Wiązania międzyatomowe:
*jonowe-heteropolarne-wiążą się nimi atomy elektrododatnie z elektroujemnymi. Atom elektrododatni uzyskuje oktet elektronowy przez oddanie elektronów walencyjnych a atom elektroujemny przez przyłączenie tylu elektronów walen. Alby razem ze swoimi miał ich 8. Powstałe jony dodatni i ujemny tworzą dipol
*kowalencyjne-homeopolarne-tworzą się pary elektronów przebywających z równym prawdopodobieństwem w powłoce każdego z sąsiadujących ze soba atomów.
*kowalencyjne spolaryzowane-następuje gdy elektroujemności atomów różnią się. Atom o większej elektroujemności staje się jonem słabo ujemnym a pozostały jonem słabo dodatnim.
*metaliczne-występują w czystych metalach lub stopach. W powłokach walencyjnych jest mniej niż 4elektrony.
Wiązania międzycząsteczkowe: Van Der Waalsa
*wodorowe-dodatni ładunek jądra wodoru, atrom wodoru wnika do powłok walencyjnych sasiadujących ze sobą atomów pierwiastków elektroujemnych.
*Dipol-dipol-występuje w materiałach zawierających cząsteczki z wyraźną polaryzacją.
Struktury krystaliczne
- regularny układ przestrzenny cząstek (atomów, jonów, cząsteczek)
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 jednej linii)
liczba koordynacyjna-określa liczbę cząstek znajdujących się w najbliższej odległości od dowolnej cząstki sieci krystalicznej .
A1-struktura regularna ściennie centrowana, mają ją metale: Ag, Al., Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh oraz gazy szlachetne w stanie stałym. Liczba atomów na jedną komórkę wynosi 4. Liczba koordynacyjna wynosi 12.
A2-struk. Sieci regularna przestrzennie centrowana:
Metale: Cr,Cs,Fe,K,Li,Mo,Na,Nb,Rb,Ta,Ti,V,W.
Licz. Atomów przypadających na jedną komórkę wynosi 2, licz koord. Wynosi 8,
A3-struktura sieci heksagonalnej zwartej, metale: Be,Cd,Co,Mg,Re,Sc,Y,Zn. Liczba atomów przypadających na 1komórkę =2, L. koord.=12.
A4-sieć regularna ściennie centrowana z tym że jej komórka elementarna ma 4 dodatkowe węzły wewnętrzne, w co drugiej luce czterościennej należy umieścić atom pierwiastka macierzystego rozpychając sąsiednie atomy. Diament, Si,Ge,Sn
A9-grafit, struktura heksagonalna. Różni się os sieci heksagonalnej zwartej. L koord. =3, każdy atom wegla jest związany wiązaniami kowalencyjnymi z 3ma sąsiednimi atomami z tej samej warstwy.
Stop metaliczny:
- połączenie dwóch lub więcej składników
- spójne makroskopowo jednorodne ciało krystaliczne
- własności metaliczne
Uzyskuje się przez:
*stopienie składników i zmieszanie w stanie ciekłym
*zmieszanie sproszkowanych skład. Oraz ich sprasowanie i spiekanie.
*jednoczesną redukcje jonów różnych pierwiastków na katodzie.
Roztwory stałe podstawowe: różnowęzłowe, międzywęzłowe.
Defekty struktur krystalicznych:
*punktowe- niewielkie wymiary, wasale- nie obsadzone węzły sieci kryst. , atomu w lukach międzywęzłowych zamiast w węzłach, atomy obcych pierwiastków w lukach lub węzłach.
*liniowe (dyslokacje)- dzielą się na:dyslokacje krawędziowe- brak ciągłości określonej warstwy cząstek wewnątrz kryształu. Dyslokacje śrubowe- regularny brak ciągłości warstw kolejno po sobie następujących.
Defekty powierzchniowe- wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające sąsiednie ziarna krystaliczne. Przez defekty maleje przewodność elektryczna, plastyczność i wytrzymałość mechaniczna.
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 rozpuszczalnika
- ograniczona rozpuszczalność
Roztwory 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 < lub = 0,59
- fazy międzywęzłowe złożone - rX/rM > 0,59
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 węglowymi ułożone 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.
Własności mechaniczne materiałów
- funkcje konstrukcyjne materiałów elektrotechnicznych
- najczęściej występują obciążenia mechaniczne:
1 rozciągające
Rm=Fm / S0, S0= π*d02/4
2 ściskające, Rs=Fsm / S0
3 zginające , Rg= Mm / W ,
Mm=1/4*Fm*1
4 skręcające,
Rt= Mtm / W, W= π*d3 /16
MATERIAŁY PRZEWODZĄCE
Konduktywność-elektryczna przewodność właściwa metalu.
γ=ne2τ/m
Rezystywność- oporność elektryczna właściwa metalu:
ρ=1/ γ=m/ne2 τ jed: Ωm
* rezystywność idealna ρi- zależna tylko od drgań cieplnych jonów
- jest w przybliżeniu liniową funkcją temperatury w zakresie kilkadziesiąt kelwinów w pobliżu temperatury 293 K
* rezystywność resztkowa ρr zależna od defektów sieci krystalicznej i zanieczyszczeń.
- liczba defektów struktury krystalicznej nie zależy od temp. poniżej temp. mięknienia metali
- praktycznie nie zależy od temp.
*rezystywność całkowita- zależy od temperatury p=pi+Pr
TWR- temperaturowy współczynnik rezystancji
dla metali współczynnik α (TWR) jest dodatni - wraz ze wzrostem temperatury metalu jego rezystywność rośnie.
Kriorezystywność
- 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.
Nadprzewodnictwo-przewodzenie prądu przy zerowej rezystancji przewodnika (bez oporu przewodnika).
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 korozji
- 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: γ= 30 MS*m-1 Rm = 350 MPa
- linie wysokiego napięcia: linki wykonane z drutów stalowych,
na których wytłoczono grubą, hermetyczną warstwę aluminium.
Materiały 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 γ =58,4 MS*m-1
- ochrona przed utlenianiem: powlekanie przewodów miedzianych
- cyną Sn do 150 st. C
- srebrem Ag do 200 st. C
- niklem Ni do 260 st. 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 st. 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 Al (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 mikro m)
Materiały na rezystory
Wymagania:
- duża rezystywność
- mały współczynnik temperaturowy rezystancji alfa (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 ρ 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
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
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 na rezystory w układach elektronicznych scalonych
- z materiałów metalicznych i niemetalicznych
- stop Cr-Ni (chromonikielina)
Rezyst. = 30...400 omów (na kwadrat powierzchni warstwy) alfa = 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 st.C)
- grubość ok. 1 mikro m, rezystancja na kwadrat do 500 omów
- odporne na narażenia mechaniczne i temperatury do 240 st.C
- węgiel polikrystaliczny uzyskiwany w procesie pirolizy
- warstwy o grubości rzędu 0,01...1 mikro m
- rezystancja na kwadrat od kilku do kilkuset omów - alfa = -10-4 K-1 .
Materiały na styki elektryczne
zestyk:
- zespół dwóch (lub więcej) styków
- element szeregowy toru prądowego
podział 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 grafitowa i pierścień z brązu)
szczotki zestyków ślizgowych:
- mała rezystywność, mały współczynnik tarcia, mała ścieralność, duża wytrzymałość mechaniczna
szczotki 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 ႰC)
szczotki elektrografitowe:
- proszki grafitu, sadzy, koksu, prasowane
- proces grafityzacji w temperaturze ok. 3000ႰC
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) regulatorów temperatury oraz przekaźników i wyzwalaczy termicznych
- mają najczęściej postać dwuwarstwowego paska o 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 o mniejszej rozszerzalności cieplnej
materiały:
- FeNi36 o mniejszej rozszerzalności cieplnej
- FeNi25Mn6 o większej rozszerzalności cieplnej
Materiały na połączenia lutowane
Lutowanie - 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 ႰC
- wytrzymałość na rozciąganie 20...80 MPa
- połączenia przewodzące i uszczelniające
- stop ołowiu i cyny PbSn50 o temperaturze topnienia 209 ႰC
- lut cynkowy ZnAl14 o temperaturze topnienia 300 ႰC do łączenia części aluminiowych (w atmosferze ochronnej)
luty bezołowiowe (temperatura topnienia 215...220 ႰC):
- SnAg4, SnCu0,8 (do zastosowań elektronicznych)
- SnCu3 (do zastosowań elektrotechnicznych i instalacyjnych)
luty twarde:
- temperatura topnienia powyżej 400...500 ႰC
- połączenia przewodzące i uszczelniające obciążone mechanicznie
typowe luty twarde:
- luty mosiężne, CuZn37, temp. topn. 910 ႰC
- luty srebrne, AgCu25Zn2, temp. topn. 715 ႰC
- luty miedziane, CuAg1, temp. topn. 1070 ႰC
topniki:
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