STRUKTURY MATERIAŁÓW
jakie parametry komorki elementarnej sieci krystalograficznej okreslają jej kształt i wielkość---długosc krawędzi oraz kąty.
Rodzaje defektów--- punktowe( atomy są w lukach a nie w węzłach lub w tych miejscach atom innego pierwiastka…
liniowy(brak ciągłości określonej warstwy czastek wew kryształu… powierzchniowe(wewnętrzne
powierzchnie graniczne oddzielające sąsiednie ziarna krystaliczne)
W jakim roztworze stałym jego składniki lokują się w węzłach sieci krystalograficznej--- chyba Au-Cu/ Au-Ag
Jakie składniki tworzą podstawową strukturę materiałów ceramicznych i szkieł---w ceramice, związki z kompleksem
SiO2 i Al2O3 i tlenki K2O, MgO, BaO, czasem z bonusem CaO, TiO2. … Szkła (krzemy) NaCl6, Na6Cl, tak mają tlenki
CaO, MgO, BaO, ---Składniki szkłotwórcze SiO2 czy Al2O3 potem składniki modyfikujące Na2O, K2O, CaO.
Jakie elementy makrocząsteczek polimerów organicznych mają wpływ na ich twardość i wytrzymałość?---
silne wiązanie międzyatomowe łączącymi poprzecznie sąsiednie makrocząsteczki. Np. duroplasty.
MATERIAŁY PRZEWODZACE
Jaki znak ma TWR przewodzących ( metaliki )---Dodatni Pod jaką własnością miedź jest lepsza niż aluminium
jako rdzeń przewodów---Cu ma większą przedownosc. Z czego są rezystory w scalakach---stop Cr-Ni, Cr-Ti.
Jakei własności powinny mieć materialy na styki łączników małej mocy---wysoka temp topnienia, odporny
na utlenianie i sklejanie stykow.Jakie są ważne własności przy wyborze materialu na
rezystor grzejny---wysoka temp pracy, odporna na korozje,
Różnorodność materiałów elektrotechnicznych
cztery podstawowe czynniki decydujące o własnościach materiałów:
skład chemiczny (określone pierwiastki i związki chemiczne wchodzące w skład materiału),
rodzaje i siły wiązań między poszczególnymi cząstkami(atomami, jonami, cząsteczkami),
układ przestrzenny cząstek (określone struktury krystaliczne lub ich brak), stan termodynamiczny
(wartości funkcji stanu: energia wewnętrzna, entalpia, entropia).Wiązania międzyatomowe
i międzycząsteczkowe spójność: określona wytrzymałość na działanie sił zewnętrznych
cecha materiałów stałych i ciekłych Wiązania międzyatomowe - energia wiązania: kilkaset kJ/mol
- dążność do uzyskania kompletu elektronów w ostatniej powłoce wiązania jonowe: atomy
różnych pierwiastków wymiana elektronów walencyjnych wiązania kowalencyjne: - atomy
tego samego pierwiastka - uwspólnienie elektronów wiązania pośrednie jonowo-kowalencyjne:
elektroujemność wg Paulinga dążność atomu w cząsteczce do przyciągania elektronów
E = (PJ + PE)/130
pierwiastek: Si C O
E: 1,90 2,55 3,44
Si-O E = 1,54 wiązanie jonowo-kowalencyjne
50 % + 50 %
SiC E = 0,65 wiązanie jonowo-kowalencyjne
20 % + 80 %
wiązania metaliczne: metale i połączenia międzymetaliczne liczba elektronów walencyjnych < 4
Wiązania międzycząsteczkowe - energia wiązania: od ułamków do kilkudziesięciu kJ/mol -
występują między cząsteczkami, w których atomy są już związane wiązaniami międzyatomowymi
wiązania wodorowe: atom wodoru - prawie nie osłonięte dodatnie jądro oscylując zakłóca rozkład
ładunku sąsiednich atomów elektroujemnych wiązania dipol-dipol: dipole naturalne dipole
indukowane wiązania dyspersyjne Ciała stałe krystaliczne struktura krystaliczna: regularny
układ przestrzenny cząstek przestrzenna sieć krystalograficzna: określa uporządkowane ułożenie
cząstek komórka elementarna: - najmniejszy powtarzający się element sieci krystalicznej monokryształy
idealne uporządkowanie dużej objętości (1 mm - 1 m) polikryształy - ziarna krystaliczne > 1 m
(~104 atomów w 1 linii) Odmiany alotropowe żelaza(promień atomu Fe, rA = 0,14 nm) żelazo α
trwałe do temperatury Curie (768 °C), ferromagnetyk, sieć regularna przestrzennie centrowana,
A2, a = 0,286 nm żelazo β trwałe w zakresie 768 - 910 °C,paramagnetyk, sieć regularna przestrzennie
centrowana, A2, a = 0,290 nm żelazo γ trwałe w zakresie 910 - 1400 °C, sieć regularna ściennie
centrowana, A1, a = 0,364 nm żelazo δ trwałe od 1400 do 1535 °C (temperatura topnienia),
sieć regularna przestrzennie centrowana, A2, a = 0,293 nm
Struktury stopów metalicznych stop metaliczny: połączenie dwóch lub więcej składników
spójne makroskopowo jednorodne ciało krystaliczne własności metaliczne uzyskiwanie stopów:
- stopienie składników i zmieszanie ich w stanie ciekłym zmieszanie sproszkowanych składników
, sprasowanie i spiekanie jednoczesna redukcja jonów różnych pierwiastków na katodzie
fazy stopowe krystaliczne: różnią się własnościami wynikającymi z odmiennego składu lub
struktury częściowo metaliczne i niemetaliczne składniki stopów: C, Si, Ge, N, P, O, S, Se, Te
stop metaliczny = roztwór stały
rodzaj roztworu stałego zależy od:- wielkości atomów struktury
krystalicznej powinowactwa elektronowego wartościowości Roztwory stałe podstawowe:
różnowęzłowe międzywęzłowe roztwór stały różnowęzłowy podstawowy: atomy różnych
pierwiastków w węzłach sieci krystalicznej warunki: - zbliżone promienie atomowe - jednakowa
struktura krystaliczna - zbliżone wartości powinowactwa elektronowego- przykłady: Au-Cu, Au-Ag,
Cu-Ni, Sb-Bi, Mo-W roztwór stały międzywęzłowy podstawowy: atomy pierwiastka metalicznego
(rozpuszczalnik) Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Pd, Ti, V, W atomy pierwiastków o małych średnicach
(B, C, H, N) w lukach rozpuszczalnik ograniczona rozpuszczalnośćRoztwory stałe wtórne
struktury różniące się od struktury składnika podstawowego roztwór stały różnowęzłowy wtórny:
fazy o gęstym wypełnieniu przestrzeni - MgCu2, MgZn2, TiCr2 fazy elektronowe - 21/14, 21/13, 21/12
- CuZn, Cu3Al, FeAl fazy o wiązaniach metaliczno-jonowych lub metaliczno-kowalencyjnych
roztwór stały międzywęzłowy wtórny: udział składników dodatkowych porównywalny z udziałem
składnika podstawowego M: Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Pd, Ti, V, W X: B, C, H, N fazy międzywęzłowe
proste - rX/rM 0,59 fazy międzywęzłowe złożone - rX/rM > 0,59 Defekty struktur krystalicznych
struktura ciał krystalicznych rzeczywistych jest odległa od idealnej
rodzaje defektów: Defekty
punktowe sieci krystalicznej:1 wakans 2 atom w luce między-węzłowej 3 atom domieszki
Defekty liniowe- dyslokacje krawędziowe- dyslokacje śrubowe Defekty powierzchniowe
Struktury materiałów ceramicznych i szkieł
materiały ceramiczne - kompleksy: (SiO4)4 i (AlO4)5
na bazie: SiO2 i Al2O3- tlenki: K2O, MgO, BaO kwarc - dwutlenek krzemu, krystalizujący w
układzie heksagonalnym lub trygonalnym mulit Al6Si2O13 - krystalizuje w układzie rombowym
sillimanit - modyfikacja polimorficzna krzemianu glinu, krystalizuje w układzie rombowym, w
formie włóknistych lub igiełkowych skupień szkła składniki szkłotwórcze: SiO2, B2O3, GeO2, Al2O3
kompleksy: (SiO4)4, (BO3)3, (GeO4)4, (AlO4)5 - składniki modyfikujące: Na2O, K2O, PbO, CaO
Struktury materiałów organicznych wielkocząsteczkowe materiały organiczne materiały
elektroizolacyjne nie wykazują uporządkowania przestrzennego dalekiego zasięgu 100...10000
monomerów w łańcuchu proste lub rozgałęzione z dołączonymi bocznie atomami wodoru
grupami atomów lub pierścieniami węglowymiułożone w przestrzeni zupełnie przypadkowo
struktura mikrokrystaliczna powstaje w określonych warunkach ciśnienia i temperatury na
skutek specjalnej obróbki charakteryzuje się uporządkowanym ułożeniem makrocząsteczek
w niewielkich przestrzeniach wewnątrz materiału
MATERIAŁY PRZEWODZĄCE Klasyczna teoria przewodnictwa elektrycznego metali
ruchu elektronów swobodnych w metalu lub stopie rdzenie atomowe i „gaz elektronowy”
elektrony - cząstki o określonej masie i objętości, obdarzone ładunkiem elektrycznym ujemnym,
prosty opis zachowania elektronów w polu elektrycznym spowodowanym napięciem między
końcami przewodnika siła pola F powoduje ruch jednostajnie przyspieszony elektronów
wartość siły F zależy od wartości ładunku e elektronu i natężenia pola elektrycznego E,
zgodnie z zależnością: F = eE elektrony zderzają się z rdzeniami atomowymi tracą swój pęd
częstość zderzeń: razy na sekundę Pasmowa teoria przewodnictwa elektrycznego
kwantowa teoria ciała stałego: krążące wokół jądra elektrony mogą zajmować dyskretne poziomy
energetyczne, z których składają się pasma energetyczne pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa
rozdzielone pasmem zabronionym w przypadku dielektryków i półprzewodników - szerokość
energetyczna pasma jest rzędu kilku elektronowoltów- dyskretne poziomy energetyczne
generowane przez atomy liczba poziomów dozwolonych równa liczbie atomów w materiale
w 1 cm3 materiału: 1022...1023 atomów wolne elektrony należą do całej próbki materiału
zasada Pauliego Zależność rezystywności metali od temperatury klasyczna teoria
przewodnictwa elektrycznego metali zderzenia elektronów z jonami średnio co 40 nm
dotyczy to metali przewodowych w temperaturze 293 K wzrost temperatury - większa amplituda
drgań jonów w węzłach wzrost prawdopodobieństwa zderzeń elektronów z jonami droga między
kolejnymi zderzeniami skraca się rośnie rezystywność metalu dwie składowe rezystywności metali :
rezystywność idealna i zależna tylko od drgań cieplnych jonów rezystywność resztkowa r
zależna od defektów sieci krystalicznej i zanieczyszczeń rezystywność idealna: jest w przybliżeniu
liniową funkcją temperatury w zakresie kilkadziesiąt kelwinów w pobliżu temperatury 293 K
i = f (T)- w zakresie temperatur poniżej 100...50 K: i = f (T 5) rezystywność resztkowa:
liczba defektów struktury krystalicznej nie zależy od temperatury poniżej temperatury mięknienia metali
- rezystywność resztkowa r praktycznie nie zależy od temperatury rezystywność całkowita:
= i + r - zależy od temperatury dla metali współczynnik (TWR) jest dodatni wraz ze
wzrostem temperatury metalu
jego rezystywność rośnie (TWR) srebra Ag, miedzi Cu, aluminium Al, jest zbliżony
i wynosi prawie dokładnie 0,004 K1Kriorezystywność rezystywność idealna metali maleje
bardzo szybko wraz z obniżaniem się ich temperatury poniżej 100 K temperatury poniżej
temperatury skraplania tlenu, tj. 90,2 K, nazywa się temperaturami kriogenicznymi otrzymywanie
niskich temperatur nie jest łatwe zajmuje się tym specjalna dziedzina zwana kriotechniką
krioelektrotechnika - zajmuje się wykorzystaniem własności materiałów w niskich temperaturach
dla potrzeb elektrotechniki ciecz kriogeniczna - skroplony gaz (He, H2, Ne, O2, N2) adiabatyczne
rozprężanie gazów z jednoczesnym wykonywaniem pracy zewnętrznej dalsze obniżanie
temperatury cieczy kriogenicznej - wymuszenie jej parowania przez obniżenie ciśnienia
nad jej powierzchnią temperatury skraplania najczęściej stosowanych gazów wynoszą:
azot N2 77,4 K neon Ne 27,0 K wodór H2 20,4 K hel He
4,2 K sprawność procesu skraplania (w przybliżeniu): azot 15 % neon
5 % wodór 3 % hel 0,1 %
rezystywność resztkowa nie zależy praktycznie od temperatury w temperaturach kriogenicznych
jest składnikiem dominującym zastosowania krioelektrotechniki: elektromagnesy wytwarzające
silne pola magnetyczne na uzwojenia stosowano Al o czystości 99,999 % przy 20 K (temperatura
wodorowa) rezystancja uzwojeń była prawie 1000 razy mniejsza od rezystancji przy 293 K
Nadprzewodnictwo przewodzenie prądu przy zerowej rezystancji przewodnika
odkrył duński fizyk Kamerlingh-Onnes w 1911 roku badał rezystancję rtęci w temperaturze ok. 4 K
zaniku oporu przewodnika potwierdzono doświadczalnie raz wzbudzony prąd w pierścieniu
ołowianym w temperaturzenie przekraczającej 4 K nie zmienił się przez 3 lata kwantową teorię
nadprzewodnictwa przedstawiono w 1957 r. teoria BCS - Bardeen, Cooper i Schrieffer
mechanizm nadprzewodnictwa: energia wiążąca elektrony swobodne w pary (pary Coopera)
antyrównoległe spiny i przeciwnie skierowane pędy wiązania te istnieją poniżej tzw. Temperatury
krytycznej Tk energia wiązań większa od energii termicznej elektronów ruch par elektronowych
odbywa się bez strat energii zanik nadprzewodnictwa następuje po przekroczeniu: - temperatury
krytycznej Tk (główny parametr)- krytycznej wartości gęstości prądu jk - krytycznej wartości indukcji
magnetycznej Bk (Hk) pierwiastki wykazujące nadprzewodnictwo ponad 30 czystych pierwiastków
Pierwiastki o najwyższych temperaturach krytycznych Ng 9,2K; Ga 7,8:Tc 7,7;Pb7,3nadprzewodniki
twarde (II rodzaju): stopy i związki niektórych metali oraz tlenki wielu metali znacznie wyższe
wartości parametrów krytycznych odkrycie w czasie badania mechanizmu przewodzenia
nadprzewodników miękkich w stanie nadprzewodnictwa - prąd płynie w warstwie powierzchniowej
o grubości ok. 1 m- pole magnetyczne (B < Bk) maleje do zera w tej warstwie- warstwa
przypowierzchniowa jest ekranem magnetycznym- przeniknięcie ekranu = utrata nadprzewodnictwa
wniosek: - mniejsza grubość nadprzewodnika - większa wartość Bk włókna nadprzewodzące:
charakterystyczne zjawisko w nadprzewodnikach twardych cienkie włókna - na skutek przesunięć
w strukturze materiału przesunięcia spowodowane deformowaniem sieci krystalicznej
w czasie obróbki mechanicznej i termicznej silne pole magnetyczne w materiale otaczającym włókna
Parametry krytyczne wybranych stopów i związków metali Nb-Zr 10,8K 3000Jk 12Bk ;
Nb-Ti 10K 6000Jk 13Bk nadprzewodniki o znacznie wyższych Tk (przykłady): tlenek
itrowo-barowo-miedziowy (YBa2Cu3O7) Tk = 92 K tlenek talowo-barowo-wapniowo-miedziowy
(Tl2Ba2Ca2Cu10O7) Tk = 127 K zastosowanie nadprzewodników: wykonywanie cewek
elektromagnesów w laboratoriachgdzie są potrzebne jednorodne pola magnetyczne o dużej
indukcji, m.in. do badania cząstek elementarnych elektromagnesy nadprzewodzące magnetoplanów,
czyli pociągów poruszających się na poduszkach magnetycznych Materiały przewodowe
Metale i stopy jako składniki materiałów przewodzących Miedź Cu czerwonawa barwa
i metaliczny połysk (czysta powierzchnia) gęstość = 8,9 gcm3 = 59,77 MSm1 Cu chemicznie
czysta = 58 MSm1 Cu elektrolityczna 99,9 % (przewody elektryczne) Rm = 200...400 MPa,
zależnie od utwardzenia przez zgniot trudna obróbka przez skrawanie (rzadko stosowana)
bardzo trudne odlewanie (nie wykonuje się odlewów z Cu) bardzo łatwa obróbka plastyczna na
zimno i na gorąco przez:walcowanie, prasowanie, kucie, wyciskanie i przeciąganie
znaczna odporność na korozję w normalnej atmosferze w obecności CO2 i wilgoci pokrywa się
patyną (związkiemwęglanu i wodorotlenku miedzi) siarka i jej związki, tlenki azotu, chlor i amoniak,
powodują szybką korozję miedzi półprodukty z Cu: grube druty (pręty) wytwarza się przez wyciskanie gorącej
miedzi przez specjalny otwór w grubościennym zbiorniku cienkie druty wykonuje się z pręta o średnicy ok. 6 mm
przeciągając go na zimno przez kalibrowane oczka przeciągarki w procesie przeciągania miedź utwardza się
zwiększa się wytrzymałość mechaniczna, twardość i kruchość maleje konduktywność wyżarzanie
rekrystalizujące w temperaturze ok. 500 C Stopy miedzi dwa podstawowe rodzaje: mosiądze i
brązy zawartość Cu w stopach przekracza 50 % w mosiądzach główną domieszką jest cynk Zn
w brązach zawartość Zn jest mniejsza od innych składników konduktywność stopów miedzi jest
mniejsza od czystej Cu mosiądze i brązy są lepsze od Cu od względem: - wytrzymałości mechanicznej
- sprężystości- współczynnika tarcia- odporności na czynniki środowiska- możliwości obróbki skrawaniem
Aluminium Al barwa srebrzystobiała (przed utlenieniem) gęstość = 2,7 gcm3 = 38,2 MSm1
Al chemicznie czyste = 35 MSm1 Al elektrolityczne 99,5 % (przewody elektryczne)
Rm = 70...170 MPa, zależnie od utwardzenia przez zgniot duża odporność na korozję pokrywa się
samorzutnie spoistą ok. 0,5 m warstewką izolacyjną AlOOH i Al2O3 chroniącą skutecznie przed
dalszym utlenianiem duża odporność na kwas azotowy i kwasy organiczne brak odporności na
kwas solny i fluorowodorowy oraz nawodorotlenki sodu i potasudruty z aluminium
przeciąganie na zimno przez oczka przeciągarki aluminium utwardza się zmniejszenie jego konduktywności
wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze 300 do 350 CStopy aluminium elementy konstrukcyjne
aparatów i urządzeń elektrycznych najczęściej stosowane duraluminium AlCu3Mg1 i silumin AlSi9
duża wytrzymałość mechaniczna przy niewielkiej gęstości duraluminium - obróbka plastyczna
silumin - odlewanie Cyna Sn barwa srebrzystobiała (trwały połysk) gęstość = 7,28 gcm3
temperatura topnienia = 232 C niewielka wytrzymałość mechaniczna odporna na działanie
powietrza, wody, słabych kwasów i zasad stosuje się jako dodatek stopowy i jako składnik
lutów miękkich Ołów Pb pokrywa się matowoniebieską, trwałą warstewką tlenku gęstość =
11,34 gcm3 temperatura topnienia = 327 C Rm = 40 MPa odporny na czynniki atmosferyczne
i kwasy (- azotowy) składnik lutów miękkich, powłoki kabli, płyty akumulatorówWolfram
barwa stalowoszara gęstość = 19,29 gcm3 temperatura topnienia = 3410 C bardzo twardy i
trudno obrabialny odporny na czynniki atmosferyczne, kwasy i zasady utlenia się w temperaturze
powyżej 400 CRm = 1200...4200 MPa (zależnie od stopnia utwardzenia) wytwarza się przez
spiekanie jego proszku w atmosferze ochronnej i temperaturze niższej od temperatury topnienia
zastosowanie:- żarniki żarówek - elektrody lamp fluorescencyjnych - rezystory grzejne - styki
łączników dużych mocy
Materiały na przewody i połączenia przewodzące
Wymagania:możliwie mała wartość rezystywności duża wytrzymałość mechaniczna
duża wartość przewodności cieplnej wysoka dopuszczalna temperatura pracy
możliwie mała aktywność chemiczna odporność na korozję możliwość łączenia przez
lutowanie, zgrzewanie lub spawanie niskie koszty pozyskiwania surowców
łatwa technologia wytwarzania przewodów i połączeń przewodzących
materiały przewodowe mogą pełnić rolę „akumulatora ładunku elektrycznego”
(okładziny kondensatorów) - oraz rolę elementu kontaktowego (połączenia nierozłączalne)
Materiały na przewody elektroenergetyczne gołe przewody gołe - głównie w liniach napowietrznych
WN. podstawowy materiał: aluminium Al ma ponad trzykrotnie mniejszą gęstość niż Cu Al jest
odporne na czynniki atmosferyczne przy tej samej oporności przewód z Al w porównaniu
do przewodu z Cu ma większy przekrój o prawie 70 %, ale jego ciężar jest dwukrotnie mniejszy
- stare linie niskiego napięcia: linki z twardego Al linie wysokiego napięcia: linki stalowo-
aluminiowe rdzeń przewodu: linka z drutów stalowych ocynkowanych warstwa przewodząca:
druty z Al twardego linie wysokiego napięcia: linki z tzw. aldreju stop Al z Mg (ok. 0,4 %),
Si (ok. 0,5 %) i Fe (ok. 0,3 %) własności aldreju: = 30 MSm1 Rm = 350 MPa
linie wysokiego napięcia: linki wykonane z drutów stalowych, na których wytłoczono grubą,
hermetyczną warstwę aluminiumMateriały na żyły przewodów elektroenergetycznych izolowanych
przewody izolowane: - przewody jednożyłowe i wielożyłowe - przewody kabelkowe i kable elektroenergetyczne
żyły przewodów izolowanych:- najczęściej z miedzi miękkiej- rzadziej z aluminium półtwardego
- w nielicznych przypadkach ze stopów miedzi wykonanie żył:- drut okrągły (przekrój nie
przekraczający 10 mm2- linka z drutów okrągłych - linka z drutów profilowanych
Materiały na druty nawojowe uzwojenia transformatorów, maszyn elektrycznych, dławików
druty nawojowe miedziane pokryte cienką warstwą izolacji druty cienkie (setne części milimetra)
Cu półtwarda druty o większych średnicach: Cu miękka cienkie druty nawojowe są zwykle okrągłe
grube druty - przekroje prostokątne (lepsze wypełnienie cewki miedzią, łatwiejsze nawijanie)
Materiały na połączenia między elementami, układami scalonymi i podzespołami urządzeń
elektronicznych najczęściej stosowane:- przewody drutowe - przewody foliowe (folia przewodząca na
laminacie izolacyjnym obwody drukowane) - najlepszy materiał: Cu 99,9 58,4 MSm1
ochrona przed utlenianiem: powlekanie przewodów miedzianych - cyną Sn do 150 C
- srebrem Ag do 200 C - niklem Ni do 260 C zwiększenie wytrzymałości mechanicznej
(na zginanie i drgania) przez dodanie do miedzi niewielkiej ilości (do 1 %) najczęściej:
- srebra (Cu-Ag)- kadmu (Cu-Cd)- chromu (Cu-Cr)Materiały na połączenia w układach
elektronicznych scalonych hybrydowych cienkowarstwowych układ scalony hybrydowy:
- elementy indywidualne (diody, tranzystory) - dołączane do - układu scalonego wykonanego
techniką warstwową (ścieżki przewodzące, miejsca kontaktowe, rezystory i kondensatory)
Materiały na elementy przewodzące: miedź, rzadziej aluminium, o odpowiedniej czystości
Cu i Al mają słabą przyczepność do szkła Cu ma małą odporność na utlenianie
Technologia układów scalonych cienkowarstwowych:- podłoże najczęściej szklane
naparowanie w próżni lub napylanie katodowe warstw tworzących ścieżki, rezystory, kondensatory
warstwa przyczepna ze stopu Ni-Cr, rzadziej z Cr lub Ti warstwa przewodząca z Al (ostatnia, ochrona Al2O3)
warstwa przewodząca z Cu warstwa ochronna z Au (ostatnia)warstwa ochronno-lutowalna ze stopu
Au-Pd (ostatnia)Materiały na połączenia w układach elektronicznych scalonych hybrydowych
grubowarstwowych Materiały na elementy przewodzące: srebro Ag, stop Ag-Pd, złoto Au, platyna Pt
stop Au-Pt w warstwach lutowalnych Au w niewielkich ilościach Technologia układów scalonych
grubowarstwowych: podłoże: płytka z ceramiki alundowej (Al2O3 powyżej 96 %) nanoszenie
past zawierających drobnoziarniste proszki metali lub tlenków metali oraz szkliwa niskotopliwego
technika sitodruku wypalanie w piecu tunelowym temperatura od 500 do 1400 C, zależnie
od rodzaju warstwy Materiały na połączenia w układach elektronicznych scalonych
monolitycznych układ scalony monolityczny:- całkowicie scalony- wszystkie elementy układu,
np. wzmacniacz, procesor Materiały na elementy przewodzące:ścieżki: najczęściej aluminium
(dobra przyczepność do SiO2) wyprowadzenia: aluminium Al, złoto Au Technologia układów
scalonych monolitycznych: podłoże: monokrystaliczne płytki krzemowe Si utlenienie
powierzchni płytki Si - warstwa izolacyjna SiO2 naparowanie w próżni warstwy Al. Zgrzewanie
wyprowadzeń Al lub Au (grubość rzędu 20 m)
MATERIAŁY NA REZYSTORY Wymagania:
duża rezystywność mały współczynnik temperaturowy rezystancji (TWR)
wysoka dopuszczalna temperatura pracy odporność na utlenianie duża wytrzymałość mechaniczna
stabilność własności w czasie Podział ze względu na przeznaczenie: rezystory precyzyjne (pomiarowe)
rezystory techniczne (regulacyjne) rezystory grzejne rezystory w układach scalonych (precyzyjne i techniczne)
Materiały na rezystory precyzyjne wzorce rezystancji, rezystory w przyrządach pomiarowych
wymagania podstawowe:- możliwie słaba zależność od temperatury i czasu- mała wartość
jednostkowej siły termoelektrycznej (STE) w odniesieniu do materiału przewodu (najczęściej Cu)
Materiały: głównie stopy miedzi z metalami kolorowymi i żelazem:manganin Cu86Mn12Ni2
izabelin Cu84Mn13Al3 inmet Cu82,5Mn12Al4Fe1,5 - konstantan Cu55Ni45
Własności: zbliżone wartości: = 0,5 m, = 210-5 K-1 STECu < 1 VK1 (manganin, izabelin, inmet)
STECu = 42,6 VK1 (konstantan)- dopuszczalne temperatury pracy: 250... 400 C
Materiały na rezystory techniczne rezystory rozruchowe i regulacyjne do silników rezystory
ograniczające prąd w układach z kondensatorami, cewkami i elementami półprzewodnikowymi
Materiały: w kolejności coraz większych obciążeń prądowych:- konstantan Cu55Ni45- nikielina
Cu54Ni26Zn20 - żeliwo stopowe Fe93,9Zn3,6Si1,7Mn0,8 Własności: rezystywność 0,5 m
nikielina: = 2,310-4 K-1 , Tdop = 300 C żeliwo stopowe: = 110-3 K-1 , Tdop = 400 C
Materiały metaliczne na rezystory grzejne urządzenia elektrotermiczne przemysłowe (piece, suszarki)
urządzenia i przyrządy ogólnego użytku (grzałki, grzejniki, żelazka, kuchnie elektryczne, lutownice
wymagania podstawowe:- możliwie wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej
- odporność na korozję - trwała warstwa tlenków Materiały: nichromy:- chromonikielina bezżelazowa
Ni80Cr20 1,1 m 1150 C ferronichromy:- chromonikielina żelazowa Fe20Ni65Cr15 1 m 1150 C
- ferrochromale:- kanthal Fe68Cr24Al15,5Co1,5 1,45 m 1375 C czyste metale: - molibden Mo,
wolfram W 1500...3000 C (atmosfera ochronna)Materiały niemetaliczne na rezystory grzejne
Materiały wysokotemperaturowe: węglik krzemu SiC Tdop = 1650 C pręty grzejne: silit i globar
krzemek molibdenu MoSi2 Tdop = 1900 C superkanthal, mosilit węglik niobu NbC
(podobne własności jak superkanthal) węgiel, grafit C Tdop = 3000 C (atmosfera ochronna)
Materiały niskotemperaturowe: materiały organiczne (głównie kauczuki silikonowe) napełnione
sproszkowaną sadzą, grafitem lub metalem Tdop = 400 CMateriały na rezystory w układach
elektronicznych scalonych z materiałów metalicznych i niemetalicznych stop Cr-Ni (chromonikielina)
- = 30...400 (na kwadrat powierzchni warstwy)- = 10-6...10-5 K-1 - stabilny, powtarzalne parametry
- dobra przyczepność do podłoży inne stopy: np. Cr-Ti, Ta-Au czyste metale: np. Ti, Cr, Ta, W
rezystory warstwowe z tlenków Sn, Sb i In, podstawowy SnO2- chlorki Sn, Sb i In + H2O,
natryskiwane na podłoże (500 C)- grubość ok. 1 m, rezystancja na kwadrat do 500
- odporne na narażenia mechaniczne i temperatury do 240 C węgiel polikrystaliczny uzyskiwany w
procesie pirolizy - warstwy o grubości rzędu 0,01...1 m- rezystancja na kwadrat od kilku do kilkuset omów
- = 10-4 K-1 rezystory cermetowe jednoczesne naparowanie lub napylenie katodowe na podłoże
metalu (np. Cr) lub stopu (np. Ni-Cr) i składników ceramicznych (np. SiO, SiO2)
rezystory z drobnoziarnistych proszków metali i szkliwa - najczęściej stosowane pallad Pd i
srebro Ag (ziarna (0,5 m) - szkło ołowiowo-borowo-krzemowe (ziarna 5 m) - szkło wypełnia
przestrzenie między ziarnami Ag, Pd i PdO - średnia grubość warstwy: 25 m - rezystancja na
kwadrat: 1...25 k- wartość TWR: rzędu 10-5...10-4 K-1. rezystory kompozytowe- składnik
przewodzący: węgiel w postaci sadzy lub grafitu - składnik wiążący: żywice termoutwardzalne
(fenolowo-formaldehydowe, silikonowe, epoksydowe) - wypełniacz polepszający rozmieszczenie
ziaren węglowych (talk, mączka mikowa, dwutlenek tytanu) - duża wartość rezystancji, nawet do 1012
- rezystancja na kwadrat: 1...25 k
Materiały na styki elektryczne zestyk: zespół dwóch (lub więcej) styków element
szeregowy toru prądowegopodział zestyków: - ruchome rozłączne (łączniki)
- ruchome nierozłączne (zestyki ślizgowe)- nieruchome (zaciski)Zestyki rozłączne
elementy wyłączników, odłączników, przełączników, styczników, przekaźników,
itp styk stały (nieruchomy) styk ruchomy - przestawiany przez napęd (ręczny,
sprężynowy,silnikowy, elektromagnesowy) łączniki słaboprądowe:- przekaźniki,
łączniki teletechniczne itp. prądy < 1 A, napięcia < 20 V nie powstaje łuk elektryczny
przy otwieraniu zestyku wymagana mała rezystancja zestyku stosowane materiały:
- srebro- platyna - pallad - stop srebro-kadm - stop srebro-pallad łączniki niskiego
napięcia na średnie prądy: - prądy od kilku do kilkudziesięciu amperów napięcia
< 1000 V styki narażone są na łuk elektryczny o umiarkowanej mocy- materiał
stykowy odporny na utlenianie, upalanie i sklejanie stosowane materiały: - wolfram
- stop srebro-tlenek kadmu- stop srebro-wolfram- stop srebro-grafit- stop srebro-nikiel
łączniki silnoprądowe niskiego i wysokiego napięcia prądy rzędu setek i tysięcy
amperów napięcia - setki woltów do setek kilowoltów styki narażone są na łuk
elektryczny dużej i bardzo dużej mocy wymagany silny docisk styków stosowane materiały:
- molibden - spiek wolfram-miedź- spiek wolfram-srebro-nikiel Zestyki ślizgowe
przemieszczają się względem siebie nie tracąc kontaktu trakcja elektryczna
(szczotka pantografu i przewód trakcyjny) silnik pierścieniowy (szczotka grafitowy
i pierścień z brązu) szczotki zestyków ślizgowych: mała rezystywność, mały
współczynnik tarcia, mała ścieralność,duża wytrzymałość mechanicznaszczotki
metalografitowe: spiekany sproszkowany grafit z proszkami metalu lub stopu
szczotki srebrowo-grafitowe, miedziowo-grafitowe, brązowo-grafitowe (grafit plus stop
Cu-Pb) szczotki węglografitowe: proszki grafitu, sadzy, koksu, prasowane i wypalane
szczotki twarde lub średniotwarde szczotki grafitowe: sproszkowany grafit prasowany
i wypalany własności zależą od temperatury wypalania (200...1000 C)szczotki
elektrografitowe: proszki grafitu, sadzy, koksu, prasowaneproces grafityzacji
w temperaturze ok. 3000C Styki współpracujące ze szczotkami wykonuje się
głównie ze stopów metali przewody jezdne w sieci trakcyjnej: brąz kadmowy (Cu + 1% Cd)
pierścienie ślizgowe maszyn elektrycznych: brąz berylowy (Cu + 2% Be)
Materiały na termobimetale Termobimetale podstawowe elementy prostych
(dwustanowych) regulatorówtemperatury oraz przekaźników i wyzwalaczy termicznych
mają najczęściej postać dwuwarstwowego paska grubości ok. 1 mm i szerokości kilku milimetrów
warstwy paska (stopy metali) różnią się znacznie wartością współczynnika rozszerzalności
cieplnej przy podgrzewaniu termobimetal wygina się w stronę materiału mniejszej rozszerzalności
cieplnej materiały: - FeNi36 o mniejszej rozszerzalności cieplnej - FeNi25Mn6 o większej
rozszerzalności cieplnej współczynnik ugięcia: wyrażony w mm·K1 pomiar na pasku o
grubości 1 mm i długości 10 cm po ogrzaniu o 1 K, mierzy się ugięcie wolnego końca paska
współczynnik ugięcia termobimetalu z ww. stopów: 0,145 mm·K1Materiały na termopary
z termopar (termoelementów) wykonuje się termometry, głównie do kontaktowego, punktowego
pomiaru temperatury termometry termoelektryczne stosuje się m.in. w urządzeniach
i procesach przemysłowych ciągła kontrola (rejestracja, regulacja, stabilizacja) temperatury
materiały termoelektryczne: własność: wysoka intensywnością zjawisk termoelektrycznych
zjawisko Seebecka - kontaktowa różnica potencjałów (siła termoelektryczna STE)
przyczyna kontaktowej różnicy potencjałów: - różnice gęstości elektronów swobodnych
w przewodnikach - zależność tej koncentracji elektronów od temperaturyprzewodnika
równowaga sił na poziomie zależnym od temperatury złącza wartość STE - większa,
im wyższa temperatura złącza - wartość napięcia UT wskazywanego przez mikrowoltomierz:
- końce 2 termopary połączone przewodem miedzianympośrednio przez mikrowoltomierz
- wartość siły termoelektrycznej miedzy końcami 2:- STE (materiał A - Cu) + STE (Cu - materiał B)
z uwzględnieniem ich znaku - taka sama jak: STE (materiał A - materiał B)
termometr:- określenie temperatury T1- znana temperatura odniesienia T2
- znana różnica jednostkowych STE materiałów A i B- zmierzona wartość UT
skalę napięciową mikrowoltomierza zastępuje się skalą temperatury
Materiały na połączenia lutowaneLutowanie - łączenie elementów metalowych
za pomocą spoiny metalowej o temperaturze topnienia niższej niż metali łączonych
Trwałe połączenie następuje dzięki zjawisku kohezji i płytkiej dyfuzji, spoiwo lutownicze
wnika w mikropory materiału lutowanego.luty miękkie: temperatura topnienia poniżej
400...500 C wytrzymałość na rozciąganie 20...80 MPa połączenia przewodzące i
uszczelniające stop ołowiu i cyny PbSn50 o temperaturze topnienia 209 C
lut cynkowy ZnAl14 o temperaturze topnienia 300 C do łączenia części aluminiowych
(w atmosferze ochronnej) luty bezołowiowe (temperatura topnienia 215...220 C):
SnAg4, SnCu0,8 (do zastosowań elektronicznych) SnCu3 (do zastosowań
elektrotechnicznych i instalacyjnych)luty twarde: temperatura topnienia powyżej 400...500 C
połączenia przewodzące i uszczelniające obciążone mechanicznie - typowe luty twarde:- luty
mosiężne, CuZn37, temp. topn. 910 C- luty srebrne, AgCu25Zn2, temp. topn. 715 C-
luty miedziane, CuAg1, temp. topn. 1070 Ctopniki: kalafonia, kwas solny, chlorek cynku,
boraks (Na2B4O7·10H2O) usuwają tlenki i inne zanieczyszczenia z lutowanych powierzchni
zapobiegają utlenianiu (odcięcie kontaktu z powietrzem) ułatwiają topnienie i zwiększają
płynność lutu lutownice: lutownice elektryczne (transformatorowe, grzałkowe)stacje lutownicze
na gorące powietrze palniki benzynowe i acetylenowo-tlenowe
TEST A
1.Sieć krystalograficzna A3 jest oparta na układzie krystalograficznym:heksagonalnym
2.Wymiana elektronów jest podstawą wiązania:jonowego
3.W strukturach krystalicznych metali występują luki międzywęzłowe:czterościenne ośmiościenne
4.Stopy metaliczne mogą być roztworami stałymi:różnowęzłowymi międzywęzłowymi
5.Obwody magnetyczne i magnesy trwałe wykonuje się z:ferromagnetycznychferrimagnetycznych
6.Materiał magnetyczny twardy powinien mieć dużą wartość:indukcji remanencji natężenia koercji
7.Stal krzemowa zimnowalcowana jest:ferromagnetykiem
8.Temperaturowy współczynnik rezystancji metali jest:dodatni
9.Napylanie katodowe stosuje się przy wytwarzaniu układów scalonych:hybrydowych cienkowarstwowych
10.Materiały na rezystory precyzyjne powinny mieć małą wartość:TWR siły termoelektrycznej
11.Elektrony są większościowymi nośnikami ładunku w półprzewodniku domieszkowanym:donorowo
12.Do metod domieszkowania materiałów półprzewodnikowych zalicza się:implantancję transmutację
13.Epitaksję z fazy gazowej oznacza się w skrócie:VPE
14.Złącze p-n jest podstawowym elementem:fotodiody
15.Przewodność elektryczna dielektryków ma przede wszystkim charakter:jonowy
16.Rezonansowa i bezstratna jest polaryzacja:elektronowa atomowa
TEST B
1.Sieci krystalograficzne A1 i A2 są oparte na układzie krystalograficznym:regularnym
2.Wymiana elektronów jest podstawą wiązania:jonowego
3.W strukturach krystalicznych metali występują luki międzywęzłowe:czterościenne ośmiościenne
4.Dyslokacja krawędziowa w materiałach krystalicznych jest defektem:liniowym
5.Obwody magnetyczne i magnesy trwałe wykonuje się z:ferromagnetycznych ferrimagnetycznych
6.Materiał na magnesy trwałe metaliczne to:stal hartowana krzemowa zimnowalcowana
7.Koniecznym składnikiem materiałów magnetycznych ferrytowych jest:Fe2O3
8.Temperaturowy współczynnik rezystancji metali jest:dodatni
9.Technologię sitodruku stosuje się przy wytwarzaniu układów scalonych:hybrydowych grubowarstwowych
10.Kanthal i superkanthal to materiały na rezystory:techniczne precyzyjne ??grzejne??
11.Elektrony są większościowymi nośnikami ładunku w półprzewodniku domieszkowanym:donorowo
12.Podstawową metodą oczyszczania materiałów półprzewodnikowych jest:topienie strefowe
13.Epitaksję z zastosowaniem związków metaloorganicznych oznacza się w skrócie: MOCVD
14.Złącze p-n jest podstawowym elementem:fotodiody
15.Przewodność elektryczna dielektryków ma przede wszystkim charakter:jonowy
16.Na straty w dielektrykach przy napięciu przemiennym ma wpływ ich:przewodność polaryzacja
TEST C
2. Wiązania międzyatomowe metaliczne polegają na:wymianie elektronów
3. W strukturach krystalicznych metali występują luki międzywęzłowe:czterościenne ośmiościenne
4.Dyslokacja krawędziowa w materiałach krystalicznych jest defektem:liniowym
5 Obwody magnetyczne i magnesy trwałe wykonuje się z materiałów:ferromagnetycznych ferrimagnetycznych
6. Materiał magnetycznie miękki powinien mieć małą wartość:stratności natężenia koercji
7.Koniecznym składnikiem materiałów magnetycznych ferrytowych jest:Fe2O3
8. Przewodność elektryczna metali ma charakter:elektronowy
9.Na połączenia przewodzące w układach elektronicznych scalonych stosuje się:aluminium miedź
10.Kanthal i superkanthal to materiały na rezystory:grzejne
11.Dziury są większościowymi nośnikami ładunku w półprzewodniku domieszkowalnym:akceptorowo
12.Topnienie strefowe materiałów półprzewodnikowych wiąże się z ich:oczyszczaniem
13.Epitaksję z zastosowaniem związków metaloorganicznych oznacza się w skrócie:MOCVD
14. Temperaturowy współczynnik rezystancji materiałów półprzewodnikowych jest:ujemny
15. W dielektrykach mogą występować następujące rodzaje polaryzacji:dipolowa atomowa