok. 1300

nie jest na

„swoim”

miejscu

Struktura krystaliczna

- defekty

Dyslokacje liniowe

w metalach wyżarzonych rzędu

10

6

linii/cm

3

,

po silnych odkształceniach plastycznych

>10

12

linii/cm

3

Istnienie dyslokacji tłumaczy, dlaczego obserwowane wytrzymałości
mechaniczne materiałów są 10

3

-10

4

razy mniejsze od teoretycznych

(materiałów bez defektów).

Właściwości rzeczywistych ciał stałych silnie zależą od

„odstępstw”

od idealnej budowy, czyli

defektów struktury

Elektrony w sieci krystalicznej

E

dielektryk przewodnik

półprzewodnik

Pasma wewnętrzne
„(całkowicie zapełnione)

Pasma
zabronione

Pasma
walencyjne

Pasma
przewodnictwa

0

Ruch elektronów, zjawiska transportu

Zmiana rozkładu statystycznego energii elektronów

(zmiana

funkcji rozkładu)

w wyniku działania pola elektrycznego

k

F

-k

F

k

x

k

y

k

z

k

x

f

0

k

F

k

F

-k

F

k

x

f-f

0

0

0

t

E

e

k

∂

−

=

∂

h

Zewnętrzne pole elektryczne powoduje tylko
przesunięcie kuli Fermiego zgodnie z
gradientem pola; zmiana obejmuje tylko
elektrony o wektorach falowych

k~ k

F

Według de Broglie’a każdą cząstkę materialną można
opisać równaniem fali reprezentowanej przez wektor
falowy

k

; jednocześnie cząstka ta posiada pęd

Zbiór wartości pędów elektronów (3 składowe

p

x

, p

y

, p

z

)

lub wartości wektora falowego (

k

x

, k

y

, k

z

) nazywa się

kulą Fermiego.

W równowadze termodynamicznej

stany energetyczne zajęte przez elektrony znajdują się

wewnątrz kuli Fermiego, pozostałe stany są puste.

k

p

r

h

r

=

Materiały przewodzące

Zjawiska:

Prądu elektrycznego

Oporu elektrycznego

Temperaturowej zależności oporu

Ruch elektronów, zjawiska transportu

Równanie ruchu elektronu pod wpływem pola elektrycznego:

eE

mv

dt

dv

m

d

−

=

+

τ

1

eE

F

−

=

W rzeczywistości

nie obserwujemy ruchu przyspieszonego elektronów

,

ponieważ wytracają one część energii

wskutek zderzeń z drgającymi

węzłami sieci krystalicznej

(tzw. rozpraszanie na fononach) oraz

rozpraszania na domieszkach oraz defektach sieci

. Ich ruch w kierunku pola

odbywa się ze stałą średnią prędkością, tzw. prędkością dryfu

v

d

.

Ruch elektronów, zjawiska transportu

jeżeli dv/dt=0

m

eE

v

d

τ

−

=

d

nev

j

−

=

m

ne

E

j

τ

=

=

γ

2

F

śr

v

l

=

τ

F

śr

mv

ne l

2

=

γ

Z obliczeń wynika, że

v

d

≈50 m/s

, podczas gdy

v

F

≈10

6

m/s

4K

temp.

w

s

10

τ

300K

temp.

w

s

10

τ

9

14

−

−

≈

≈

m

10

v

τ

m

10

v

τ

3

F

śr

8

F

śr

−

−

≈

×

=

≈

×

=

l

l

Opór elektryczny – zależność temperaturowa

( )

( )

(

)(

)

∫

Θ

−













−

−

Θ

ρ













Θ

=

ρ

T

R

x

x

R

R

dx

e

e

x

T

T

0

5

5

1

1

4

dla niskich temperatur

( )

5

~ T

T

ρ

F

śr

mv

ne l

2

=

γ

Pozornie konduktywność nie zależy od temperatury!!!!

dla wysokich temperatur

( )

T

T ~

ρ



Zależność

Blocha-Grüneisena

charakteryzuje

zależność

temperaturową

rezystywności

w czystych metalach

, kiedy

zakłócenie jest wynikiem przemieszczeń atomów na skutek drgań
związanych ze wzbudzeniem termicznym;

Zmiana rezystywności, kiedy atom domieszki zastępuje atom
rozpuszczalnika w macierzystej sieci krystalicznej, może wynikać:



z zaburzenia w okresowości położenia sąsiednich atomów na

skutek pola odkształcenia otaczającego domieszkę;



ze zmiany potencjału w pozycji węzłowej, który wynika z

wprowadzenia atomu domieszki;

Przewodnictwo stopów

Założenia:



stop jest dostateczne niskoprocentowy → elektron

przewodnictwa oddziałuje w dowolnej chwili na tylko
jedną domieszkę



stop można traktować jako zawierający dwa dominujące

i niezależne mechanizmy rozpraszania: rozpraszanie
domieszkowe i rozpraszanie fononowe.

Przewodnictwo stopów

(

)

( )

( )

c

T

T

c

d

f

st

ρ

+

ρ

=

ρ

,

Reguła Matthiessena –

A. Matthiessen, C. Vogt 1864

st

st

d

f

st

ττττ

ττττ

ττττ

1

1

1

++++

====

[

]

2

Ze

n

d

d

∆

ρ ~

Przewodnictwo stopów

[

]

A

A

d

x

Cx

−

=

ρ

1

Stopy rozcieńczone

Stopy stężone

AuCu

3

i AuCu

– stopy uporządkowane

CuAu

Cu Au

3

Miedź

Rezystywność defektów struktury

Dla Cu blisko temperatury topnienia (1356K)

rezystywność resztkowa

wakansów

ρ

v

≅ 0.17 ×10

-8

Ωm, a czystej Cu ≅10.3 ×10

-8

Ωm, czyli udział

jest rzędu 1.7%

rezystywność wakansów istotna w dokładnych pomiarach w wyższych
temp.,

zawsze ważna w metalach po silnej obróbce plastycznej

W metalach poddanych silnym odkształceniom plastycznym na zimno
liczba dyslokacji >10

12

cm/cm

3

rezystywność dyslokacji

ρ

dys

= 0.2

µΩcm , ρ

Cu

= 1,69

µΩcm

udział rezystywności dyslokacji istotny nawet w temp. pokojowej

dla miedzi drobnoziarnistej (d

≅0.25 µm)

rezystywność granic ziarnowych

ρ

gz

≈ 0.1×10

-6

Ωcm, rezystywności czystej miedzi ρ

Cu

=1.69 10

-6

Ωcm

w materiałach nanokrystalicznych udział rezystywności granic ziaren
jeszcze bardziej znaczący

Materiały przewodzące

Zastosowania materiałów przewodzących

rezystory

przewody

warstwowe

układów
scalonych

indywidualne

ścieżki

Wymagania stawiane

materiałom

przewodzącym

d

ru

ty

o

r

ó

z

n

y

m

p

ro

fi

lu

o

b

w

o

d

y

d

ru

k

o

w

a

n

e

g

ru

b

e

c

ie

n

k

ie

p

o

la

k

o

n

ta

k

to

w

e

w

a

rs

tw

y

c

ie

n

k

ie

w

a

rs

tw

y

g

ru

b

e

d

ru

to

w

e

p

o

m

ia

ro

w

e

d

ru

to

w

e

g

rz

e

jn

e

w

a

rs

tw

o

w

e

m

a

te

ri

a

ły

s

ty

k

o

w

e

s

p

o

iw

a

i

l

u

ty

duża wartość

konduktywności

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

duża rezystywność

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

stabilność w czasie

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

niski poziom szumów

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

mała wartość TWR oraz

NWR

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

odporność na korozję

atmosferyczną

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

wytrzymałość

mechaniczna

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

Materiały przewodzące

Zastosowania materiałów przewodzących

rezystory

przewody

warstwowe

układów
scalonych

indywidualne

ścieżki

Wymagania stawiane

materiałom

przewodzącym

d

ru

ty

o

r

ó

z

n

y

m

p

ro

fi

lu

o

b

w

o

d

y

d

ru

k

o

w

a

n

e

g

ru

b

e

c

ie

n

k

ie

p

o

la

k

o

n

ta

k

to

w

e

w

a

rs

tw

y

c

ie

n

k

ie

w

a

rs

tw

y

g

ru

b

e

d

ru

to

w

e

p

o

m

ia

ro

w

e

d

ru

to

w

e

g

rz

e

jn

e

w

a

rs

tw

o

w

e

m

a

te

ri

a

ły

s

ty

k

o

w

e

s

p

o

iw

a

i

l

u

ty

dobra przewodność

cieplna

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

odporność na

wysokie temperatury

∝

∝

∝

∝

adhezja do podłoża

i innych warstw

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

lutowność

(podatność na

dołączanie)

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

∝

odporność na

elektromigrację

∝

∝

∝

∝

Materiały przewodzące



10.11.2010 r.

Charakterystyka materiałów przewodzących

Podział materiałów przewodzących ze względu na
budowę i rodzaj przewodnictwa (1):



polikrystaliczne metale i ich stopy

(kilkadziesiąt

spośród 80 000)



amorficzne stopy metaliczne

(szkła metaliczne).

Materiały metaliczne cechuje przewodnictwo elektryczne
typu metalicznego

oraz

dodatni

temperaturowy współczynnik rezystywności.

Charakterystyka materiałów przewodzących

Podział materiałów przewodzących ze względu na
budowę i rodzaj przewodnictwa (2):

Bardzo liczna grupa kompozytów:



materiały cermetowe na oporniki warstwowe



kompozyty o matrycy metalicznej i wypełnieniu

niemetalicznym, np.: materiały stykowe, spoiwa,

materiały na szczotki.

Rodzaj i wartość przewodnictwa materiałów kompozytowych
zależy od składu i technologii wytwarzania, przy czym
temperaturowy współczynnik rezystywności przyjmuje
wartości

dodatnie lub ujemne.

Charakterystyka materiałów przewodzących

Podział materiałów przewodzących ze względu na
formę i zastosowanie (1):

Materiały o największej konduktywności (

γγγγ

> 10 MS/m):



przewody sieci zasilającej (instalacji),



do połączeń elementów indywidualnych oraz urządzeń

z siecią



do wykonywania elementów indukcyjnych (uzwojeń)



w postaci warstw (przewodów płaskich) na podłożach

izolacyjnych w elektronice i mikroelektronice;

(jako ścieżki obwodów drukowanych lub w roli elementów biernych
układów scalonych monolitycznych, cienkowarstwowych
i grubowarstwowych - ścieżki przewodzące, okładki kondensatorów
warstwowych lub pola kontaktowe)

Charakterystyka materiałów przewodzących

Podział materiałów przewodzących ze względu na
formę i zastosowanie (1):

Materiały o największej konduktywności (

γγγγ

> 10 MS/m) c.d.:



materiały stykowe



materiały na elementy emisyjne

(żarniki żarówek, elektrody świetlówek, katody lamp elektronowych

dział elektronowych (lampy wizyjne, mikroskopy elektronowe).



spoiwa i luty;

(przeważnie podwójne lub potrójne stopy metaliczne, np.: Sn-Pb,

Sn-Pb-Sb, Sn-Ag, Cu-Si-Mn, Cu-Ag-Si, Ag-Cu-Zn, Al-Si-Fe).

Charakterystyka materiałów przewodzących

Podział materiałów przewodzących ze względu na
formę i zastosowanie (2):

Materiały o małej konduktywności (

γγγγ

< 2 MS/m)



metaliczne na rezystory indywidualne oraz

rezystory warstwowe w układach mikroelektronicznych;

(stopy metali na rezystory w postaci drutów lub taśm; przy wyższych

częstotliwościach jako elementy warstwowe (wielowarstwowe),

również w układach hybrydowych)



kompozyty rezystywne

(1

0

– kompozyty o

fazie przewodzącej z metali, ich tlenków lub węgla

,

zawieszonych z wypełniaczami w fazie wiążącej (żywice organiczne);

2

0

- wypalane kompozyty (cermety), z cząstek fazy przewodzącej

(PdO + Ag, RuO

2

)

i szkliwa.

Charakterystyka materiałów przewodzących

Podział materiałów przewodzących ze względu na
formę i zastosowanie (3):

Materiały, których najważniejszą cechą użytkową

nie jest

wartość konduktywności



metaliczne materiały ferromagnetyczne



materiały kompozytowe na ekrany kabli i osłony

Miedź czy aluminium?

ze

temperatur

samej

tej

i

wymiarach

samych

tych

o

Al

oraz

Cu

drutu

porównanie

Cu

Cu

Cu

Al

Cu

Al

Al

Al

Cu

Cu

I

I

I

I

I

I

775

.

0

58

6

,

34

2

2

≈

=

=

=

γ

γ

γ

γ

S

l

kI

R

kI

γ

ϑ

2

2

=

=

przewodu

a

temperatur

ustalona

Miedź czy aluminium?

Aby zapewnić tę samą moc urządzenia w przypadku
zastosowania drutów Al, należałoby zwiększyć przekrój drutu.

67

.

1

6

,

34

58 ≈

=

=

=

=

Al

Cu

Cu

Al

Al

Al

Cu

Cu

S

S

S

l

S

l

R

γ

γ

γ

γ

Przekrój równoważnego przewodu Al jest

1.67

razy większy

Miedź czy aluminium?

5

0

9

8

7

2

67

1

.

.

.

.

≈

=

=

Cul

Cu

Al

Al

Cu

Al

d

lS

d

lS

m

m

równoważny przewód Al ma

dwukrotnie mniejszą

masę.

Druty nawojowe tylko miedziane.

Aluminium jest podstawowym materiałem

przewodowym w przypadku:

• gołych przewodów napowietrznych elektroenergetycznych

linii przesyłowych

• przewodów sieci rozdzielczych

• kabli ziemnych

• przewodów instalacyjnych do zakładania na stałe.

Miedź czy aluminium?

Miedź (droższa

)

 niezbędna na żyły izolowanych przewodów giętkich, do

odbiorników ruchomych (windy) przenośnych (żelazka,
kuchenki) – tylko linki splecione z cienkich drutów Cu
wykazują dostateczną odporność na wielokrotne zginanie.

 niezbędna na izolowane przewody instalacyjne zakładane

na stałe, gdy są narażone na wstrząsy i drgania (dźwigi,
suwnice, żurawie, elektrowozy) lub narażone środowiskowo
(przemysł chemiczny, zagrożenie wybuchem, pożarem,
iskrzeniem)

 niezbędna na izolowane przewody instalacji

zabezpieczających (ruch pociągów, urządzenia alarmowe
kopalni itp.)

 niezbędna na przewody nawojowe maszyn elektrycznych,

transformatorów, dławików, elektromagnesów.

Miedź

 czerwona barwa

,

metaliczny połysk

 konduktywność 58 MS/m; TWR = 0.00393 1/K

 gęstość 8.89 × 10

3

kg/m

3

(walcówka o średnicy ok. 7 mm)

 Zależność właściwości od utwardzenia – wyżarzanie w

500

o

C

 γγγγ

min

= 57 MS/m dla drutów gołych, i 54 MS/m dla pokr. Sn

Cechy miedzi przewodowej:

Miedź

 Łatwość pochłaniania gazów – porowatość, odlewów

 wytrzymałość min. na rozciąganie196 MN/m

2

dla drutów

grubych i 256 MN/m

2

dla drutów cienkich

 dobra odporność na utlenianie w zakresie temperatur pracy,

 w powietrzu wilgotnym i obecności CO

2

pokrywa się patyną

CuCO

3

* CuOH

2

(grynszpan, śniedź), nieodporność na S (w

izolacji gumowej - Sn)

Cechy miedzi przewodowej:

Miedź

Druty nawojowe

o przekroju kołowym lub prostokątnym (zaokrąglone

krawędzie)

DNE – izolacja z lakieru utwardzonego z żywicy syntetycznej,

średnica 0.05 do 3 mm, do nawijania maszynowego.

DNBB - średnica 0.2 do 5.2 mm, grubsze prostokątne 2-30

mm × 0.7-10 mm; uzwojenia maszyn i aparatów

DNP – izolacja z taśmy papierowej 0.05×10 mm, uzwojenia

transformatorów olejowych (nie zanieczyszczają oleju)

DNSS – podwójny oprzęd szklany, nasycony lakierem

giftalowym lub silikonowym – odporność na nagrzanie

Miedź

Przewody instalacyjne

typowe przekroje w mm

2

:

0.5; 0.75; 1; 1.5; 2.5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95;
120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 625; 800; 1000

do zakładania na stałe

w izolacji polwinitowej DY; LY albo gumowej DG; LG;



druty o średnicy 1 – 10 mm

2

, układane w rurkach;



linki 1.5 – 300 mm

2

;



przewody podtynkowe DYt, 1.5 – 2.5 mm

2

dwu lub

trójżyłowe; podwójna izolacja polwinitowa;

Miedź

do odbiorników ruchomych i przenośnych

 przewody miedziane giętkie, do urządzeń przemysłowych:

windy, suwnice, tramwaje, elektrowozy oraz urządzeń
przenośnych: elektronarzędzia, odbiorniki powszechnego
użytku (radiowe, telewizyjne, komputery, lodówki, suszarki
itp.); żyły przewodów - linki splecione z cienkich drutów;

Miedź

do odbiorników ruchomych i przenośnych

 sznury mieszkaniowe:

 dwużyłowe płaskie (0.35 – 0.75 mm

2

) w podwójnej izolacji

polwinitowej SMYp

 oponowe dwużyłowe lub trójżyłowe (0.5 – 1.5 mm

2

) w

podwójnej izolacji polwinitowej OMY

Miedź

do odbiorników ruchomych i przenośnych

 przewody oponowe

:

dwu- trój- czterożyłowe (0.75 – 2.5 mm

2

) w podwójnej

izolacji gumowej

Aluminium

Cechy aluminium przewodowego:

 barwa srebrzysta, metaliczny połysk, 99,5% Al; przeciągane

na zimno i wyżarzane w 350

o

C; łatwe walcowanie

 konduktywność 34.8 MS/m; TWR 0.004 1/K

 gęstość

2.7 × 10

3

kg/m

3

 wytrzymałość twardego

176

MN/m

2

, półtwardego

127

MN/m

2

Aluminium

Cechy aluminium przewodowego (c.d.):

 bardzo łatwo się utlenia (w ciągu

kilku s

kilkadziesiąt nm

), w

końcu ok. 500 nm szczelnej powłoki chroniącej przed dalszym
utlenianiem, o wybitnych właściwościach izolacyjnych –
trudne lutowanie

 zjawisko pełzania – wzrost odkształcenia w czasie działania

stałego naprężenia

 korozja elektrolityczna

w styku z miedzią w obecności H

2

O

Aluminium

Przewody aluminiowe



przewody napowietrznych linii przesyłowych:

linki od 16

mm

2

(7 × 1.7 mm) do 300 mm

2

(61 × 2.5 mm) z aluminium

twardego, przy większych rozpiętościach stop aldrej (0.5%
Mg; 0.7% Si; 0.3% Fe) – 31 MS/m

Aluminium

Przewody aluminiowe



linki stalowo – aluminiowe

Stalowo - aluminiowe

Stalowo – aluminiowe

segmentowe

Aluminium

Przewody aluminiowe



kable ziemne: do 10 kV linki o przekroju sektorowym

3×10 mm

2

do 3×240 mm

2

Aluminium

Przewody aluminiowe (c.d.)



przewody instalacyjne:

ADY i ALY; podtynkowe ALYt; ADYt



niektóre uzwojenia:

zwarte uzwojenia silników klatkowych w

postaci odlewów; wirniki szybkobieżnych prądnic
synchronicznych dużych mocy (zmniejszenie siły
odśrodkowej);



uzwojenia z folii Al anodyzowanej– 200-300

µm Al

2

O

3



17.11.2011 r.

Elektrotechniczne stopy miedzi

Mosiądze

– stopy miedzi zawierające cynk (Zn)

Brązy

- stopy miedzi nie zawierające cynku

Mosiądze (TWR

≅≅≅≅ 0.0017 1/K):

do tłoczenia

– CuZn37 – łączniki, oprawki żarówek,

bezpieczniki;

do skrawania

– CuZn40Pb2 – śruby, wkręty, podkładki

elementów przewodzących

do odlewów

– CuZn39Pb2 – mały skurcz odlewniczy (1.4%)

Elektrotechniczne stopy miedzi

Brązy:

kadmowy (0.9 %Cd)

– b. duża odporność na ścieranie

(4*>Cu), dobra konduktywność (90 %

γγγγ

cu

); zastosowanie –

przewody jezdne trakcji elektrycznej;

Elektrotechniczne stopy miedzi

Brązy:

Berylowy (2,25% Be)

– wytrzymałość na rozciąganie 1300

MN/m

2

; wycinki komutatorów maszyn elektrycznych,

elektrody zgrzewarek;

Elektrotechniczne stopy miedzi

Brązy (c.d.):

Fosforowy (10% Sn, 1% P)

– mały współczynnik tarcia

względem stali,; łożyska ślizgowe maszyn elektrycznych

Fosforowy (7% Sn, 1% P)

– styki sprężynujące;

Krzemowy (1,15% Sn, 0,05% Si)

– duża wytrzymałość

(540 MN/m

2

) i sprężystość – na styki sprężynujące;

Tellurowy (0,5% Te)

–

γγγγ≅≅≅≅γγγγ

cu

; do wyrobu elementów

przewodzących wymagających obróbki skrawaniem;

Srebro

Otrzymywanie -

produkt uboczny przy przeróbce rud cynku,

ołowiu i miedzi; rafinacja elektrolityczna

Ag - najlepszy przewodnik prądu,

γγγγ

Ag

= 62 MS/m

Właściwości srebra

:



odporne na wpływy atmosferyczne i tlen



podatne na korozję; w obecności siarkowodoru pokrywa
się brunatnym nieprzewodzącym nalotem



jest miękkie



doskonale obrabia się na zimno, daje się walcować na



bardzo cienkie folie i wyciągać na bardzo cienkie druty



łatwe do lutowania



duża migracja



duża ścieralność

Srebro

Zastosowanie:



do wykonywania styków



do powlekania metali np: rurek w urządzeniach o
wielkich częstotliwościach



do powlekania ceramiki jako okładziny kondensatorów



jako składnik past przewodzących

Złoto

Otrzymywanie

- produkt „uboczny” przy elektrolitycznej

rafinacji srebra lub miedzi

Trzeci po srebrze i miedzi przewodnik prądu,

γγγγ

Au

= 48 MS/m

Właściwości:

 odporne na korozję i działanie większości kwasów i zasad

 duża plastyczność, jest bardzo miękkie

 niekorzystne właściwości wytrzymałościowe

Zastosowanie:

 srebrne powłoki na podkładki w mikroelektronice

 druty połączeniowe w mikroelektronice

 składnik past przewodzących

 do pokrywania styków

Cyna

Właściwości:



odporna na działanie czynników atmosferycznych i wody
oraz kwasów i substancji organicznych



jest miękka i niskotopliwa, 232

o

C



walcuje się na cienkie folie

Zastosowanie:



pokrywanie przewodów Cu w styku z gumą



folia kondensatorowa (okładki)
składnik stopów lutowniczych



do pokrywania mozaiki na płytkach drukowanych

Ołów

Właściwości:



Odporny na działanie tlenu, wody i kwasów
nieorganicznych (z wyjątkiem stężonego HNO

3

);

rozpuszcza się w kwasach nieorganicznych i zasadach



Ciężki (11,3 t/m

3

), miękki i niskotopliwy, 327

o

C



Plastyczny, walcuje się na cienkie folie



Nieprzenikalny dla wody i wilgoci

Zastosowanie:



Szczelne powłoki kabli ziemnych



Do wyrobu płyt akumulatorowych (z dodatkiem 9% Sb)



Składnik stopów lutowniczych –

wycofywany z użycia

Wolfram

Otrzymywanie:



Proszek wolframowy otrzymywany chemicznie z rud

wolframian sodu (Na

2

WO

4

), kwas wolframowy (H

2

WO

4

) i

trójtlenek wolframu (WO

3

) ostatecznie redukowany

wodorem do czystego metalu



Proszek wolframowy prasowany pod ciśnieniem 200
MN/m

2

w stalowej formie do postaci spójnej, ale kruchej

sztaby;



Spiekany w atmosferze wodoru, uzyskuje 60 – 70%
całkowitej gęstości, z minimalnym wzrostem ziaren;

Wolfram

Otrzymywanie:



Ostateczne

spiekanie i
zagęszczanie prądem
do wartości 85 – 95%,
przy skurczeniu o
15%;

w sztabie pojawiają
się większe kryształy;

Wolfram



Kruchy w temp.

pokojowej, poddawany
uplastycznieniu przez
podgrzanie do 1200 –
1300

o



Poddawany

młotkowaniu (10000
uderzeń na minutę)
przez specyficzne
oczka w kształcie
młotków; Każde
przeciągnięcie
redukuje średnicę o
12%, do końcowej
wartości 2.5–4.5 mm



Ziarna wydłużają się do

włókien; pośrednie wyżarzanie

Wolfram



Ostateczne przeciąganie przez oczka

diamentowe do średnicy nawet poniżej
10

µm (

1/10

grubości włosa!!)

Wolfram

Właściwości:



Srebrzystobiały, kowalny , twardy



Najtrudniejtopliwy, 3370

o

C



Bardzo ciężki (19,2 t/m

3

)



Może pracować w temp. białego żaru do 2500

o

C, (w

atmosferze gazu obojętnego lub próżni)

Zastosowanie:



śarniki żarówek (skrętki z drutu o średnicy

8 do 15

µm

)



Elektrody świetlówek



śarzone katody lamp elektronowych i wizyjnych



Styki elektryczne

Materiały rezystywne (stopy oporowe)

Stopy na oporniki pomiarowe - w

ymagania:



duża rezystywność



Niezmienność parametrów w czasie



Mała siła termoelektryczna względem Cu

Manganin, izabelin

Cu86Mn12Ni2



ρ = 0,46µΩm



TWR = 0,00003 1/

o

C



STE/Cu = 1

µV/

o

C

Konstantan

Cu55Ni45



ρ = 0,48µΩm



TWR = 0,00002 1/

o

C



STE/Cu = -42,6

µV/

o

C

Materiały rezystywne (stopy oporowe)

Stopy na oporniki regulacyjne

Konstantan

Nikielina

Cu54Ni26Zn20

śeliwo stopowe

Zamieniany stop
grzejny

Zmniejszenie masy
przy tej samej
średnicy %

Zmniejszenie masy
przy tym samym
obciążeniu
powierzchniowym %

NiCr 80/20 →
KANTHAL D

31

6

NiCrFe 60/15/25 →
KANTHAL D

25

7

NiCrFe 35/20/45 →
KANTHAL D

20

4

Materiały rezystywne (stopy oporowe)

Kanthal D

– Cr 22, Al – 4,8; reszta– Fe

Temp. max. – 1300

o

C



24.11.2010 r.

Materiały na styki elektryczne

Zadania styków

Przebieg procesu łączenia

Zużywanie się styków – mechaniczne, łukowe,
wskutek sczepiania (zespawywania)

Materiały na styki elektryczne

Materiał stykowy idealny:



bardzo dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne



duża wytrzymałość mechaniczna



duża (umiarkowana) twardość



odporność chemiczna oraz odporność na
tworzenie się warstw nalotowych



odporność na erozję w łuku elektrycznym

Wymagania stawiane materiałom stykowym

Materiały na styki elektryczne

Ag

- T

t

= 961

0

C, duża wartość

γ

oraz

K

,

odporność na utlenianie, nieodporne na środowisko
zawierające siarkę;

Ag+Ni

(zawartość Ni 10 – 40%)

AgCdO

- dawniej

AgSnO

2

– obecnie

W-Ag; W-Cu

- spieki wolframowe nasycone Ag lub Cu

CuCr

- styki wysokonapięciowe

Au, Pd, Pt

Spoiwa i luty

Zadania

dobre zespojenie przewodów (elementów
przewodzących), zapewniające wytrzymałość
mechaniczną i dobre przewodzenie prądu;

luty miękkie

T

t

<300

0

C; R

r

=50 MN/m

2

63Sn37Pb; T

t

= 220

o

C; PbSn50; T

t

= 209

o

C;

bezołowiowe

96.5Sn/3.5Ag,

58Bi/42Sn

, 90Sn/2Ag/7.5Bi/0.5Cu,

95Sn/5Sb

,

96.7Sn/2Ag/0.8Cu/0.5Sb;

luty twarde

T

t

>500

0

C; R

r

=350 MN/m

2

(gdy pożądana jest odporność

na zmienne nagrzewanie)

mosiądz CuZn37

; T

t

= 910

0

C

AgCu25Zn2 spoiwo srebrne

(lut srebrny) – T

t

= 715

0

C;

konieczny topnik – boraks NaB

4

O

7

luty do lutowania przewodów aluminiowych

ZnSn40; T

t

=300

0

C; topniki

ZnAl14; T

t

=600

0

C; lutowanie ultradźwiękowe (20 kHz)

Spoiwa i luty

Materiały termoelektrodowe

Typ

termo-

pary

Rodzaj stopu na

elektrody

Zakres

temperatur

[

o

C]

Siła

termoelektryczna

(napięcie) [µV]

J

Fe - CuNi

0 - 700

0 – 39,13

K

NiCr - Ni

0 - 1200

0 – 48,828

R

PtRh 87/13 - Pt

0 - 1600

0 – 18,842

S

PtRh 90/10 - Pt

0 - 1600

0 – 16,771

B

PtRh 70/30 - Pt/Rh

94/6

0 - 1800

0 – 13,585