Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta elektrotechniky a informatiky Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Karel Witas Autor textu: Karel Witas Ostrava 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 Autor Název Vydavatel Počet stran 92 Vydání Ing. Karel Witas Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky 17. listopadu 15, Ostrava Poruba první Rok vydání 2014 Náklad Neprodejné elektronicky Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou. ISBN

3 Obsah 1 ÚVOD PŘEHLED ELEMENTÁRNÍCH PRVKŮ A JEJICH VYUŽITÍ V ELEKTROTECHNICE MATERIÁLY S DOBROU ELEKTRICKOU VODIVOSTÍ Měď Cuprum Cu Hliník Aluminium - Al UŠLECHTILÉ KOVY Zlato Aurum - Au Stříbro Argentum - Ag Platina Platinum Pt Rhodium Rhodium Rh Palladium Palladium - Pd Osmium Osmium - Os Iridium Iridium - Ir KOVY SKUPINY ŽELEZA Železo Ferrum - Fe Kobalt Cobaltum Co Nikl Niccolum -Ni Chróm Chromium - Cr Mangan Manganum Mn TĚŽKÉ NÍZKOTAVITELNÉ KOVY Zinek Zincum - Zn Kadmium Cadmium Cd Rtuť Hydrargyrum - Hg Galium Gallium Ga Indium Indium In Cín Stannum Sn Olovo Plumbum Pb Antimon Stibium - Sb Bismut Bismuthum Bi VYSOKOTAVITELNÉ KOVY Titan Titanium - Ti Zirkonium Zirkonium - Zr Niob Niobium - Nb Molybden Molybdaneum - Mo Tantal Tantalum - Ta Wolfram Wolframium W ALKALICKÉ KOVY Lithium Lithium - Li Sodík Natrium Na Cesium Caesium Cs KOVY ALKALICKÝCH ZEMIN Baryum Baryum -Ba NEZAŘAZENÉ KOVY Beryllium Beryllium - Be POLOKOVY Křemík Silicium - Si... 34

4 2.9.2 Germanium Germanium - Ge Arsen Arsenicum As Tellur Tellurium - Te NEKOVY Vodík Hydrogenium H Uhlík Carboneum - C Dusík Nitrogenium N Kyslík Oxygenium O Fosfor Phosphorum P Selen Selenium - Se VZÁCNÉ PLYNY Helium Helium - He Neon Neon - Ne Argon Argon - Ar Krypton Krypton - Kr Xenon Xenon - Xe PŘEHLED MATERIÁLŮ PODLE POUŽITÍ MATERIÁLY PRO VODIČE Vedení vysokofrekvenčního elektrického proudu ODPOROVÉ MATERIÁLY Odporové materiály pro rezistory Odporové materiály pro měniče elektrické energie na teplo Konstrukce rezistorů pro elektroniku MATERIÁLY PRO KONTAKTY Vlastnosti kontaktních materiálů Přehled materiálů pro kontakty MATERIÁLY PRO PÁJKY Měkké pájky Tvrdé pájky z těžkých kovů Měkké a tvrdé pájky pro lehké kovy Pájky neobsahující těžké kovy MAGNETICKÉ MATERIÁLY Magnetické materiály měkké Magnetické materiály tvrdé MATERIÁLY PRO ODVOD TEPLA KONSTRUKČNÍ MATERIÁLY MATERIÁLY PRO VAKUOVOU TECHNIKU Kovy pro vakuum Sklo pro vakuum Keramika pro vakuum Organické materiály pro vakuum POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY Elementární polovodiče Polovodiče jako sloučeniny typu A III B V Polovodiče jako sloučeniny typu A II B VI Polovodiče jako sloučeniny typu A I B VII Polovodiče jako sloučeniny typu A IV B VI Polovodiče jako sloučeniny typu A II 3 B V Polovodiče jako sloučeniny typu A V 2 B VI 3 a A III 2 B VI

5 3.9.8 Polovodiče jako sloučeniny typu A IV B IV PLASTY V ELEKTROTECHNICE A ELEKTRONICE TERMOPLASTY Polyetylen (PE) Polypropylen (PP) Polystyren (PS) Vinylové polymery (PVC, PVAC, PVA) Akrylové polymery (PAA, PMMA plexisklo) Polyuretany (PUR) Polykarbonáty (PC) Polyamidy (PA) Polytetrafluoretylen (PTFE - teflon) Polyimidy (PI) REAKTOPLASTY Fenoplasty (PF) Epoxidové pryskyřice (EP) Polyestery (UP) Organokřemičité polymery silikony (SI)... 88

6

7 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 1 1 Úvod Předkládaná skripta podávají přehled nejdůležitějších materiálů a technologií využívaných v elektrotechnice a dalších příbuzných oborech. Všímají si výroby nejen elektronických součástí, ale i větších elektronických celků. Vzhledem k současnému stavu techniky se však jedná o velmi stručný výtah. I když se skripta zaměřují především na vlastnosti materiálů, neopomíjejí diskuzi nad některými fyzikální principy. Skripta jsou věnována kurzu Technologie elektronických zařízení, nicméně najdou uplatnění i v dalších předmětech podobného zaměření. Látka je rozdělena na tři hlavní částí. V první části jsou probírány základní chemické prvky, jejich fyzikální parametry, chemické vlastnosti a typické aplikace. Zmiňována jsou rovněž některá zdravotní rizika, která zpracování a používání prvků doprovází. Prostudováním první části skript čtenář získá základní představu o elementárních prvcích s možností jejich vzájemného porovnání. Druhá část skript sleduje materiály podle konkrétního zaměření. Hlavní podíl zaujímají slitiny a sloučeniny, jejichž vlastnosti často překonávají vlastnosti výchozích elementárních prvků. Mezi důležitou část elektrotechnických materiálů rovněž patří organické sloučeniny - plasty. I když se jedná o umělé materiály, jejich vlastnosti jsou pozoruhodné a jen těžce se nahrazují materiály přírodními. V elektrotechnice se uplatňují jako izolanty a konstrukční materiály. Plastům je věnována závěrečná část. Přáním autora je, aby se skripta staly užitečným průvodcem v labyrintu elektrotechnických materiálů a aby rovněž posloužily jako odrazový můstek k dalšímu hlubšímu studiu. Jakékoli postřehy k probírané látce je možné zasílat na karel.witas@vsb.cz.

8 2 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava 2 Přehled elementárních prvků a jejich využití v elektrotechnice 2.1 Materiály s dobrou elektrickou vodivostí Měď Cuprum Cu Jedná se o základní prvek v elektrotechnice. Vyznačuje se velmi dobrou elektrickou i tepelnou vodivostí, tak jak ukazuje Tab. 1. Tab. 1: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání mědi. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 395 Hustota [kg.dm -3 ] 8.96 Teplota tání [ C] Je to ušlechtilý, měkký, tažný kov načervenalé barvy. Za běžných podmínek je měď stálá, za vyšších teplot reaguje s řadou nekovů, jako je např. síra nebo selen. Nereaguje s vodou, nicméně za přítomnosti atmosférické vlhkosti a oxidu uhličitého tvoří zásaditý produkt zelené barvy CuCO 3.Cu(OH) 2 zvaný měděnka. Ten ji účinně chrání proti další korozi. V žáru plamene reaguje s O 2 tak, že na povrchu vzniká černý CuO a pod ním vrstva červeného Cu 2 O. Oxid měďnatý CuO představuje druhý oxidační stupeň. Měď je v tomto oxidačním stupni nejstabilnější. Měď je dobře tvářitelná za tepla i studena. Lze ji spojovat pájením i svařováním. Měď s potlačeným obsahem kyslíku nese označení Cu OFHC (Oxygen Free High Conductivity). Snížení obsahu kyslíku se dosahuje tavením a odléváním ve vakuu nebo v ochranné atmosféře. Obsah kyslíku bývá pod %. Měď tohoto typu netrpí vodíkovou nemocí (Cu 2 O + H 2 2 Cu + H 2 O) a je vhodná pro použití ve vakuu (odplyňování ve vodíkové atmosféře). Použití mědi: Dobré elektrické a teplené vodivosti mědi se využívá při výrobě vodičů, fólií desek plošných spojů a chladičů. Měď se rovněž používá v mikroelektronice. Jednou z oblastí je tvorba metalizačních vrstev. Zatímco hliníkové vrstvy se nanášely naprašováním, měděné vrstvy se nanášejí galvanicky. Kontaktní plošky je ale nutné opatřit vrstvou NiPd pro zajištění spolehlivého spoje. Další aplikací mědi jsou drátky pro kontaktování čipů. Oproti zlatým drátkům jsou levnější. Používá se buď čistá měď, nebo měď potažená palladiem. Měď je dále součástí mnoha pájek a slitin. O těch se rozvádí následující kapitoly Mosaz Jedná se o slitinu mědi Cu a zinku Zn. Mosazi pro výrobu šroubů a jiných soustružnických součástek obsahují přibližně 58 % mědi (Ms 58), ale často se legují olovem (Ms 58 - Pb ). Olovo se přidává v množství 1 až 3 % za účelem zlepšení obrobitelnosti. Hlubokotažné mosazi mívají obsah mědi okolo 70 % (Ms 70). Mosazi s obsahem mědi vyšším než 80 % (Ms 80, Ms 85, Ms 90, Ms 96) jsou tzv. tombaky. Těch se využívá v elektrotechnice (objímky žárovek, části vypínačů, elektroinstalační materiál) nebo např. ve

9 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 3 zbrojním průmyslu při výrobě nábojů. Díky vysokému obsahu mědi jsou měkké a zabraňují tak opotřebení hlavně. Dále je mědi využíváno při výrobě pájek (Ms 54 tvrdá pájka s teplotou tavení 750 C) Cínový bronz Maximální obsah cínu je 33 %. Pokud se jedná o cínové bronzy pro technické využití, obsah cínu je nižší. Měrný elektrický odpor cínového bronzu je vysoký, za nárůst může právě přítomnost cínu. U bronzů s 5 % obsahem cínu je asi 0.1 Ωmm 2 m -1, u bronzů s 15 % obsahem cínu asi 0.2 Ωmm 2 m -1. Tvářené cínové bronzy mívají nejčastěji 6 9 % cínu. Odolnost cínových bronzů proti korozi je dobrá, téměř jako u mědi. Cínový bronz vykazuje dobrou chemickou odolnost při styku s mořskou vodou. Cínové bronzy se používají ve slévárenství a na výrobu kluzných ložisek Hliníkový bronz Obsahuje zpravidla 5 % hliníku. Hliník zvětšuje pevnost a tvrdost. Tato slitina je velice odolná proti korozi. Odolává rovněž žáru až do 800 C. Používá se na součásti vystavené agresivnímu prostředí Manganový bronz Používá se ho především při výrobě měřicích rezistorů, Obr. 1. Po správném umělém vystárnutí udržuje hodnotu odporu v úzké toleranci po mnoho let. Resistin, který obsahuje asi 15 % manganu, má měrný elektrický odpor 0.5 Ωmm 2 m -1. Známější je manganin se složením 86 % Cu, 12 % Mn a 2 % Ni. Jeho měrný elektrický odpor je asi 0.42 Ωmm 2 m -1. Manganin vyniká nejnižším činitelem teplotní závislosti odporu s hodnotou přibližně 0.02 x 10-3 K -1. Obr. 1: Vinuté výkonové rezistory využívající manganinový drát Niklový bronz Používá se rovněž při výrobě měřicích rezistorů. Hlavním představitelem je konstantan se složením 55 % mědi a 45 % niklu. Měrný elektrický odpor konstantanu je 0.5 Ωmm 2 m -1. Jeho činitel teplotní závislosti odporu je rovněž nízký. Pohybuje se kolem 0.05 x 10-3 K -1. Konstantan proti mědi vykazuje velké termoelektrické napětí (cca 40 V/ C). Toho se využívá při konstrukci termoelektrických článků. Na druhou stranu, konstantanu nelze použít u zařízení zpracovávajících malá elektrická napětí. Mezi niklové bronzy patří ještě nikelin se složením 67 % mědi, 30 % niklu a 3 % manganu Beryliový bronz Vykazuje výborné mechanické vlastnosti při velké elektrické vodivosti. Beryllium se nevyskytuje samostatně, obvykle se kromě 0.5 až 2.3 % beryllia přidává také cín, nikl, železo, kobalt, chrom aj. Kromě velké pevnosti, a to i za vyšších teplot, jsou beryliové bronzy značně

10 4 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava odolné proti korozi a opotřebení, mají vysokou mez únavy, vysokou mez tečení, jsou nemagnetické a dobře elektricky vodivé. Vyrábějí se z nich např. pružiny a kontakty Alpaka Průmyslově používaný poměr kovů činí 65 % mědi, 18 % niklu a 17 % zinku. Dobré opracovatelnosti slitiny se využívá při výrobě hudebních nástrojů (např. flétna, saxofon). Příkladem technického využití je realizace armatur, kontaktů apod Hliník Aluminium - Al Nestálý, stříbřitě šedý, kujný kov. Vyznačuje se rovněž velmi dobrou elektrickou i tepelnou vodivostí, podobně jako měď. Podrobnosti ukazuje Tab. 2. Tab. 2: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání hliníku. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 237 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] Hliník je levnější a dostupnější než měď. Získává se rafinací bauxitu. Speciálními metodami lze hliník vyčistit až na %. Přestože je hliník bohatě zastoupen v zemské kůře, patřila jeho průmyslová výroba ještě do nedávna k velmi obtížným procesům. Čistý hliník je velice reaktivní. Na vzduchu se rychle pokrývá tenkou vrstvičkou oxidu hlinitého, která ho chrání před další oxidací. Oxid hlinitý Al 2 O 3 je také znám jako minerál korund. Jedná se o druhý nejtvrdší minerál ihned po diamantu. Použití hliníku: Hliník jako kov nalézá široké uplatnění především díky své dobré chemické odolnosti a nízké hmotnosti. Z hliníku se vyrábí jak kuchyňské nádobí, tak i stavební profily oken a dveří. Každý se jistě setkal s hliníkovou fólií - Alobalem. Hliník a jeho slitiny patří k základním konstrukčním materiálům v elektrotechnice. Za všechny příklady lze uvést hliníkové montážní skříně vyráběné tlakovým litím nebo konstrukčních hliníkové profily Almez. Malá hmotnost a dobrá tepelná vodivost ho předurčuje k výrobě chladičů pro odvod tepla z polovodičových součástek. Hliník také zlevnil výrobu kompaktních disků (CD), kde nahradil fólii ze stříbra. Vrstva hliníku se na plastový podklad obvykle napařuje tichým elektrickým výbojem ve vakuu. Hliník je rovněž výchozím materiálem při výrobě vodičů. Oproti mědi má ovšem tyto nevýhody: Je křehčí, opakovaným ohybem se snadno zlomí. Je plastický, působením síly mění tvar, tzv. teče. Návrh elektroinstalace s hliníkovými vodiči vyžaduje zvýšenou pečlivost. Průchodem elektrického proudu se totiž vodič zahřívá a odtud i rozpíná. Pokud se v průřezu rozpíná nerovnoměrně (tlak šroubu), tvar průřezu se vlivem plasticity změní. Protože se průřez vodiče při chladnutí opět rovnoměrně smršťuje, dochází díky předchozí deformaci k uvolnění spoje. Tyto vlastnosti vedly v posledních letech k omezování hliníku ve prospěch mědi, a to zejména v domovních rozvodech. Výjimku tvoří nadzemní domovní přípojky, kde se hliník díky nízké hmotnosti stále používá. Nadále se hliníku používá v dálkových rozvodech a

11 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 5 průmyslových aplikacích, které jsou pod neustálým dohledem. Z hliníku se rovněž vyrábí klece asynchronních motorů. Hliník našel své místo i v mikroelektronice. Jeho naprašováním se provádí tzv. metalizace, která vytváří vodivé propojení jednotlivých křemíkových struktur čipu, obr. 2. Nepoužívá se čistého hliníku, ale slitin AlCu, AlSi, případně AlCuSi. Důvodem je zvýšení odolnosti vůči elektromigraci a průrazům velmi tenkých vrstev. Dále je hliníku používáno při výrobě elektrolytických kondenzátorů. Tvoří zde zápornou elektrodu. Používá se hliníková fólie o čistotě alespoň %. Pro zvýšení pracovní plochy se leptá. V průběhu formování se pokryje vrstvou Al 2 O 3, která zde slouží jako pracovní dielektrikum. Kladnou elektrodou je elektrolyt. a) b) Obr. 2: a) Kompletní čip před rozborem, b) tentýž čip po odstranění pasivací a metalizace. Hliník je rovněž součástí slitin. Mezi nejvýznamnější patří dural. Dural je obchodní označení pro různé slitiny, obvykle s obsahem % hliníku, 4 6 % mědi, dále pak s menšími přísadami hořčíku nebo manganu. Oproti čistému hliníku je dural jen nepatrně těžší, ale až pětkrát pevnější při namáhání v tahu. Je také tvrdší. Dural se velmi snadno obrábí. To ho předurčuje k použití v automobilovém a leteckém průmyslu. Hliník a většinu jeho slitin lze dobře svařovat. Ochranná atmosféra je samozřejmostí. Výjimkou je slitina dural, která je svařitelná jen obtížně. Mezi nejvýznamnější sloučeniny hliníku patří oxid hlinitý Al 2 O 3, tzv. korund. V Mohsově stupnici tvrdosti dosahuje hodnoty 9 z 10 a patří tedy k nejtvrdším materiálům. Oxid hlinitý je součástí drahých kamenů. Jejich zabarvení se liší podle příměsí. Červený rubín je zbarven příměsí oxidu chromu, modrý safír obsahuje především stopová množství oxidů titanu a železa. Obě zmíněné formy korundu patří k nejvíce ceněným drahým kamenům na světě, ale mají i významné využití v technice. Safírové hroty vynikají svou tvrdostí a odolností. Jsou součástí ložiskových pouzder špičkových měřicích přístrojů. První sestrojený laser zase používal rubínový optický rezonátor. Korundová keramika našla široké uplatnění ve vysokofrekvenční a mikrovlnné technice. Její elektrické vlastnosti jsou však silně závislé na složení a obsahu nečistot. K výraznému zhoršení parametrů dochází při výskytu oxidů alkalických kovů. Vysoce čistý oxid hlinitý vykazuje malé dielektrické ztráty, dobrou tepelnou vodivost ( = 15 Wm -1 K -1 při 75 C) a mechanickou pevnost. U dielektrického rezonátoru z materiálu AK4 (vyvinutý v ČR) byla naměřena jakost kolem na frekvenci

12 6 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava 10 GHz. Nicméně teplotní závislost korundového rezonátoru je pro praktické použití příliš vysoká. Důležitou aplikací korundu jsou klystrony a magnetrony. Jedná se o výkonové vysokofrekvenční součástky. Korund zde vyhovuje jak z hlediska dobrého odvodu tepla, mechanické a elektrické pevnosti, tak z hlediska malých ztrát při vysokých kmitočtech. Substráty pro tlusté vrstvy hybridních integrovaných obvodů se vyrábí litím z materiálu 96% Al 2 O 3. Technologie doctor blade umožňuje vytvářet substráty pro sítotisk přímo, bez nutnosti dalšího opracování po výpalu. Pro depozici tenkých vrstev je nezbytný kvalitní, leštěný povrch substrátu. Takového povrchu je možno dosáhnout u jemnozrnných materiálů s nejméně 98% Al 2 O 3. Při požadavku na vyšší tepelnou vodivost lze použít nitrid hliníku, který má navíc srovnatelnou teplotní roztažnost s křemíkem. Korund se používá i pro vícevrstvé laminované substráty technologie MLC. Dnes ale převažuje technologie LTCC na bázi sklo-keramiky. Oxid hlinitý zvyšuje termickou a mechanickou odolnost skel. Při zpracování zvyšuje viskozitu a povrchové napětí taveniny. Bývá součástí téměř všech druhů skel (tabulové, laboratorní apod.). 2.2 Ušlechtilé kovy Zlato Aurum - Au Zlato je drahý, chemicky odolný, ale poměrně měkký kov žluté barvy. Patří rovněž k dobrým elektrickým i tepelným vodičům, Tab. 3. Tab. 3: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání zlata. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 318 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] V horninách se díky své inertnosti vyskytuje jako ryzí kov. Z běžných anorganických kyselin reaguje pouze s lučavkou královskou. Speciální případ představuje rozpouštění zlata v elementární rtuti, kdy vzniká amalgám. a) b) Obr. 3: a) Detail zlatého drátku, b) připojení čipu k vývodům keramického pouzdra.

13 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 Použití zlata: Jedná se o základní kov klenotníků, který vyniká svým vzhledem, ale také dobrou kujností a tažností. Zlatá fólie, která má vynikající odrazivost infračervených paprsků, zase chrání před únikem tělesného tepla např. v porodnictví. Chemickou stálost zlata využívá nejen zubní lékařství, ale i mnoho technických oborů. V elektronice se zlato používá k povrchové ochraně kontaktů, dosedacích ploch konektorů a vývodů elektronických součástek. Zlato se rovněž používá v mikroelektronice ve formě zlatých drátků, Obr. 3. Ty slouží při kontaktování křemíkových čipů k vývodům integrovaných obvodů. Vysoce čisté zlato je křehké, proto je legováno malým množstvím beryllia (5-10ppm) nebo mědi (asi ppm), aby se zajistila dostatečná pevnost drátku. Přitom zlato obohacené berylliem je asi o 10-20% pevnější než zlato obohacené mědí. Zlata se začalo rovněž používat k povrchové ochraně pájecích plošek hotových plošných spojů a nahradilo tak kdysi běžné cínové techniky, jako HAL (Hot Air Leveling) Stříbro Argentum - Ag Čisté stříbro má nejvyšší elektrickou i tepelnou vodivost, Tab. 4. Tab. 4: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání stříbra. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 429 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] Na čistém vzduchu je stříbro neomezeně stálé. Stačí však i velmi nepatrné množství sirovodíku H 2 S, aby stříbro začalo černat. To je způsobeno vznikem sulfidu stříbrného Ag 2 S, Obr. 4. Po mechanické a metalurgické stránce je velmi dobře zpracovatelné, má dobrou kujnost a dobře zatéká do forem. Použití stříbra: Stříbro nebo jeho slitiny, jako např. AgPd, jsou výchozím materiálem při realizaci kontaktů keramických čipů (kondenzátory, odpory, rezonátory apod.). Děje se tak napařováním. Elektronické součásti, jejichž kontakty tvoří čisté stříbro, je potřeba osazovat pomocí stříbrných pájek, např. Sn62Pb36Ag2. Jinak hrozí rozpuštění stříbrných kontaktů v pájce. Pro použití klasických pájek se doplňují ochrannou vrstvou niklu. Dále se ho používá k povrchové ochraně měděných a mosazných předmětů, např. VF konektorů. Vysoké vodivosti stříbra se rovněž využívá při snižování útlumu vlnovodových dílců. Postříbřovány jsou jak vnitřní stěny vlnovodů, tak i styčné plochy přírub. Stříbro se dobře zpracovává na tenké fólie (5m) i vodiče (20m), které slouží jako konstrukční prvek hybridních integrovaných obvodů (HIO). Propojování součástí na čipech HIO se rovněž provádí pomocí vypalování stříbrných past. Stříbro se rovněž používá v knoflíkových bateriích. Ty jsou sestaveny z oxidu stříbrného Ag 2 O, který slouží jako katoda (kladný pól), zinku Zn, ve funkci anody (záporný pól) a z elektrolytu, kterým může být hydroxid sodný NaOH, nebo draselný KOH. Jejich předností je vysoká účinnost. Fotografický průmysl využívá dusičnanu stříbrného AgNO 3. Tato stříbrná sůl kyseliny dusičné je fotosenzitivní. Bývá proto přísadou fotografických filmů.

14 8 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava V optice se stříbro používá při výrobě zrcadel. Využívá se jeho vysoké odrazivosti pro viditelné spektrum záření. Velmi tenká vrstva kovového stříbra slouží jako záznamové médium na CD a DVD discích. Stříbro se také používá při výrobě stříbrných šperků. V zubním lékařství je součástí amalgámů. Trochu zvláštním využitím stříbra je jodid stříbrný, kterého se využívá při umělém vyvolávání deště. a) b) Obr. 4: a) Postříbřený konektor N s vrstvou sulfidu stříbrného, b) tentýž konektor po vyčištění Platina Platinum Pt Platina je velmi těžký a chemicky mimořádně odolný drahý kov stříbřitě bílé barvy. Společně s osmiem a iridiem patří k prvkům s největší známou hustotou, Tab. 5. Je velmi dobře tvářitelná za tepla i za studena, lze z ní zhotovit fólie o tloušťce 2.5 μm a dráty o průměru 15 μm. Tab. 5: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání platiny. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 71.6 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] Použití platiny: Vzhledem k dobré chemické odolnosti i za vysokých teplot jsou platina a její slitiny s rhodiem a iridiem používány na výrobu odolného chemického nádobí pro rozklady vzorků tavením nebo spalováním. Platina je spolu s palladiem a rhodiem základním stavebním prvkem automobilových katalyzátorů. Ve sklářském průmyslu je zase součástí speciálních pecí na výrobu optických vláken. Používá se rovněž k výrobě polopropustných zrcadel. Dále se používá jako zátavový kov v těch případech, kdy se vyžaduje maximální spolehlivost zátavů (speciální elektronky). V elektrotechnice a elektronice se platina používá jako chemicky odolný materiál pro elektrody, kontakty a odporové dráty. Platinový drát tvoří vinutí speciálních potenciometrů, dále se používá pro žárovková vlákna a vlákna pyrometrů. Slitina platiny a 10 až 25 % iridia se používá na kontakty pro nejnáročnější aplikace. Většinou se jedná o spínání malých proudů a napětí v agresivních podmínkách.

15 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 9 Platinový drát je rovněž základem velmi přesných odporových teploměrů pro průmysl a automatizaci. Nejznámější platinový odporový teploměr nese označení Pt100. Při teplotě 0 C vykazuje elektrický odpor právě 100. Jedno z možných praktických provedení teploměru Pt100 ukazuje Obr. 5. Kromě odporových teploměrů je platina součástí i teploměrů termočlánkových. Pro rozsahy teplot C se jedná o termočlánek Pt-Pt90Rh10 (slitina 90 % platiny a 10 % rhodia). Pro rozsahy teplot C se jedná o termočlánek Pt70Rh30-Pt94Rh6. Obr. 5: Odporový teploměr Pt100 využívající teplotní závislosti odporu platinového drátku Rhodium Rhodium Rh Rhodium je drahý kov stříbřitě bílé barvy. Chemicky je mimořádně stálý. Čisté rhodium se vyznačuje vysokou odolností vůči kyselinám, včetně lučavky královské. Rhodium je nejdražší platinový kov. Jeho cena dosáhla rekordu v roce 2008, kdy se průměrná cena za trojskou unci (31,103 g) na světových trzích pohybovala okolo 6530 USD. Tab. 6: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání rhodia. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 0 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 150 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] 1964 Použití rhodia: Hlavní uplatnění nalézá ve slitinách. Nejčastěji se jedná o slitinu 10 % rhodia a 90 % platiny. Tato slitina se používá při výrobě termočlánků, nebo při výrobě chemicky a teplotně odolných součástí. Typickým příkladem jsou průvlaky pro tažení optických vláken. Ve směsi s platinou a palladiem je součástí automobilových katalyzátorů. Čisté rhodium slouží jako povrchová ochrana kontaktů před opalováním elektrickým obloukem. Jako ochranný povlak se také nanáší na vnitřní stěny vlnovodů, Obr. 6. Zde chrání vrstvu stříbra před korozí. Vrstva rhodia musí být zanedbatelná v porovnání s hloubkou vniku elektromagnetické vlny, aby nedocházelo ke zhoršení vodivosti. Tenká vrstva rhodia rovněž chrání některé stříbrné šperky Palladium Palladium - Pd Palladium je lesklý, bílý kov podobný stříbru. Palladium je kujné a dobře svařitelné. Ve skupině drahých kovů se vyznačuje největší reaktivitou. Má velkou schopnost pohlcovat

16 10 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava plyny. Za pokojové teploty pohltí až 370krát více vodíku, než je jeho vlastní objem. Je dostupnější a levnější než platina. Tab. 7: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání palladia. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 71.8 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] Použití palladia: Palladium se společně s platinou a rhodiem využívá v automobilových katalyzátorech, kde z výfukových plynů odbourává nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý. Pokud je obsaženo v tvrdé pájce, vylepšuje smáčivost. Absorpční schopnost paládia se využívá při aditivní výrobě plošných spojů. Proces začíná obtisknutím obrazce plošného spoje na substrát. Jako inkoustu je použito speciálních sloučenin na bázi paládia. Po vysušení obrazce je celek ponořen do roztoku s mědí, kde dochází k vysrážení mědi na obrazci. Vrstva mědi ještě bývá dalšími technikami zesílena. Paládia se rovněž používá při výrobě kontaktů. Zde je ovšem jeho katalytické působení ke škodě. Organické nečistoty vedou ke vzniku polymerů (hnědý povlak) a ruší tak funkci kontaktu. Tento nedostatek se odbourává pomocí slitin palladia a stříbra nebo palladia a mědi. a) b) Obr. 6: a) Vlnovod pro kmitočtové pásmo X (8 až 12 GHz), b) detail příruby a dutiny s ochrannou vrstvou stříbra a rhodia. Rhodium zabraňuje vzniku sulfidu stříbrného Osmium Osmium - Os Osmium je modrošedý, velmi tvrdý a křehký kov. Společně s iridiem a platinou se řadí mezi těžké platinové kovy. Přitom osmium je ze všech kovů nejtěžší. Se vzduchem reaguje již za normální teploty za vzniku charakteristicky páchnoucího a jedovatého oxidu osmičelého OsO 4. Použití osmia: Vzhledem ke svým mechanickým vlastnostem nemá ryzí kovové osmium žádné praktické využití. Používá se pouze ve slitinách s ostatními platinovými kovy za účelem

17 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 zvýšení tvrdosti. Jedná se o slitiny pro výrobu velmi odolných elektrických kontaktů nebo hrotů plnicích per. Jeho slitiny s iridiem jsou výchozím materiálem při výrobě přesných ložisek pro jemnou mechaniku. Tab. 8: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání osmia. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 0 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 87.6 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] Iridium Iridium - Ir Iridium je ušlechtilý, tvrdý kov šedivě bílé barvy. Je poměrně křehký. Má středně dobrou elektrickou i tepelnou vodivost, Tab. 9. Iridium je chemicky odolnější než platina. Nerozpouští se v žádné z běžných kyselin. Má velice vysokou odolnost proti korozi. Tab. 9: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání iridia. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 147 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] 2466 Použití iridia: Vzhledem ke své mimořádné chemické odolnosti je iridium legováno do slitin s rhodiem a platinou, které se používají při výrobě odolného chemického nádobí nebo v pecích při výrobě optických vláken. Slitiny iridia a osmia zase slouží při výrobě součástí pro jemnou mechaniku. Slitina platiny a iridia je odolným kontaktním materiálem vůči elektrickému oblouku. V automobilovém průmyslu se z iridia vyrábějí elektrody zapalovacích svíček s mimořádnou životností. 2.3 Kovy skupiny železa Železo Ferrum - Fe Železo je poměrně měkký, světle šedý až bílý kov. Působením vzdušné vlhkosti se snadno oxiduje za vzniku hydratovaných oxidů (rez). Tato reakce přitom nevede k ochraně povrchu materiálu, jako u mnoha jiných kovových prvků. Vrstva oxidů se snadno uvolňuje a koroze pokračuje do hloubky materiálu. Atomové jádro železa se vyznačuje nejvyšší vazební energií ze všech známých prvků. Další rozbor vlastností podává Tab. 10. Železo je feromagnetické. Pokud je vloženo do magnetického pole o intenzitě H, dochází v jeho průřezu ke zvětšení magnetické indukce B. Ke ztrátě feromagnetických vlastností dochází až při teplotě vyšší než 768 C. Uvedená teplota bývá označována jako tzv. Curieho bod. Použití železa: Čisté železo nemá větší praktický význam.

18 12 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava Surové železo, litina, obsahuje řadu nežádoucích příměsí, jako je uhlík C (3 až 5 %), křemík Si a fosfor P. Dobře se odlévá, nejčastěji do forem požadované velikosti nebo do ingotů. Výsledný produkt, litina, je poměrně pevný a tvrdý. Bývá ovšem velice křehký. Jakákoli možnost dalšího opracování je minimální. Tab. 10: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání železa. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 80.4 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] 1538 Přeměna surového železa na ocel spočívá v redukci obsahu uhlíku. Toho je možné dosáhnout pomocí oxidace. Děje se tak buď kyslíkem ze vzduchu (Thomasův konvertor), profukováním kyslíkem (LD konvertor) nebo přisazováním železné rudy a ocelového odpadu do taveniny v nístějových pecích (Siemens-Martinův proces). Další zkvalitnění vyrobené oceli se dosahuje legováním, tedy tvorbou slitiny s jinými kovy. Hlavními prvky pro legování ocelí jsou nikl, chrom, vanad, mangan, wolfram, kobalt a ve speciálních aplikacích ještě mnoho dalších. O slitinách železa zajímavých pro elektrotechniku pojednávají následující kapitoly. Obr. 7: Invar - teplotní koeficient délkové roztažnosti v závislosti na procentuálním obsahu niklu Kanthal Kanthal je registrovaná ochranná známka slitiny železa, chromu (20 až 30 %), hliníku (4 až 7,5 %) a stopového množství kobaltu. Slitina vyniká svou vysokou odolností vůči teplotám a velkým měrným elektrickým odporem. Ten se pohybuje kolem 1.4 mm 2 m -1. Kanthal se používá k přeměně elektrické energie na teplo. Bývá součástí topných spirál Invar Invar je slitina 64 % železa a 36 % niklu, s malou příměsí uhlíku a chromu. Význačnou vlastností invaru je velice nízký teplotní koeficient délkové roztažnosti o hodnotě α = (1.2 x 10 6 ) K -1. Jak je vidět z Obr. 7, vhodný poměr železa a niklu dává nižší teplotní koeficient délkové roztažnosti, než mají samostatné kovy. Invaru se používá všude tam, kde je potřeba zajistit rozměrovou stálost i při teplotních změnách. Může se jednat o fyzikální normály, přístroje jemné mechaniky, optické přístroje, seismické měřiče apod. Z invaru se rovněž vyráběly stínicí masky barevných vakuových televizních obrazovek.

19 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Superinvar Superinvar je slitina 63 % železa, 32 % niklu a 5 % kobaltu. Její teplotní koeficient délkové roztažnosti je téměř nulový Kovar Je to slitina 54 % železa, 29 % niklu a 17 % kobaltu. Její teplotní koeficient délkové roztažnosti odpovídá koeficientu borito-křemičitých skel. Ten se pohybuje kolem ( ) K -1 v rozsahu teplot od 30 C do 200 C. Hlavní aplikací kovaru jsou vodivé zátavy do skla. Těch se hojně využívá ve vakuové technice Kobalt Cobaltum Co Kobalt je lesklý kov s modrým nádechem. Svojí tvrdostí a pevností předčí ocel. Kobalt je feromagnetický až do teploty 1000 C. Na vzduchu i ve vodě je stálý. Cena kobaltu je díky jeho vzácného výskytu i obtížnosti výroby dosti vysoká a v některých obdobích dosahuje úrovně stříbra. Tab. 11: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání kobaltu. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 100 Hustota [kg.dm -3 ] 8.90 Teplota tání [ C] 1495 Použití kobaltu: Kobalt se přidává do speciálních nástrojových ocelí, které musí vykazovat vynikající mechanické vlastnosti, především tvrdost, pevnost a odolnost. Kobalt je rovněž součástí řezných slitin. Nejznámější je stellit. Skládá se z 50 % kobaltu, 27 % chromu, 12 % wolframu, 2.5 % uhlíku a 5 % železa. Zbytek ještě tvoří mangan a křemík. Stellit se používá k výrobě řezných nástrojů pro vrtání hornin. Obr. 8: Gamma nůž a jeho radioaktivní zdroj. Váha granulí 60 Co (vlevo dole) je pouhých 142 g, zatímco váha ocelového stínění je 20 kg. Převzato z materiálu [1]. Dále je kobalt součástí velmi silných permanentních magnetů. Jedná se o slitiny s obchodním názvem alnico. Obsahují železo, kobalt, nikl, hliník a měď. Síla těchto magnetů je až 25x větší než síla magnetů ocelových.

20 14 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava Kobalt jako jediný prvek zvětšuje indukci nasycení železa. Jedná se o slitinu s obsahem 50 % kobaltu a 50 % železa. Slitiny Fe-Co se obtížně tvářejí za studena. Pro zlepšení jejich tvárnosti se přidává vanad nebo chrom. Slitina se 49 % kobaltu, 49 % železa a 2 % vanadu se nazývá permendur. Zhotovují se z ní pólové nástavce trvalých magnetů nebo magnetické obvody elektromagnetů. Ozářením stabilního izotopu kobaltu 59 Co pomocí neutronů s velkou energií (např. v jaderném reaktoru) vzniká nestabilní 60 Co. Tento radioizotop se rozpadá s poločasem let za uvolňování silného gama záření. Protože 60 Co lze poměrně snadno připravit a manipulace s ním není obtížná, využívá se v medicíně a technice jako zdroj gama záření. Podstatou tzv. kobaltového děla je silná schránka válcovitého tvaru, která propouští gama záření pouze v úzkém svazku žádaným směrem, Obr. 8. Za všechny aplikace možno zmínit ozařování zhoubných nádorů, vyhledávání skrytých vad materiálů nebo automatizaci v těžkých provozech Nikl Niccolum -Ni Nikl je stříbrobílý, lesklý kov. Má výborné mechanické vlastnosti, je dobře kujný a tažný. Nikl je feromagnetický až do Curieho teploty 631 C. Za běžných teplot je na vzduchu i ve vodě stálý. Nikl má velký součinitel magnetostrikce (změna mechanických rozměrů při změně vnějšího magnetického pole). Magnetostrikce se využívá např. v generátorech ultrazvuku nebo tenzometrických snímačích. Účinky niklu na lidský organismus jsou jednoznačně negativní. Nikl patří mezi karcinogeny (zvyšuje riziko vzniku rakoviny) a teratogeny (ovlivňuje vývoj lidského plodu negativním způsobem). Poměrně často se lze také setkat s kožní alergií na nikl. Použití niklu: Vzhledem k dobré odolnosti niklu vůči atmosférickým vlivům i vodě se ho používá k povrchové ochraně jiných méně odolných kovů, nejčastěji železa. Nikl je součástí magneticky měkkých feritů. Ferity jsou materiály, které vznikají chemickým sloučením oxidu železitého Fe 2 O 3 s oxidem vhodného dvojmocného kovu, např. niklu NiO-Fe 2 O 3. Tab. 12: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání niklu. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 90.9 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] 1455 Nikl je rovněž základním stavebním prvkem některých akumulátorů. Mezi nejrozšířenější patří NiMH akumulátory. Záporná elektroda je tvořena speciální kovovou slitinou (nikl, kobalt, mangan, hliník a lanthany), která s vodíkem vytváří směs hydridů. Kladná elektroda je z oxid-hydroxidu niklitého NiO(OH). Elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného. NiMH akumulátory dokážou dodávat relativně vysoké proudy, mají dlouhou životnost a malé pořizovací náklady. Snesou rychlé nabíjení. Jejich nevýhodou je nižší elektrické napětí (1.2 V) a malá odolnost vůči nízkým teplotám. Mezi další známé akumulátory patří NiCd. NiCd akumulátor je druh galvanického článku. Kadmium tvoří zápornou elektrodu. Vyrábí se buď otevřený s kapalným elektrolytem (velké staniční baterie), nebo uzavřený s gelem (akumulátory přenosných nástrojů). NiCd akumulátory snášejí

21 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 15 hluboké vybití i skladování ve vybitém stavu, což je jejich veliká výhoda. Při srovnání s NiMH akumulátory mají nižší měrnou kapacitu, ale lepší odolnost vůči nízkým teplotám. Nikl je významnou součástí slitin. Podrobnosti uvádí následující kapitoly Nichrom Jedná se o slitinu niklu, železa a chromu v zastoupení 61 % Ni, 25 % Fe a 14 % Cr. Ta má vynikající korozní odolnost i při vyšších teplotách. Její měrný elektrický odpor se pohybuje v rozmezí 1 až 1.5 mm 2 m Chromnikl Slitiny nikl-chrom NiCr, a nikl-chrom-molybden NiCrMo, vynikají žáruvzdorností a tím i odolnosti proti elektrickému oblouku. Toho se využívá při konstrukci kontaktů silových elektrických zařízení. Jedná se rovněž o významný odporový materiál Nitinol Je slitinou niklu a titanu NiTi, která patří do skupiny intermetalických sloučenin. Jedná se o sloučeniny dvou a více kovů, které mají uspořádanou krystalickou strukturu. Nitinol je charakteristický tvarovou pamětí. Materiály s tvarovou pamětí přecházejí při určité teplotě z jedné krystalické struktury do druhé. Děje se tak s rychlostí a v případě vnějšího odporu i se silou. Snahou je zachovat co nejúspornější energetický stav krystalické mřížky. Drát z této slitiny si "pamatuje" předchozí stav před deformací. Po dodání energie (ohřevu) se vrací do původního tvaru. Slitiny s tvarovou pamětí našly uplatnění např. u regulátorů teploty. Výhodou je, že regulace pomocí tvarové paměti je mnohem přesnější než dvojkovem (bimetalem), a na druhé straně levnější než elektronikou. a) b) Obr. 9: a) Magnetické stínění vstupního transformátoru, tzv. vajíčko, b) pohled na vnitřní uspořádání Permalloy Slitiny niklu a železa NiFe, jsou známé pod názvem permalloy. Obsahují přibližně 80 % niklu a 20 % železa. V porovnání s křemíkovou ocelí mají velkou počáteční i maximální permeabilitu r. Ta dosahuje hodnot kolem , zatímco u obyčejné oceli je v řádech tisíců. Mají malou koercivitu a nasytí se již ve slabém magnetickém poli (velice strmá BH charakteristika). Jedná se tedy o magneticky měkké materiály. Magnetické vlastnosti závisejí na konečném tepelném zpracování ve vodíkové atmosféře při teplotě až 1300 C. Po tepelném zpracování se již součásti nesmějí znovu mechanicky deformovat. Permalloye se používají na

22 16 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava jádra transformátorů a tlumivek. Jsou rovněž nezastupitelným materiálem při výrobě magnetických stínicích krytů, Obr Ostatní slitiny Jak již bylo zmíněno výše, nikl je součástí niklových bronzů. Mezi další významnou slitinu niklu ještě patří Monelův kov ve složení 67 % Ni, 28 % Cu, 5 % Fe. Jedná se o odolnou slitinu určenou k výrobě např. lodních šroubů Chróm Chromium - Cr Chrom je bílý, lesklý a křehký prvek. Je nejtvrdší ze všech kovů. Vyznačuje se mimořádně vysokou chemickou odolností. Co se týká vlivu na živé organismy, trojmocný chrom je pokládán za převážně prospěšný a je nezbytnou součástí každodenní stravy. Naopak šestimocný chrom působí negativně a je pokládán za potenciální karcinogen. Od roku 2006 směrnice RoHS (Restriction of Hazardous Substances) použití šestimocného chromu omezuje. Další vlastnosti shrnuje Tab. 13. Tab. 13: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání chromu. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 93.9 Hustota [kg.dm -3 ] 7.19 Teplota tání [ C] 1907 Použití chrómu: Chrom je významný legující prvek. Korozi odolná ocel se dosahuje již s 12 % obsahem chromu. Chrom také zvyšuje žáruvzdornost a tvrdost. Slouží rovněž k povrchové ochraně materiálů před korozí za současného zvýšení jejich estetického vzhledu Mangan Manganum Mn Mangan je stříbřitě bílý, lesklý a křehký kov. Je rovněž velice tvrdý, podobně jako chrom. Po železe a titanu je třetím nejrozšířenějším kovem na Zemi. Z běžných kovů má nejnižší hodnotu tepelné vodivosti, viz Tab. 14. Tab. 14: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání manganu. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 7.81 Hustota [kg.dm -3 ] 7.21 Teplota tání [ C] 1246 Použití manganu: Více než 85% celkové produkce manganu se využívá jako legující přísada ocelí. Slouží zde ke zvyšování pevnosti v tahu a tvrdosti. Vysoce houževnatá je Hadfieldová ocel s 12 % obsahem manganu. Používá se ve zbrojní výrobě, dále ke konstrukci velice namáhaných strojních součástí. Manganu se rovněž používá pro legování hliníku za účelem zvyšování jeho odolnosti vůči chemické korozi. S hliníkem také utváří slitinu dural. Dále je mangan součástí tzv. Heuslerových slitin (Friedrich Heusler, 1898). Jedná se o slitiny manganu s mnoha kovy, např. hliníkem, cínem nebo antimonem. Zvláštností těchto slitin je, že jsou ferromagnetické, aniž obsahují ferromagnetický kov. Heuslerovy slitiny jsou

23 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 17 dalším příkladem intermetalických sloučenin, což jsou sloučeniny dvou a více kovů, které mají uspořádanou krystalickou strukturu. Mangan je rovněž důležitou složkou manganových bronzů pro výrobu odporových materiálů (rezistin, manganin). Mangan je základem nejstaršího komerčně vyráběného galvanického článku. Anodu tvoří vnější zinkový obal článku. Katodu tvoří uhlíková tyčinka umístěná v ose článku a práškový oxid manganičitý MnO 2 (burel). Elektrolytem je vodný roztok chloridu amonného NH 4 Cl (salmiak), který je nasáknut do kladné elektrody - burelu. Článek poskytuje napětí přibližně 1.5V. 2.4 Těžké nízkotavitelné kovy Zinek Zincum - Zn Zinek je měkký, modrobílý kov se silným leskem, který se však na vlhkém vzduchu vytrácí. Za normální teploty je křehký, zatímco v rozmezí teplot C je tažný a dá se válcovat na plech. Zinek je velmi snadno tavitelný a patří k nejsnáze těkajícím kovům. Podrobnosti uvádí Tab. 15. Na vzduchu je zinek stálý, neboť ho chrání stabilní vrstva oxidu. Zinek dobře zatéká, hodí se proto na výrobu odlitků. Jeho přítomnost v potravě je nezbytná pro správný vývoj organismu. Použití zinku: Mezi hlavní využití zinku patří výroba slitin, přitom nejvýznamnější je slitina s mědí, tzv. mosaz. Dále se zinku používá k povrchové ochraně železa pomocí tzv. žárového pozinkování. Je rovněž součástí tvrdých pájek. Poměrně významné místo patřilo zinku při výrobě galvanických článků. Dodnes se hojně používá zinko-uhlíkový článek. Významné je rovněž použití sulfidu zinečnatého ZnS, např. při výrobě fotoodporů pro ultrafialové záření, nebo s mědí při výrobě luminoforů. Tab. 15: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání zinku. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 116 Hustota [kg.dm -3 ] 7.14 Teplota tání [ C] Oxid zinečnatý ZnO bývá součástí skel odolných proti vodě a změnám teplot. Varistory na bázi ZnO využívají jevy, které se v keramice mohou odehrávat na hranicích zrn. Typické, poměrně komplikované složení keramiky pro varistor je 96,5% Zn0 + 0,5% Bi 2 O 3 + 1% CuO + 0,5% MnO 2 + 1% Sb 2 O 3 + 0,5% Cr 2 O 3. Uvedené dotující prvky se koncentrují mezi zrny ZnO. Mn, Cr a Cu jsou prvky, které se mohou vyskytovat v řadě oxidačních stavů a mohou tedy pracovat jako pasti, zachycující elektrony uvolněné v důsledku částečného těkání kyslíku ze zrn ZnO. Na hranicích zrn se tak vytváří potenciální bariéra. Navenek prvek vystupuje jako dvě Zenerovy diody zapojené proti sobě. Kromě ZnO se pro výrobu varistorů používá rovněž SiC Kadmium Cadmium Cd Kadmium je bílý, lesklý, měkký a velmi tažný kov. Má rovněž nízkou teplotu tání. Vzhledem k jeho toxicitě se v současnosti od jeho používání upouští. Je rovněž omezován směrnicí RoHS.

24 18 FEI Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava Použití kadmia: Kadmium je nezbytné pro výrobu nikl-kadmiových akumulátorů, kde slouží jako materiál pro zápornou elektrodu. Přitom hydroxid kademnatý Cd(OH) 2 slouží jako elektrolyt. Tab. 16: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání kadmia. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 22 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 96.6 Hustota [kg.dm -3 ] 8.65 Teplota tání [ C] Sloučeniny kadmia se používají k výrobě modrých a zelených luminoforů CRT obrazovek. Sulfid kademnatý CdS, selenid kademnatý CdSe a arsenid kademnatý CdAs se používají při výrobě fotorezistorů s maximem citlivosti ve viditelné a krátkovlnné infračervené oblasti. Wolframan kademnatý CdWO 4 zase slouží k výrobě detektorů gama záření. Tellurid kademnatý CdTe je základem některých solárních článků. Díky výborné smáčivosti se kdysi kadmia hojně používalo k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Dále se používá k výrobě lehce tavitelných slitin, ložiskových kovů s velmi nízkým koeficientem tření a pájek Rtuť Hydrargyrum - Hg Rtuť je toxický kovový prvek stříbřitě bílé barvy. Za normálních podmínek bývá kapalná. Základní vlastnosti shrnuje Tab. 17. Na suchém vzduchu je rtuť stálá, vlivem vlhkosti rychle oxiduje za vzniku HgO. S některými kovy, např. se zlatem, stříbrem, mědí, zinkem, kadmiem a sodíkem, tvoří kapalné i pevné slitiny, tzv. amalgámy. Její použití omezuje směrnice RoHS. Tab. 17: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání rtuti. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 25 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 8.30 Hustota [kg.dm -3 ] Teplota tání [ C] Použití rtuti: Zvláště v minulosti se rtuť velice často používala jako náplň teploměrů a tlakoměrů. Její dobrá elektrická vodivost se dodnes využívá ve spínačích. Jedná se buď o polohové spínače, nebo relé, Obr. 10. Základní výhodou rtuťových spínačů je vysoká životnost a spínání bez zákmitů. Toho je možné dosáhnout díky vysokému povrchovému napětí rtuti. Rtuť je základním stavebním prvkem vysokotlakých výbojek. Jedná se o výbojky s luminoforem nebo bez něj, v nichž mají rtuťové páry tlak řádu 10 5 Pa. Světlo vzniká jednak ve rtuťových parách křemenného hořáku, jednak v luminoforu vnější baňky, přeměnou UV záření. Rtuťové výbojky mají středně dobrou světelnou účinnost dosahující až 50 lm/w. Mezi jejich nevýhody patří diskrétní spektrum záření a nutnost přeměny UV části záření do viditelné části spektra. Kapající rtuťová elektroda je základem polarografie, elektrochemické analytické metody. Za její objev byl Jaroslav Heyrovský v roce 1959 odměněn Nobelovou cenou za

25 Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 19 chemii. Metoda slouží k určování přítomnosti (kvality) a koncentrace (kvantity) redukovatelných nebo oxidovatelných neznámých látek v roztoku. a) b) Obr. 10: a) Rtuťový polohový spínač, b) rtuťové relé. Šipka UP ukazuje požadovanou prostorovou orientaci Galium Gallium Ga Galium je bílý, měkký, tažný kov. Jeho vlastnosti shrnuje Tab. 18. Má druhou nejnižší teplotu tání hned po rtuti. Galium je rozptýlené v nerostech, které obsahují hliník (bauxit). Odtud vyplývá, že se získává extrakcí z odpadních produktů při výrobě hliníku. Vysoce čisté galium se získává zonální rafinací, podobně jako křemík. Tab. 18: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání galia. Měrný elektrický odpor [mm 2 m -1 ] (při 20 C) Součinitel tepelné vodivosti [Wm -1 K -1 ] 40.6 Hustota [kg.dm -3 ] 5.91 Teplota tání [ C] Použití galia: Je součástí speciálních slitin s velice nízkou teplotou tání. Slitina galia s indiem taje již při 16 C. Slitina galia, india a cínu, tzv. galistan, má teplotu tání -20 C a používá se jako náhrada rtuti v teploměrech. Nejdůležitější sloučeniny galia jsou arsenid galitý GaAs, nitrid galitý GaN, fosfid galitý GaP a antimonid galitý GaSb, které se používají při výrobě LED diod. Sloučenina GaAs je základem vysokofrekvenčních a mikrovlnných polovodičových součástek. Mezi moderní elektronické součástky na bázi galia patří tenkovrstvý fotovoltaický článek CIGS (Copper Indium Gallium DiSelenide). Jak již napovídají anglické názvy, skládá se z mědi, india, galia a selenu. Mezi hlavní výhody článku CIGS patří zejména jeho citlivost na červenou složku spektra. Článek CIGS dokáže využívat energii difuzního světla, které převládá při zatažené obloze nebo mlze. Z těchto podmínek je účinnější než článek z křemíku. Galium se dále používá při výrobě vysoce kvalitních zrcadel. Je součástí některých feritů.