MATERIÁLY PRO ELEKTROTECHNIKU

Transkript

1 UNIVERZITA PARDUBICE DOPRAVNÍ FAKULTA JANA PERNERA KATEDRA ELEKTROTECHNIKY, ELEKTRONIKY A ZABEZPEČOVACÍ TECHNIKY V DOPRAVĚ OBOR: DOPRAVNÍ PROSTŘEDKY A INFRASTRUKTURA MATERIÁLY PRO ELEKTROTECHNIKU Sestavil: Doc. Ing. Emil Kvítek, CSc. 2007

2 Rozdělení materiálů podle použití 1. Elektrovodné materiály 2. Materiály odporové 3. Materiály pro el. kontakty 4. Vodivé materiály se speciálními vlastnostmi 4.1 Materiály pro termočlánky 4.2 Dvojkovy (bimetaly) 4.3 Materiály pro vakuovou techniku 4.4 Pájky 5. Supravodivé materiály 6. Magnetické materiály 7. Izolační materiály (tuhé, kapalné, plynné) 8. Materiály pro optoelektroniku 9. Napájecí zdroje 1

3 KOVY Důležité vlastnosti kovů používaných v elektrotechnice Měrný elektrický odpor (rezistivita) Teplotní součinitel odporu Supravodivost a hypervodivost Hustota Nejmenší má lithium, největší osmium Teplota tání Součinitel tepelné vodivosti Největší mají čisté kovy Rozdělení kovů podle teploty tání: 1. kovy s nízkou teplotou tání 2. kovy se střední teplotou tání 3. těžkotavitelné kovy 1. Základní elektrovodné materiály Požadují se co nejmenší ztráty, tj. co nejmenší el. odpor. Elektrický odpor závisí na rozměrech a na teplotě vodiče. Rezistivita elektrovodných materiálů má hodnotu v rozmezí ρ = 10-2 až 10-1 µω m teplotní činitel u většiny čistých kovů je α R = K -1 při teplotách 0 až 100 C 2

4 Materiály kovových vodičů Nejdůležitější vlastnosti, které je nutno respektovat při výběru materiálu vodiče, jsou: 1. velká elektrická a tepelná vodivost, 2. vhodné mechanické a technologické vlastnosti (např. pevnost, tvárnost, odolnost proti opotřebení a korozi, snadná spojovatelnost atd.), 3. ekonomika výroby i použití, která je závislá na ceně a dostupnosti materiálů a technologií, nákladech na údržbu a na spolehlivosti a životnosti zařízení. Rezistivita ρ, teplotní součinitel odporu α R, mez pevnosti R m, teplota tání T m a hustota S nejlepších kovových vodičů jsou uvedeny v tab.1. Tab. 1 Vlastnosti nejlepších vodičů Kov Rezistivita při 20 o C ρ (Ωm) Teplotní_součinitel odporu α R (K -1 ) Mez pevnosti R m (MPa) Teplota tání T m ( o C) Hustota S (kg/m 3 ) Ag 1, , Cu 1, , Au 2, , Al 2, , Měď a hliník Tyto dva kovy, jejich slitiny i kompozity jsou v elektrotechnice nejpoužívanější. V posledních letech se jejich roční světová spotřeba ustálila na tun Cu, což je 50 % celkové produkce a 1, tun Al, které tvoří 10 % produkce Al. Měď Je to kov růžově hnědý (načervenalý), poměrně těžký, dobře tvárný. Dobře se svařuje a pájí. Je poměrně dobře odolný proti korozi. Má dobrou elektrickou i tepelnou vodivost. Vodivost je ovlivněna obsahem příměsí a mechanickým zpracováním. Tvářením za studena rezistivita měděných vodičů roste v důsledku vzniku velkého množství poruch v mřížce. Původní strukturu lze po tváření obnovit žíháním. Pro posouzení vodivosti mědi i ostatních vodičů byl zaveden mezinárodní standard IACS (International Annealed Copper Standard), kterému odpovídá ρ = 1, Ωm nebo σ = S/m. Čistá elektrovodná měď se dodává s obsahem 99,85 až 99,97 % Cu a s odpovídající vodivostí 96,5 až 100 % IACS. Podle mechanického zpracování je ve formě měkké, polotvrdé a tvrdé. měkká pevnost do 300 MPa, (je dobře ohebná, el. vodiče, kabely, vinutí strojů) polotvrdá MPa (je ještě tvárná, venkovní vodiče, profilové vodiče mech. namáhané) tvrdá MPa, (má značnou pevnost a pružnost, venkovní vedení VN a silně namáhané konstrukční části el. přístrojů, komutátory, svorky apod.). Zpracovává se hlavně tvářením, obtížněji se obrábí (maže se), špatně zatéká při odlévání. Lze ji svařovat i pájet na měkko i na tvrdo. Při ohřátí na 150 C na povrchu vzniká červená vrstva 3

5 oxidu měďného. Na měď působí škodlivě (leptá), kyselina dusičná, solná a sírová. Plošné spoje se leptají roztokem chloridu železitého. Měď je diamagnetická. Pro zvýšení odolnosti proti tečení a pro vyšší pevnost při teplotách okolo 350 o C je do elektrovodné mědi přidáno malé množství (do 1%) Ag, Sn, Cr, Zn a Cd. Příměsi vyvolají zpevnění až na R m = 650 MPa, ale vodivost se zmenší na 45% IACS. Měď je možno zpevňovat drobnými částicemi, které jsou nekoherentní s krystalovou mříží, zpevňují ji, ale rezistivita stoupá pomaleji, nežli je tomu při zpevnění vyvolaném kovovými prvky. Používá se velmi jemných, disperzně vyloučených částic Al 2 O 3, které zpevní matrici až na R m = 560 MPa, přičemž se konduktivita zmenší pouze na 80% IACS. Pro vakuové aplikace, tzv. vakuová měď nesmí obsahovat kyslík. Elektrolyticky rafinovaná měď má čistotu 99,99%. Vakuová měď se vyrábí tavením a odléváním ve vakuu. Teplota tání je υ = 1083 o C. Pro elektroniku jsou důležité Cu folie vyráběné elektrolyticky, lepené na tvrzený papír kartit nebo sklotextit fenolovou nebo epoxidovou pryskyřicí plošné spoje nebo plastické folie polyetylen, polypropylen, polytetraetylen, s folií Cu jsou ohebné plošné spoje používané jako propojovací kabeláž. Hlavní světové naleziště rudy pro výrobu mědi je v jižní Americe, v Čile. Z kompozitních materiálů jsou důležité dvojkovové vodiče z kombinací Al-Cu, Cu-Fe. Kombinují přednosti svých komponent, to je dobrou vodivost a kontaktní vlastnosti mědi, malou hustotu hliníku a pevnost železa. Například Exconal má jádro z Al (čistoty 99,5%)a měděný plášť, při vodivosti 80% IACS má dobré kontaktní vlastnosti a je lacinější než měď. Pro výrobu plošných spojů se využívají kompozity izolant-kov, na základní desku z vrstveného plastu je nalisována 40 µm tlustá měděná folie. Pro speciální účely se v elektrotechnice využívají slitiny Cu s dalšími neželeznými kovy. Bronzy jsou slitiny Cu-Sn s případnými dalšími prvky jako Zn, Pb, Be. Dosahují pevnosti až 1000 MPa, ale mají i značně vyšší rezistivitu než elektrovodná měď. Dalším typem slitin jsou mosazi Cu-Zn. Dají se dobře tvářet, jsou pevnější než měď, dobře odolávají korozi. Hlavní použití vodivých materiálů na bázi mědi je pro vinutí statorů a rotorů motorů a generátorů, pro vinutí transformátorů, trolejové dráty, vodiče různých průměrů a izolací, vodivé součástky různých elektrotechnických výrobků (stykače, relé, rozváděče atd.) Slitiny Cu jsou mosaze a bronzy. Slitiny mědi Mají významné místo v elektrotechnickém průmyslu, kde se kromě výborné elektrické vodivosti uplatňují i dobré mechanické vlastnosti, vysoká tepelná vodivost, odolnost proti korozi a dobrá technologická zpracovatelnost. Pro konstrukční účely se využívají zejména slitiny mosaz a bronz. Pevnost technicky čisté mědi je asi 300 MPa. Mosaz je slitina mědi se zinkem, příp. s dalšími prvky. Na strukturu a vlastnosti má rozhodující vliv chemické složení. Podle obsahu zinku rozeznáváme několik typů slitin, které se vlastnostmi i zbarvením značně liší. Slitiny do 38% Zn jsou měkké, dobře tvárné za studena, červené až sytě žluté a používají se pro tažení a lisování plechových součástí. Slitiny se 46 50% Zn jsou křehké, méně pevné a mají světlejší zabarvení, jejich výhodou je cena díky nižšímu obsahu deficitní mědi. Mosazi s více než 80% Zn se nazývají tombaky. Pevnost mosazí je závislá na chemickém složení a zpracování a pohybuje se od 300 do 700 MPa. Použití mosazí je velmi rozsáhlé od výroby trubic, sít, manometrů, objímek žárovek, hudebních nástrojů, chladičů až po bižuterii. Bronzy jsou slitiny mědi s cínem, příp. s hliníkem, manganem, niklem, beryliem, olovem a podle toho se nazývají cínové, hliníkové atd. Bronzy cínové jsou nejznámější a nejrozšířenější. Do 9% Sn jsou tvárné, s vyšším obsahem do 20% Sn je lze pouze odlévat. 4

6 Barva slitiny s přísadou cínu nad 5% přechází do zlatova až bíla. Již malé přísady cínu mají značný vliv na mechanické vlastnosti a deformačním zpevněním lze dosáhnout pevnost až 800 MPa. Význačnou vlastností je dobrá odolnost proti korozi a malý součinitel tření. Světový nedostatek cínu však použití omezuje. Bronzy hliníkové jsou slitiny mědi s hliníkem (do 10% Al). Vynikají velkou pevností a tvrdostí. Lze je za tepla tvářet. Velmi dobře odolávají kyselinám a jiným agresivním prostředím i za vyšších teplot. Bronzy beryliové (asi 2% Be) dosahují po tváření a tepelném zpracování pevnosti až 1200 MPa a vyznačují se velkou odolností proti chemickým účinkům. Typické použití je na vysoce namáhané pružiny. Mosaz Cu (60%) + Zn, kov žluté barvy Větší mechanická pevnost, levnější, tažná, zpracování lisováním, snadné sváření Mosazi ke tváření (58 96% Cu), k odlévání (58 63%) Cu, označené Ms 80, Ms 85, Ms 90 S větším obsahem Cu než 80 % se nazývá tombak Mosazi niklové alpaka, pakfonk, nové stříbro, konstantan a nikelin mají světlou barvu. Mosazi cínové odolné proti korozi pro výrobu pružin Ms 54 (750 C) tvrdá pájka na pájení mědi, bronzu, mosazi a oceli Ms 63 objímky žárovek, špičky ovíjených spojů Bronzy Cu, Sn, Al, Si, Be apod. Dobrá el. vodivost, velká mech. pevnost, velká tvrdost a odolnost proti korozi. Bronzy k tváření a pro slévárenské účely. Cínový bronz na sběrací kroužky motorů Přidáním Zn + Pb do cínových bronzů vznikají červené bronzy s lepší slévatelností. Fosforový bronz se používá k výrobě pružin (relé, el. měřicí přístroje) Hliníkové bronzy Cu + Zn + Al do 10% mají nejmenší hustotu, jsou odolné proti korozi. Křemíkové bronzy Si do 5 % mají velkou pevnost a odolnost proti korozi pro silně namáhané pružiny přístrojů Beryliové bronzy Be do 2,5%. Pevností a pružností se vyrovnají oceli pružiny a péra. Hliník Je to stříbrobílý kov s velmi dobrou tvárností za tepla i za studena. Proti Cu má menší hustotu a nižší pevnost. Na vzduchu se velmi rychle pokrývá tenkou (nm), tvrdou nevodivou a chemicky stálou vrstvou Al 2 O 3. Kontaktní vlastnosti jsou, díky izolujícímu oxidu, horší než u Cu. Vrstva Al 2 O 3 se často využívá jako korozně odolná povrchová ochrana. Také pájitelnost a svařitelnost hliníku je horší než u mědi. Nízký bod tání způsobuje zvýšenou tendenci k tečení hliníkových vodičů za studena, což opět zhoršuje kontaktní vlastnosti. Je nutné pravidelné dotahování svorek Podobně jako elektrovodná měď se hliník dodává ve formě měkké, polotvrdé a tvrdé s odpovídajícími hodnotami rezistivity 166 až 182% IACS, přičemž mez pevnosti stoupne ze 70 na 180 MPa. Hliník dělíme na měkký (70 90 MPa) - polotvrdý ( MPa) - tvrdý ( MPa) 5

7 Elektrovodný hliník Al(91,55%) výroba elektrolyticky (čistota 99,99%) a pásmovým tavením (čistota až 99,9999%). υ = 659 C. Je paramagnetický. V porovnání s Cu je dostupnější, lehčí, odolnější proti korozi. Umožňuje anodickou oxidaci (eloxování), tepelně odolná vrstva je velmi tvrdá. Menší el. vodivost a horší mechanické vlastnosti.. Sváření v ochranné atmosféře nebo při použití zvláštního tavidla., plamenem, el. obloukem wolframovou elektrodou v argonu, odporovým ohřevem nebo tlakem za studena. Al lze pájet měkkou (páj. prostředek) i tvrdou pájkou popř. s použitím ultrazvuku. Při obrábění se maže. Na vzduchu rychle oxiduje, oxid je nevodivý. Pozor na spoje Cu + Al (cupalové, příp. pozinkované spojky). Nejbližší naleziště suroviny pro výrobu hliníku bauxitu je v Maďarsku. Vliv tváření se dá odstranit žíháním při teplotách 220 až 350 o C. Slitiny hliníku se používají pro vyšší teploty či větší mechanická namáhání. Jako přídavné prvky se nejčastěji používají Si a Mg. Dispersně se zpevňuje hliník drobnými zrny oxidů SiO 2 + MgO, které opět nejsou rozpustné v kovové matrici a většinou vzniknou vhodným tepelným zpracováním. Příkladem může být kov obsahující 0,5% MgO + 5% SiO 2 + 3% Fe + Al s pevností až 350 MPa a s rezistivitou ρ = 3, Ωm, používaný na venkovní vn a nn vedení a slitina 0,9% MgO + 3% SiO 2 + 7,5% Fe + Al, která má zvýšenou odolnost proti tečení a používá se pro vinutí velkých točivých strojů. Pro vysokonapěťové nadzemní vodiče se používají kompozitní materiály Al-Fe nebo slitina (0,5% MgO + 5% Si + Al-Fe) pro lana spojujících pevnost ocelového jádra s dobrou vodivostí a nízkou hmotností hliníku. Hliník je důležitý materiál pro vytváření expandovaných kontaktů a metalizace IO na bázi křemíku. V elektrotechnice si v aplikacích udržuje klíčové postavení měď, přestože její náhrada lacinějším hliníkem probíhá již od padesátých let minulého století. Ve válečném období byl velký nedostatek mědi. Porovnání vodičů z elektrovodné mědi, hliníku a z disperzně vytvrzené slitiny 0,5% MgO + 5% SiO 2 + 3% Fe + Al se stejným odporem podává tab. 2. Tab. 2 Porovnání vlastností vybraných vodičů při stejném el. odporu Vodič Průměr vodiče Plocha průřezu Hmotnost Mez pevnosti Cena E-Cu 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % E-Al 127 % 160 % 48 % 80 % 50 % E-ALMgSi 137 % 187 % 54 % 150 % 50 % Použití: Lana venkovních vedení Al + Fe, vodiče, jádra silových kabelů, vinutí velkých transformátorů a velkých točivých strojů, klecová vinutí motorů. Al folie pro kondenzátory, tenkovrstvé struktury IO, vodivé cesty, cívky vysokotónových reproduktorů apod. Slitiny hliníku Hliník se vyznačuje malou hustotou a je řazen mezi lehké kovy. Mechanické vlastnosti jsou silně závislé na čistotě a chemickém složení a velmi výrazně je lze ovlivnit technologií zpracování. Pevnost technicky čistého hliníku je asi 70 MPa, u slitin tepelně zpracovaných však dosahuje až 400 MPa i více. Nepříjemnou vlastností technicky čistého hliníku je sklon 6

8 k tečení a k relaxaci i za teplot okolo 300 K. Tvářením za studena lze hliník deformačně zpevnit. Rekrystalizační teplota je 340 až 380ºC. Odolnost proti povětrnostním vlivům je dobrá, neboť atmosférickou korozí vzniká na povrchu pevně lpící oxidická vrstva Al 2 O 3, která brání další oxidaci. Poměrně dobře odolává hliník kyselinám, silněji je napadán kyselinou solnou. Špatně odolává alkalickým roztokům. Díky nízkému elektrochemickému potencionálu je velmi nebezpečná elektrochemická koroze při kontaktu s jiným kovem, zejména s mědí. Zvýšení odolnosti proti korozi lze dosáhnout eloxováním (anodická oxidace), což má za následek vytvoření oxidické vrstvy větší tloušťky. Na eloxovaném povrchu dobře lpí ochranné nátěry. Pro konstrukční účely se používají téměř výhradně slitiny hliníku. Tvářené slitiny hliníku obsahují příměsi, které jsou omezeně rozpustné v krystalové mřížce hliníku a umožňují tedy precipitační vytvrzování. Nejvýznamnější vytvrditelnou slitinou hliníku je duralumin (dural), která obsahuje asi 4% Cu a příp. další příměsi (Mg, Mn). Duralumin je tvárný za tepla i za studena. Ve vytvrzeném stavu dosahuje pevnosti přes 400 MPa. Nejvyšší pevnosti dosahuje slitina hliníku se 6% Zn (dále Mg, Cu, Mn), a sice asi 580 MPa. Slévárenské slitiny hliníku jsou převážně legovány křemíkem a nejznámější je silumin, který obsahuje asi 12% Si. Pevnost je asi 200 MPa. Slitina je křehká a nelze ji zpracovat tvářením. Dalšími přísadami Mn, Mg, Cu lze vlastnosti příznivě ovlivnit, příp. umožnit precipitační vytvrzování. Díky dobrým slévárenským vlastnostem se slitiny používají na složité a tenkostěnné odlitky, např. součásti motorových vozidel a elektrotechnických přístrojů. Slitiny Al pro slévárenství a ke tváření. Zlepšuje se u nich mech. pevnost, snižuje tečení za studena. Dularumin (4 % Cu, 0,6% Mg, 0,6% Mo) pevnost v tahu MPa Superdural pevnost až 580 MPa Silumin pro odlévání skříní el. strojů, kryty kabelových spojek apod. Další elektrovodné materiály: Lehké kovy Hořčík Mg Je na vzduchu snadno zápalný, lesklý, málo pevný a málo tvárný. Materiál nazvaný elektron Mg + 3 až 10% Al se používá disky kol pro sportovní auta. Berylium je šedý kov, má vynikající mech. vlastnosti, zejména při vysokých teplotách (beryliová bronz). Kovy s nízkou teplotou tání (do 420 C) Rtuť Hg Stříbřitě světlý kov, lesklý. Rtuť i její páry jsou jedovaté. Teploměry (i se zatavenými kontakty), výbojky, galvanické články, kapalné kontakty, dříve i usměrňovače. S některými kovy tvoří amalgamy. Galium Ga Kov namodralé barvy.používá se k dotování germania. AsGa je významný polovodičový materiál provf. 7

9 Indium In Stříbřitě lesklý kov používaný v polovodičové elektronice. AnIn pro Hallovy sondy. Cín Sn modifikace α (šedý prášek) a β (běžně používaná) Pocínování Cu a Fe plechů, folií a drátů. Je to supravodivý materiál. Cínový bronz a měkké pájky. Je to kov světle šedé barvy, odolný proti korozi. Používá se pro pocínování Cu a Fe plechů v potravinářství (není jedovatý), jako povrchová ochrana, folie na balení potravin staniol), slitiny a pájky. Olovo Pb Měkký kov modrošedé barvy, má malou pevnost. Dříve ochranné pláště silových kabelů před vlhkostí, dnes hlavně pájky, Pb pohlcuje rentg. záření (stínění). Je to supravodič. Pb i jeho sloučeniny jsou jedovaté. Vizmut Bi Křehký kov světlošedé barvy. V magnetickém poli se zvětšuje jeho rezistivita (magnetorezistory). Použití: snadno tavitelné pájky a magnetorezistory. Antimon An Křehký kov stříbřitě světlé barvy. Používá se k dotování germania. Zinek Zn Je to kov světle namodralý, lesklý, lze jej pájet. Používá se na elektrolytické pozinkování oceli, na elektrody galvanických článků, na výrobu slitin mosazi a tvrdých pájek. Kadmium Cd Je měkký, stříbřitě bílý kov. Vlastnostmi se podobá zinku. Je jedovatý. Elektrody NiCd akumulátorů, elektrolytické kadmiování ocelových součástek, přísada do pájek pro pájení Ag povlaků keramických kondenzátorů a piezorezonátorů. Kovy se střední teplotou tání ( C): Nikl - Ni Kov světlešedé barvy, lesklý, poměrně těžký a dobře tvárný. Je feromagnetický. Odolný proti atmosférickým vlivům. Má velký koeficient magnetostrikce. Použití na díly vakuové techniky, slitiny magnetické, odporové, termoelektrické a jako povrchová ochrana kovů. Kobalt Co Kov bílé barvy, feromagnetický, pro magnetické slitiny s Fe, rychlořezné a žáruvzdorné oceli. Železo Fe Základní konstrukční materiál a materiál pro feromagnetické slitiny. Bližší popis vlastností je uveden dále v samostatné kapitole. 8

10 Chrom Cr Světlý, lesklý kov, velmi stálý na vzduchu i v agresivním prostředí, odolný většině chemikálií. Má dobré mechanické vlastnosti i při zvýšené teplotě. Použití slitiny odporové s Ni, ušlechtilé oceli s Fe (nástroje) a k povrchovým ochranám (Cu + Ni + Cr). Kovy těžko tavitelné Výroba metodou práškové metalurgie. ( C) Wolfram W Kov ocelově šedé barvy, s nejvyšší teplotou tání, vysokou pevností v tahu. Slitiny s Fe, karbidové slitiny. Wolframové drátky (žhavicí vlákna, žárovky), tepelně namáhané součásti vysílacích elektronek a silně tepelně namáhané kontakty. Molybden Mo Kov světlešedé barvy. Držáky vláken v žárovkách, anody vysílacích elektronek. Molybdenové folie se používají jako nepřímé masky při výrobě tenkovrstvých IO při velkých výrobních seriích. Tantal Ta Vrstvy tenkovrstvých rezistorů, Ta elektrolytické kondenzátory, tantalový prach tvoří anodu a oxid Ta dielektrikum. Niob Nb Drahý kov světlešedé barvy, supravodivý. Oxid niobu tvoří dielektrikum některých elektrolytických kondenzátorů. Titan Ti Kov světlešedé barvy s malou el. i tepelnou vodivostí, s dobrými mechanickými vlastnostmi a vysokou odolností proti korozi. Je supravodivý. Používá se ve vakuové elektrotechnice jako přísada do různých slitin a poslední době našel uplatnění při výrobě silně namáhaných součástek při vyšších teplotách. Zirkon Zr Je světlý kov, odolává korozi. Používá se ve vakuové technice jako příměs do slitin. Slouží jako getr ve vakuových součástkách. Ušlechtilé kovy Zlato Au Žlutý, lesklý kov. Používá se v mikroelektronice pro vysokou odolnost proti normálnímu i agresivnímu prostředí. Netvoří se ani oxidační ani sulfidové povlaky. Je dobře slévatelné, mimořádně tvárné a tažné (válcování, tažení) a lze je spojovat tlakem a svářením. Kontakty, tenké propojovací vodiče v IO (drátky o Ф 17 nebo 25 µm), folie o tloušťce až 1 µm, galvanické vytváření ochranných a kontaktních ploch. 9

11 Stříbro Ag Kov světlešedé barvy má největší el. vodivost. Lze vyrobit folie tenké až 5 µm a drátky o Ф 20 µm. Na vzduchu neoxiduje, působením síry však černá. Elektrody keramických kondenzátorů tvoří vpálená vrstva stříbrného laku. Součásti pro VF techniku se elektrolyticky stříbří. Kontakty pro NN se vyrábějí za slitin Ag, tvrdá pájka, tlustovrstvé vodivé a odporové dráhy se vyrábějí z past na bázi Ag + Pd, Ag + Pt, tantalové kondenzátory. Kovy platinové skupiny: Platina Pt Patří mezi nejtěžší kovy s velmi dobrou odolností proti atmosférickým i chemicky agresivním vlivům. Použití pro napěťově i proudově namáhané kontakty v náročnějších podmínkách a katalytické spalování.. Paladium Pd Podobá se Pt, je však dostupnější a levnější. Používá se pro kontakty a jako tvrdá pájka. Iridium Ir a osmium Os Mají největší hustotu z kovů, tvrdost a vysokou odolnost proti korozi slitiny pro vysoce namáhané kontakty. Rhodium Rh a Ruthenium Ru Použití pro kontaktní slitiny a Rh pro galvanické povlaky částí kontaktů vystavených povětrnostním a chemickým vlivům. Alkalické zeminy Baryum Ba, stroncium Sr, vápník - Ca Snadno oxidují, musejí být pokryté ochrannou vrstvou. Použití na oxidové katody vakuových elektronek. Baryum slouží jako getr pro zlepšování vakua. Alkalické kovy Mají malou výstupní práci, proto se používají na oxidové katody. Snadno se chemicky slučují. Lithium Li Má nejmenší hustotu, z kovů je nejměkčí. Použití na slitiny, galvanické články s dlouhou životností. Je to jedovatá látka. Sodík Na a draslík K Použití : fotokatody, sodíkové páry jsou využity ve výbojkách. Cesium Cs a rubidium - Rb Jsou měkké a tvárné jako vosk. Používaly se na fotokatody elektronek a fotonek. Materiály vodivých vrstev Vodivé vrstvy jsou důležitou součástí integrovaných obvodů. Samozřejmý požadavek na vysokou vodivost je u nich doplněn požadavkem na dobrou adhezi k podložce i k dalším vrstvám a na odolnost proti elektromigraci a korozi. Tenké vrstvy (do stovek nm) jsou většinou z čistých kovů a nanášejí se odpařením a kondenzací ve vakuu, nebo katodovým 10

12 naprášením. Pro tenké vrstvy se jako podklad používají reaktivní kovy Cr, NiCr, Ti, Al s dobrou adhezí k podložce a překryjí se kovem s vysokou vodivostí a dobrou korozevzdorností (Au, Ni, Pd). Tlusté vrstvy, aplikované převážně v technologii hybridních integrovaných obvodů (desítky µm), se nanášejí v pastách ze směsi kovových a skleněných částic a organického nosiče za použití sítotiskových technologických postupů a po nanesení se vypalují. Podložkou bývá korund (Al 2 O 3 ), sklo tvoří spoj vrstvy s podložkou. Přenos proudu ve vrstvách se děje průchodem přes kontakty kovových částic a dobrá vodivost je podmíněna obsahem nejméně 60 až 70% kovu. Používá se slitin drahých kovů Ag-Pd, Ag-Pt, Pt-Au. Zlato a stříbro zajišťují dobrou vodivost, Pt a Pd brání elektromigraci. Levnější pasty jsou vyráběny na bázi Cu, Al, Ni, a Mo-W. Obdobnými sítotiskovými postupy se nanášejí standardní pájky (PbSn) ve formě pájecích past na pájecí body plošných spojů. Prostřednictvím osazovacích automatů jsou na tyto body osazovány součástky pro montáž SMD a následně zapájeny. Železo a jeho slitiny Podíl slitin železa na světové spotřebě kovů je asi 95%. Důvodem je jednoduchá a dobře zvládnutá technologie výroby a zpracování a zejména velká rozmanitost dosažitelných fyzikálních a mechanických vlastností. Rozhodující vliv na vlastnosti slitin má obsah uhlíku, dále přísad manganu, křemíku, niklu, chrómu, molybdenu, wolframu atd. Velmi nepříznivě se projevují nečistoty jako kyslík, síra a fosfor. Podle chemického složení označujeme slitiny jako oceli, příp. litiny. Ty dále dělíme na uhlíkové a slitinové (legované). Oceli jsou kujné (tvárné), naopak litiny jsou nekujné a až do teploty natavení křehké. Uhlíkové oceli a litiny Podle obsahu uhlíku dělíme na technicky čisté železo (asi 0,03% C), oceli (do 2% C) a litiny (2% až 4 % C). Uhlík je ve slitinách buď chemicky vázán ve formě karbidu železa Fe 3 C (tzv. cementit) nebo volný ve formě grafitu. Forma uhlíku je závislá zejména na chemickém složení a na rychlosti ochlazování při přechodu z kapalné do tuhé fáze (krystalizace). Uhlíkové oceli Maximální obsah uhlíku je dle definice 2% (hranice mezi kujným a nekujným stavem), jak vyplývá z rovnovážného diagramu Fe-C. Za normálních okolností je prakticky všechen uhlík chemicky vázán ve formě Fe 3 C, který je pevný a velmi tvrdý. Cementit je ve struktuře zastoupen ve formě lamel nebo globulek. Zejména lamelární cementit velkou měrou zvyšuje mechanickou pevnost a mez kluzu. Naopak snižuje tvárnost a houževnatost. Pouze nepatrná část uhlíku (asi 0,02%) je rozpuštěna v krystalové mřížce železa ve formě tuhého roztoku a na mechanické vlastnosti nemá prakticky vliv. Obecně platí, že s rostoucím obsahem uhlíku roste pevnost a tvrdost, jak dokumentují údaje v tabulce 3. Vlastnosti uhlíkových ocelí lze výrazně ovlivnit tepelným zpracováním. Největší význam má žíhání a kalení. Žíhání je dlouhodobý ohřev na určitou teplotu a následuje pomalé chladnutí. Přispívá k dosažení rovnovážného stavu, který se obvykle vyznačuje dobrou houževnatostí a menší pevností. Kalení je prudké ochlazení z dané teploty, které má u uhlíkových ocelí za následek výrazné zvýšení pevnosti a zejména tvrdosti. Kalitelné jsou oceli od obsahu uhlíku asi 0,3%. Čím je obsah uhlíku vyšší, tím jsou výraznější změny vlastností. Struktura je však tepelně a časově nestabilní. Následujícím ohřevem (popouštěním) se pevnost a tvrdost poněkud snižují, naopak houževnatost roste. 11

13 Tab. 3 Vlastnosti vybraných ocelí Obsah uhlíku (%) Pevnost R m (MPa) Charakteristika a příklady aplikací 0, velmi měkké: vhodné pro cementaci 0,2 0,3 420 měkké: trubky, plechy, stavební ocel 0,4 0,6 600 středně tvrdé: strojní součásti, hřídele, ozubená kola 0,8 1,2 800 nástrojové: nože, škrabáky, pily až 1,6 >800 rýsovací jehly Slitinové oceli Jsou legovány dalšími přísadami a dosahují speciálních vlastností. Dělíme je na nízkolegované (do 10% přísad) a vysokolegované (nad 10% přísad). Legováním lze dosáhnout vyšší pevnosti, tvrdosti, houževnatosti, odolnosti proti agresivnímu prostředí a proti opotřebení, žárupevnosti a žáruvzdornosti. Některé přísady, zejména nikl a mangan, způsobí, že ocel je i při teplotách okolo 300 K paramagnetická. Korozivzdorné oceli jsou chromové, chromniklové a manganochromové a jsou schopné pasivace povrchu. Chromové obsahují asi 11,5% Cr. Výjimečné postavení mají chromniklové austenitické oceli (asi 18% Cr, 8% Ni a další modifikace), které velmi dobře odolávají kyselině dusičné a zředěné kyselině sírové, chlorovodíkové a některým organickým kyselinám. Žárupevné oceli musejí odolávat vysokoteplotnímu tečení (creepu). Pro teploty 600 až 750ºC jsou to oceli chromové a chromniklové různých modifikací. Pro teploty do 1100ºC jsou to zejména niklové slitiny typu nimonic, příp. kobaltové. Pro nejvyšší teploty se používají kovokeramické materiály - cermety (1200ºC), konstrukční keramika na bázi Al 2 O 3, nebo SiC (1400ºC) a slitiny vysokotavitelných kovů W, Mo, Nb (do 2000ºC). Litiny Jsou slitiny železa s obsahem uhlíku 2 až 4%. Na strukturu a vlastnosti mají vliv další přísady, zejména mangan a křemík. Podle chemického složení a podmínek při krystalizaci taveniny je uhlík částečně vázán ve formě Fe 3 C a zbytek je volný ve formě grafitu. Čím je vyšší obsah manganu a vyšší rychlost ochlazování při přechodu z kapalné do tuhé fáze, tím větší podíl uhlíku je vázán ve formě karbidu (cementitu) a litina má bílý lom (bílá litina). Při pomalé krystalizaci a vyšším obsahu křemíku je větší část uhlíku vyloučena ve formě grafitu, který způsobí, že lom je šedý (šedá litina). Šedá litina Grafit je v základní struktuře vyloučen ve formě lamel či lístečků, které narušují celistvost matrice a způsobují tak křehkost a malou pevnost litiny. Čím jemnější jsou lamely grafitu a pravidelněji uspořádány, tím jsou mechanické vlastnosti příznivější. Tvar i rozdělení grafitu lze ovlivnit technologií spočívající v přidávání speciálních přísad do taveniny těsně před odléváním (očkování). Tak lze dosáhnout kuličkového tvaru grafitu, který méně narušuje základní hmotu a litina se vyznačuje vyšší pevností a určitou tažností (tvárná litina). U běžné šedé litiny je tažnost prakticky nulová. 12

14 Bílá litina Veškerý uhlík je ve formě tvrdého a křehkého cementitu, a proto jsou bílé litiny extrémně tvrdé a křehké. Prakticky je nelze třískově obrábět, lze je pouze brousit. Jako konstrukční materiál nemají prakticky význam a používají se pouze u tvrzených litin na odlitky s vysokou odolností proti mechanickému opotřebení. Materiály na bázi uhlíku a jeho kompozity Do této skupiny řadíme elektrotechnický uhlík, vodivé plasty a kompozity typu grafit-kov, plast-kov a plast-grafit. Elektrotechnický uhlík Je nejznámější a nejdéle používaný. Uhlík se v přírodě vyskytuje jako krystalický anebo amorfní. Krystalický uhlík s koordinačním číslem 4 má diamantovou mřížku, atomy jsou vázány silnou kovalentní vazbou, je tvrdý, průsvitný a nevodivý. Struktura grafitu s koordinačním číslem 3 je vrstevnatá. Ve vrstvách je trojnásobná koordinace atomů uhlíku daná hybridizací. Atomy vázané kovalentně jsou umístěny v rozích pravidelných šestiúhelníků tvořících vrstvy. Vrstvy jsou k sobě poutány slabými vazebními silami druhého řádu. Tím jsou dány i mechanické vlastnosti, malá pevnost a štípatelnost ve směru vrstev. Čtvrtý valenční elektron se může snadno pohybovat v rovině vrstvy a chová se podobně jako volné elektrony v kovech. Tím se vysvětluje dobrá tepelná i elektrická vodivost grafitu a jeho neprůsvitnost. Velikost rezistivity a záporný teplotní součinitel odporu řadí grafit na hranici mezi vodiči a polovodiči (ρ = 10-5 Ωm, α = K -1 ). Amorfní uhlík Připravuje se pyrolýzou organických látek, má strukturu s různým stupněm uspořádanosti a velmi složitým prostorovým umístěním základních stavebních jednotek o rozměrech nm. Fyzikální a mechanické vlastnosti jsou podobné grafitu. Zvláštním rysem grafitu je, že se netaví, jeho oxid je plyn, a tím jsou jeho povrchové vlastnosti stálé. Pro elektrotechniku se používá různě technologicky a tepelně zpracovaný uhlík. Podle stupně krystalinity a obsahu nečistot se jeho rezistivita mění od 10-5 do 10-4 Ωm. Technologií přípravy ovlivňujeme i jeho tvrdost a koeficient tření. Velké množství elektrotechnického uhlíku se používá pro kartáče elektrických strojů, které přivádějí proud k rotujícím částem. Je nutné, aby kromě vodivosti měly i žádanou tvrdost, pevnost, životnost a malý součinitel tření. Někdy se používá kompozitů grafit-kov. Jsou vyráběny ze směsi práškového grafitu a prášku kovů, hlavně stříbra a mědi. Jejich rezistivita leží mezi až 10-8 Ωm. Uhlíkové elektrody se dále používají pro obloukové pece, oblouková svítidla, elektrolýzu, galvanické články a pro svařování. Z grafitového prášku se vyrábějí vrstvové rezistory pro slaboproudou elektrotechniku nebo hmotové rezistory ve tvaru hranolů, válců a desek, hodící se pro elektrické vytápění. Polymerní kompozity Skládají se z polymerní matrice a plnidel na bázi kovových prášků nebo sazí ve formě grafitu. Obsahem plnidla v matrici lze ovlivňovat hlavně rezistivitu kompozitu, která se mění v širokém rozsahu. Pod perkolačním prahem (perkolační práh je stav náhlého snížení rezistivity se vzrůstajícím obsahem C) se rezistivita kompozitu blíží rezistivitě matrice (

15 až Ωm). S rostoucím obsahem grafitu se vytvářejí podél makromolekulárních řetězců polymerní matrice vodivé řetízky zprostředkující transport náboje. Nad perkolačním prahem má kompozit rezistivitu 10 0 až 10 2 Ωm. Při ohřevu těchto materiálů dochází v důsledku tepelné roztažnosti matrice k přerušení vodivých řetězců a razantnímu nárůstu rezistivity, tento proces je reverzibilní, po ochlazení se opět vytvoří vodivá síť. Polymerní kompozity na bázi grafitu se používají pro výrobu kontaktů, ohebných elektrických vodičů, antistatických podlah, stínících krytů přístrojů, topných těles apod. 2. Materiály odporové Používají se kovy, nekovy i jejich kompozity. Všeobecné požadavky na jejich vlastnosti jsou: 1. Velká rezistivita, malý teplotní součinitel odporu, stabilita odporu při provozu, malé termoelektrické napětí vůči mědi (v měřící technice). Dobrá spojovatelnost a dobré kontaktní vlastnosti. 2. Velká pevnost a odolnost proti tečení, korozi a oxidaci za vyšších teplot (pro topné účely). Z kovových materiálů jsou nejvhodnější slitiny, které mají proti čistým kovům nižší teplotní součinitel odporu. Čisté kovy se používají ve speciálních případech, např. pro vysoké teploty. Podle rezistivity je můžeme dělit na nízkoodporové a vysokoodporové. Rezistivita odporových materiálů bývá zpravidla v rozmezí ρ = (0,02 až 2) µω m teplotní činitel odporu α R = (10-6 až 10-4) K -1 v rozmezí teplot 0 až 100 C Nízkoodporové kovové slitiny Jsou to slitiny Cu s Ni a Mn. Nejznámější jsou slitiny konstantan, nikelin a manganin. Jejich složení a typické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 4. Tab. 4. Vlastnosti nízkoodporových slitin při 20 o C Materiál (při 20 o C) Složení (hm. %) Rezistivita ρ (Ωm) Teplotní_součinitel odporu α R (K -1 ) Mez pevnosti R m (MPa) Max. teplota ( o C) Konstantan 54Cu45NiMn 0, Nikelin 67Cu30NiMn 0, , Manganin 84Cu12MnNi 0, Konstantan se používá pro výrobu drátových rezistorů do 500 o C. Snadno se pokrývá izolační vrstvou oxidů, takže se z něho dají přímo navíjet rezistory bez další izolace. Nevýhodou je velké termoelektrické napětí při kontaktu s Ag, Cu a Fe. Nikelin se používá pro výrobu rezistorů do 400 o C. Nejužívanější je manganin s nejmenším α R i s malým termoelektrickým napětím vůči Cu. Používá se do měřících přístrojů, odporových normálů a přesných rezistorů. Dobře se zpracovává na tenké drátky nebo pásky. 14

16 Vysokoodporové kovové slitiny Používají se pro výrobu topných odporů do elektrických pecí a jiných elektrotepelných zařízení. O jejich složení rozhoduje odolnost proti oxidaci a stabilita vlastností za vysokých teplot. Z cenových důvodu se používají slitiny Fe, do kterých se přidávají Cr, Ni a Al. Chrom a hliník se při oxidaci pokrývají tenkou stabilní vrstvou Cr 2 O 3, respektive Al 2 O 3, která brání oxidaci do hloubky. Jejich vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 5. Pro nejvyšší teploty se užívají kovy s vysokým bodem tání jako wolfram, molybden, tantal a niob ve formě drátků a pásků. Tyto čisté kovy však snadno oxidují, proto musí pracovat v ochranné atmosféře (Ar, H, N ) nebo ve vakuu (10-1 Pa). Bez ochranné atmosféry se dá použít jen platina. Tab. 5. Vlastnosti vysokoodporových slitin při 20 o C Materiál Složení (hmotnost. %) Rezistivita ρ (Ωm) Teplotní_součinitel odporu α R (K -1 ) R m (MPa) Max. teplota ( o C) Cr- ocel 30Cr1MnFe 0, Nichrom 80 80Ni20Cr 1, , Nichrom 60 6Ni15Cr1SiFe 1, Kanthal 75Fe20Cr5Al 1, Nekovové odporové materiály Používají se v přístrojové i elektrotepelné technice. Pro vysoké teploty se jako topná tělesa využívají hmotové odporníky lisované z prášků uhlíkových, karbidických (SiC) nebo oxidických. Někdy se kombinují kovové prášky s nevodivými oxidy. Tyto látky mají větší tepelnou stabilitu než kovy, u kterých vysoké provozní teploty snižují životnost (oxidace, tečení). Složení a vlastnosti typických zástupců této skupiny jsou uvedeny v tabulce 6. Na rozdíl od kovů jsou křehké, neodolávají rázům a ohybovému namáhání. Tab. 6. Vlastnosti nekovových odporových materiálů při 20 o C Materiál Složení Rezistivita Max. pracovní teplota (hmotnostní) ρ (Ωm) ( o C) Silit SiC, MoSi Grafit C 10-3 až Kompozit (W, Mo, Ta, Th)+(Al 2 O 3, ThO 3, Y 2 O 3 ) Odporové vrstvy Využívají se při výrobě diskretních součástek a integrovaných obvodů. Technologie jejich přípravy je stejná jako u vodivých vrstev. Tenkovrstvé rezistory pro integrované obvody se vyrábějí z čistých kovů i ze slitin (Cr, NiCr, Ta, Ti, Mo, W), u kterých požadujeme dobrou přilnavost k substrátu a odolnost proti elektromigraci. Charakteristický je vzrůst rezistivity materiálu ve vrstvě na 100 až 1000 násobek objemové rezistivity v závislosti na technologii 15

17 výroby vrstvy. Dalším typem jsou tak zvané cermety (ceramic + metal), u kterých je vrstva tvořena kovem a dielektrikem (Cr-SiO 2). Rezistivita závisí na obsahu kovu a můžeme ji měnit v rozsahu 10-5 až 10 2 Ωm. Tlustovrstvé rezistory mají základ v pastách tvořených prášky kovů Au, Ag, Pt, Pd a jejich některých slitin spolu s polovodivými oxidy prvků jako Pd, In, Ti, Ru, Ir, W, dále skleněného prášku a organického pojiva. Rezistivita se dá měnit v širokém rozsahu 10-5 až 10 5 Ωm podle složení a zpracování. Rezistory, trimry a potenciometry pro slaboproudou elektrotechniku se vyrábějí nanesením odporové vrstvy na izolační podložku z keramiky nebo tvrzeného papíru (pertinaxu). Používají se vrstvy z elektrotechnického uhlíku nebo vodivého laku s koloidními částicemi kovů nebo grafitu. Vrstva po nanesení se vytvrzuje vypálením nebo polymerací. Podle použití rezistory dělíme pro: a/ měřicí a regulační techniku (požaduje se malý teplotní koeficient rezistivity, případně i malé termoelektrické napětí při styku s mědí) b/ topné účely (vysoká tepelná odolnost) Rezistory pro měřicí a regulační techniku: 1. Manganin (manganový bronz) 12% Mn + 2% Ni pro stabilní rezistory (nechávají se uměle stárnout), má malé termoelektrické napětí při styku s Cu. 2. Konstantan (niklový bronz) 45% Ni, 1% Mn, Sn pro stabilní rezistory, tenzometry, termočlánky. 3. Nikelin (niklový bronz) 30% Ni + 3% Mn Není příliš stabilní, s teplotou se mění jeho odpor. 4. Kanthal (72%Fe+20%Cr+ 5%Al +3%Co) má největší rezistivitu 1,4 µωm. Rezistory pro řízení a spouštění el. strojů: Nikelin Litina výkonové spouštěče do prac. teploty 500 C Zeranin přesné odpory Isaohm, nikrothal, stabilohm pro vinuté, zejména vysokoohmové rezistory. Isotan pro drátové rezistory spotřební. Slitina Au + Cr má malý teplotní součinitel odporu. Chromnikl 20%Cr + 80%Ni, Cr + Ni, Cr + Ni + Fe, Fe + Cr + Al pro odporové vrstvy tenkovrstvých IO. Má velkou odolnost proti teplotě C, odolává oxidaci, chemickým vlivům a otřesům. Materiály pro elektrotepelné účely (topná tělesa, pece) Do 1350 C Slitiny Cr + Ni + Fe jsou nejlevnější, ale horší kvality. Fechral Fe + Cr + Al 20 30% Cr, 3 6 % Al Je tvrdší, ale křehčí a má menší tažnost. 16

18 Do 1600 C se používá SILIT, který se lisuje a spéká ze směsi karbidu křemičitého, Si a dalších přísad. Do C se používá W a Mo, ale musí být v ochranné atmosféře. Do 2500 C se používají uhlíkové materiály. Do 2600 C pak nepravé slitiny W, Mo, Ta, a jiné s oxidy Al 2 O 3, ZrO 3, ThO 2 3. Materiály pro el. kontakty Elektrické kontakty zprostředkují přenos proudu mezi částmi obvodů tvořenými kovy nebo na přechodech kov-polovodič. Slouží též k zapínání a vypínání proudů. V této části popisujeme kontakty, které mají zanedbatelnou potenciálovou bariéru rozhraní a mají ohmický charakter. Při průchodu elektrického proudu přes kontaktní rozhraní dochází k tzv. úžinovému jevu. Proud přechází stykovými ploškami, které jsou vždy menší než celková kontaktní plocha. V plochách dotyku je větší hustota proudu, vyšší teplota a větší rezistivita než mimo ně. Kromě toho mohou bránit průchodu proudu chemické sloučeniny vzniklé na povrchu kontaktu. Jedná se zejména o oxidy a sirníky kontaktních kovů vznikajících při rozepnutí kontaktu jako následek hoření oblouku. Celkový odpor kontaktu se skládá s odporu vodiče bez kontaktu R 0 L R o = ρ (1) S a kontaktního odporu R c. Jeho závislost závisí na průměru skutečné kontaktní plochy ρ Rc, (2) 2a kde ρ je rezistivita kovu kontaktu, a je průměr skutečné kontaktní plochy a dále na velikosti přítlačné síly kontaktu R c F 1, (3) pokud přítlačná síla kontaktu F odpovídá pružné deformaci kovu, popřípadě R c 3 1F, (4) pokud F odpovídá zatížení v oblasti plastické deformace. Pro případ kontaktu tvořeného dvěma různými kovy platí pro kontaktní odpor + R c 2 ρ1 ρ 2 H F, (5) Kde ρ 1 a ρ 2 jsou rezistivity kovů kontaktní dvojice, H je tvrdost (Brinell nebo Vickers) měkčího z obou kovů a F je síla v oblasti pružné deformace kovu. Vyšší teplota a přítlačná síla v dotykových bodech má za následek tečení materiálu, případně periodické svařování kontaktních ploch. Při spínání a rozpínání se vytvářejí v kontaktních plochách podmínky pro opakovaný vznik elektrického oblouku. Vysoká teplota plazmy oblouku působí odpaření kovu v kontaktních ploškách, snadnou oxidaci a vznik deformovaných oblastí, ve kterých při častém spínání dochází ke vzniku únavových trhlin a k mechanickému porušení. Souhrnně se tomuto ději říká elektroeroze. Materiály pro kluzné kontakty musí navíc být odolné proti abrazivnímu opotřebení. 17

19 Požadavky na materiály pro el. kontakty kov-kov lze shrnout takto: 1. malý přechodový odpor a jeho nezávislost na přítlačné síle, napětí a proudu 2. velká elektrická a tepelná vodivost, 3. vysoká odolnost proti působení a vzniku elektrického oblouku, 4. velká tvrdost a odolnost proti abrazi (otěru) 5. vysoká teplota tání 6. odolnost proti oxidaci Kontakty spínačů podle provedení dělíme na: - zdvihové - třecí (malý pohyb) - smykové (velký pohyb) Tvrdá či polotvrdá Cu se používá na kontakty smykové, méně zdvihové. Slitiny Cu fosforový nebo beryliový bronz, niklová mosaz v silové elektrotechnice Stříbro a jeho slitiny Ag + Cu, Ag + Cd, Ag + Pd, Ag + Ni (tzv. tvrdé stříbro) pro kontakty stykačů a výkonových spínačů. Na Ag nepříznivě působí sírovodík a sirné sloučeniny. Stříbro má malou mechanickou pevnost a tvrdost. Kontakty ze zlata uplatní se chemická odolnost (neoxiduje), stačí malá přítlačná síla. Nejrozšířenější jsou slitiny Au + 5% Ni, Au + 26% Ag + 3% Ni (konektory na deskách plošných spojů). Slitiny pro sdělovací techniku Pt + 20% Ir, Pd + 40% Ag s 40% Cu, nebo 6% Ni, nebo 10% W, nebo 5% Ru Kontakty pro silovou elektrotechniku: Nepravé slitiny W + Cu, W + Ag, Ag + Ni, Ag + C, Ag + CdO, Ag + Pb, Cu + Cd, Cu + W. Technologie: prášková metalurgie, nebo W skelet vyplněný roztaveným Ag. Vypínače VN: W + Mo Na smykové kontakty se používá stříbrografit. Nepravé slitiny W, plněný Ag atd. Rtuťové kontakty se umísťují do vyčerpané skleněné baňky. Kontaktní materiály dvojic kov-kov můžeme podle složení rozdělit do několika následujících skupin. Čisté kovy Mají nejlepší elektrickou a tepelnou vodivost. Z nejlepších vodičů není vhodný hliník. O použití ostatních rozhodují další hlediska. Zlato má velkou konduktivitu a největší odolnost proti korozi, je však drahé. Pt, Pd, Rh s vysokou odolností proti korozi jsou cenou srovnatelné se zlatem, jejich konduktivita je však horší. Velmi často se tyto drahé kovy používají ke galvanickému pokovení kontaktů měděných. Cenově dostupnější stříbro je nejlepší vodič, má však podstatně horší korozní odolnost, podobně jako měď. Čisté kovy jsou relativně měkké a používají se na nejméně mechanicky a elektricky zatěžované kontakty. Velmi dobré kontaktní vlastnosti má rtuť prakticky s nulovým kontaktním odporem. Velkou tvrdost a vysoký bod tání i odolnost proti hoření elektrického oblouku mají molybden a wolfram, proto se používají jako kontakty pro vysoké napětí. 18

20 Slitiny pro kontakty Základem těchto slitin jsou kovy s největší konduktivitou, další složky upravují mechanické a ostatní vlastnosti. Tvrdost Ag se například zvětšuje přídavkem Cu, Si nebo Ni. Používají se ve stykačích a relátkách. Slitina Ag-Cd-CdO se používá pro stejnosměrné kontakty, CdO zvyšuje odolnost proti hoření elektrického oblouku. Z měděných slitin se používají některé bronzy, např. 8% CuAg nebo 3% BeCu, zde přídavné prvky zvyšují pevnost a tvrdost. Kompozity pro kontakty Kompozitní materiály využívají výhodných vlastností svých složek. Připravují se buď spékáním prášků nebo napouštěním pórovité matrice vhodných mechanických vlastností tekutým kovem vysoké vodivosti. Typický je kontakt s wolframovou, velmi tvrdou kostrou napojenou mědí nebo stříbrem. Porovnání vlastností některých kompozitů s čistými kovy je v tabulce 7. Kompozity z grafitu a kovů (Fe, Ag, Cu) se používají tam, kde u kluzného kontaktu vyžadujeme velmi nízký součinitel tření a velkou pevnost. Kovografit s Fe se používá pro smykače trolejbusů. Pro větší proudová zatížení se používají kovografitové kompozity se stříbrem či s mědí. Často se pro zlepšení kontaktních vlastností využívá spojení více kovů, kde se na laciný podklad (mosaz, hliník) plátuje folie s dobrými kontaktními vlastnostmi. Kontaktním materiálem je například měď v cupalových podložkách, kde je mědí pokrytý hliník. Stříbro a jeho slitiny se plátují niklem nebo paladiem. Tab. 7 Kovy a jejich kompozity pro kontakty Materiál s (kg/m 3 ) Tvrdost Brinell Bod tání (ºC) Λ (W/km) ρ (Ωm) Ag , W-Ag Cu , W-Cu Vodivé materiály se speciálními vlastnostmi V následujícím stručném přehledu naleznete informace o materiálech určených pro termočlánky, dvojkovy, vakuovou techniku, tavné a tepelné pojistky a pro pájky. 4.1 Materiály pro termočlánky Pro měření vysokých a velmi nízkých teplot se používá kombinace kovů, které kromě vysokého termoelektrického součinitele mají odpovídající mechanické vlastnosti a odolnost proti oxidaci. Termočlánek je tvořen dvojicí různých kovů (A a B) spojených na jednom konci. Tento konec je na teplotě měřené, druhé konce termočlánku jsou udržovány na teplotě referenční a termoelektrické napětí se měří právě mezi těmito rozpojenými konci. Nejčastěji používané dvojice kovů jsou uvedeny v tabulce 8. 19

21 Tab. 8 Materiály termočlánků Termočlánek α AB (µv/k) Teplota použití (ºC) měď - konstantan až 400 železo - konstantan až 600 chromel - alumel 41 0 až 900 platina - platinarhodium 7 0 až Dvojkovy Ohybové dvojkovy (bimetaly), u kterých jsou celoplošně ve vrstvách spojeny různé kovy, využívají jejich různé tepelné roztažnosti. Používají se ve formě pásků nebo destiček, jedna vrstva má roztažnost velkou, druhá malou. Ohřátím se bimetal deformuje do tvaru části kružnice, po ochlazení se opět napřímí. Dvojkov se skládá z části aktivní a části pasivní. Jako pasivní se používá materiál typu Invar (36%NiFe), který má velmi malý součinitel tepelné roztažnosti (α 1 = 10-6 K -1 ). Aktivním prvkem jsou slitiny, které mají součinitel α 1 alespoň desetkrát větší a splňují požadavek na snadné spojování s invarem, mají dobrou mechanickou zpracovatelnost a odolnost proti vyšším teplotám. Nejčastěji se používá samotný nikl, nebo jeho slitiny s Cu a Fe. Základní vlastnosti dvojkovů jsou uvedeny v tab. 9. Tab. 9 Materiály dvojkovů Dvojkov K (mm/ºc) Teplotní rozsah (ºC) 20NiFe-36NiFe 0, NiFe-42NiFe 0, Ni-36NiFe 0, Dvojkovy se používají pro laciné a jednoduché jištění, regulaci teplot a konstrukci jednoduchých měřících přístrojů. Příkladem mohou být tepelné samočinné vypínače reagující na teplotu a chránící transformátory, elektromotory a pece. Dále pak pro dvoupolohové regulační prvky termostatů domácích elektrospotřebičů (žehličky, chladničky atd.). 4.3 Materiály pro vakuovou techniku Jsou vystaveny vakuu a obvykle musejí odolávat i vyšší teplotě. Z toho vyplývají požadavky na malý obsah plynů, nestabilních sloučenin a kovů s nízkou teplotou tavení, jakými jsou například Sn, Pb, Bi a další. Všechny tyto látky mohou ve vakuu uniknout ze základního materiálu a změnit vlastnosti vakua (vodivost, průrazná pevnost, tlak) nebo se usazovat na vnitřních částech aparatur a zhoršovat jejich funkci. Při vysokých teplotách (vlákna žárovek, katod i další části vakuových prostorů) je nutno zabránit odpařování kovů a zajistit dlouhodobou stabilitu mechanických a elektrických vlastností. Zvláštní požadavky jsou kladeny na vodiče určené pro průchod stěnami vakuových zařízení. Musí mít přibližně stejnou tepelnou roztažnost a dobrou adhezi k materiálům stěn, kterými bývají sklo, křemen a keramika. Ve vakuové technice používáme tyto skupiny materiálů: 20

22 a) vysokotavitelné kovy, ušlechtilé kovy a jejich slitiny jsou na bázi W, Mo, Nb, Ti a Pt, Rh, Au a Ag. Používají se vesměs pro části přímo vystavené vysokým teplotám, které vedou proud, nebo pro části konstrukční, b) obecné kovy Fe, Ni, Cu, Al se mohou použít pro tytéž funkce, ale pro nižší teploty a méně náročná zařízení, c) materiály pro zátavy ve skle se používá W, Mo, kovar (28%Ni 18%Co Fe), případně Cu. Výběr je závislý na druhu skla a keramiky, kterou vodič prochází, d) getry jsou materiály schopné fyzikálně nebo chemicky vázat plyny a tak dokončit vakuování a při provozu udržovat vakuum na stanovené úrovni. Getry z barya nebo směsi BaTi, BaNi se nechají odpařit a v plynné fázi reagovat s plyny, jejichž sloučeniny pak kondenzují. Jemné prášky Ti, Zr, Ta, Th a Nb, které také plní funkci getrů, se nanášejí na povrch vakuových prvků a vážou plyny spíše fyzikálně. 4.4 Pájky Materiály pro tavné a tepelné pojistky Tavné pojistky mají za úkol přerušit proud v obvodu v okamžiku překročení jeho stanovené hodnoty, nebo při proudu zkratovém. Tepelné pojistky přeruší proud při překročení určité teploty. Přerušení proudu je obvykle provázeno vznikem elektrického oblouku. Pro tavné pojistky vybíráme materiály s velkou konduktivitou a s co nejnižším bodem tavení, což příznivě ovlivňuje rozměry a konstrukci pojistky. Pojistkové materiály mají mít dobrou odolnost proti oxidaci a snadnou vypařitelnost. Odolnost proti oxidaci pozitivně ovlivňuje stabilitu elektrických a mechanických vlastností. Snadné odpaření napomáhá rychlému zhášení elektrického oblouku při vypínání. Pojistky ve formě pásků či drátků se obvykle uzavírají do skleněných nebo keramických pouzder, chránících okolí před roztaveným kovem. Průměry drátků se pohybují od násobku setin mm do několika mm. Materiály pro tavné pojistky rozdělujeme podle bodu tavení. Nízkoteplotní jsou ze slitin nízkotajících kovů a jejich slitin (Pb, Sn, Bi, Cd a Zn) a používají se pro jištění malých a nízkých napětí. Pro náročnější požadavky používáme stříbrných a měděných drátků a pásků, které jsou vhodně tvarovány, děleny nebo děrovány. Měď se chrání před oxidací stříbřením. Tepelné pojistky reagují na překročení stanovené teploty, například při provozu transformátoru. Při teplotě vyšší, než je stanovená, se roztaví pojistkový kov, uvolní přívodní kontakty a tím přeruší proud. Pro tyto účely se většinou používají pájky s nízkým, přesně definovaným bodem tavení. Materiály pro pájky K trvalému vodivému spojení částí elektrických obvodů, drátových vodičů nebo prvků plošných spojů se velmi často používá kovových pájek. Pájky mají vždy nižší bod tavení než spojované materiály a musí dobře smáčet povrch pájených dílů, snadno zatékat a vzlínat do mezer spojů. Kromě technologických vlastností rozhodují o použití pájek i požadavky na vodivost, mechanické vlastnosti a korozní odolnost. Pájky dělíme podle bodu tání následovně. Nízkotající pájky 21