Wiązania międzyatomowe:

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

- idealne uporządkowanie dużej objętości (1 mm - 1 m)

- 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.

- połączenie dwóch lub więcej składników

- spójne makroskopowo jednorodne ciało krystaliczne

*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:

- powinowactwa elektronowego

Roztwory stałe podstawowe:

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)

- 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

- 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:

R_m=F_m / S₀, S₀= π*d₀²/4

2 ściskające, R_s=F_sm / S₀

3 zginające , Rg= Mm / W ,

Rt= Mtm / W, W= π*d³/16

MATERIAŁY PRZEWODZĄCE

Konduktywność-elektryczna przewodność właściwa metalu.

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.

- 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

- możliwie mała wartość rezystywności

- duża wytrzymałość mechaniczna

- duża wartość przewodności cieplnej

- wysoka dopuszczalna temperatura pracy

- możliwie mała aktywność chemiczna

- możliwość łączenia przez lutowanie, zgrzewanie lub spawanie

- niskie koszty pozyskiwania surowców

- łatwa technologia wytwarzania przewodów i połączeń

- 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 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

- 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

- 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

- srebrem Ag do 200 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

- 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:

- 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

- 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 w układach scalonych (precyzyjne i techniczne)

Materiały na rezystory precyzyjne

- wzorce rezystancji, rezystory w przyrządach pomiarowych

- możliwie słaba zależność ρ od temperatury i czasu

- mała wartość jednostkowej siły termoelektrycznej (STE) w odniesieniu do materiału przewodu (najczęściej Cu)

- głównie stopy miedzi z metalami kolorowymi i żelazem:

- inmet Cu82,5Mn12Al4Fe1,5

Materiały na rezystory techniczne

- rezystory rozruchowe i regulacyjne do silników

- rezystory ograniczające prąd w układach z kondensatorami, cewkami i elementami półprzewodnikowymi

w kolejności coraz większych obciążeń prądowych:

- 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

- 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

- zespół dwóch (lub więcej) styków

- element szeregowy toru prądowego

- ruchome rozłączne (łączniki)

- ruchome nierozłączne (zestyki ślizgowe)

- 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

srebro, platyna, pallad, stop srebro- kadm, stop srebro-pallad

łączniki niskiego napięcia na średnie prądy:

- prądy od kilku do kilkudziesięciu amperów

- styki narażone są na łuk elektryczny o umiarkowanej mocy

- materiał stykowy odporny na utlenianie, upalanie i sklejanie

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

-molibden, spiek wolfram-miedź,

spiek wolfram-srebro-nikiel

- 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

- 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

- 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

- 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.

- 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)

- temperatura topnienia powyżej 400...500 ႰC

- połączenia przewodzące i uszczelniające obciążone mechanicznie

- luty mosiężne, CuZn37, temp. topn. 910 ႰC

- luty srebrne, AgCu25Zn2, temp. topn. 715 ႰC

- luty miedziane, CuAg1, temp. topn. 1070 ႰC

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 elektryczne (transformatorowe, grzałkowe)

- stacje lutownicze na gorące powietrze

- palniki benzynowe i acetylenowo-tlenowe