EMAP

Materiály
základ pro hodnocení lidské společnosti
Tendence ve vývoji
zlepšování mechanických vlastností
snižování hmotnosti
zvyšování teplotní odolnosti
Elektrotechnický materiál
látka vyrobená za konkrétním účelem
s modifikovanými vlastnostmi pro použití v praxi
Hodnocení materiálů z hlediska jejich vlastností a chování
fenomenologický přístup sledování vnějších změn bez ohledu na změny ve struktuře
strukturální přístup zjišťování změn ve struktuře
Výběr optimálního materiálu
Elektrické zařízení
systém využívající pro svou funkci
charakteristické vlastnosti jednotlivých podsystémů
Podsystém
Požadované charakteristické vlastnosti
konstrukční
fyzikální, fyzikálně-chemické,
mechanické, technologické
magnetický
magnetické
elektrický
elektrické, mechanické, technologické
dielektrický
elektrické, fyzikálně-mechanické, tepelné
Materiály pro elektrické zařízení
Konstrukční: Elektrický: Magnetický: dielektrický - izolanty:
oceli měď železo a jeho slitiny anorganické
litiny hliník oceli organické
plasty stříbro slitiny kovů přírodní
kompozity aj. zlato aj. ferity aj syntetické
supravodiče
Strukturu látek určuje
z jakých částic je látka složena
jak jsou částice uspořádány
jakými silami jsou částice vázány
Atomová struktura látek
Plyny:
1025 základních částic v 1 m3
mezi částicemi nepatrné síly
rozložení částic náhodné a neuspořádané
vzdálenosti částic nanometry (10-9 m)
Kapaliny a pevné látky ( = kondenzované látky)
1028 ÷ 1029 atomů v 1 m3
vzdálenost částic několik desetin nanometru
vzdálenosti částic jsou srovnatelné s vlastními
rozměry atomů
Atomová struktura látek
Plazma:
vysoce ionizovaný plyn z přibližně stejného počtu kladných a záporných elektrických nábojů
výskyt na zemském povrchu zřídka, ve vesmíru nejrozšířenější látkou
Základní systémy látek
atom
atomové jádro elektronový obal
protony a neutrony elektrony
molekula
složená ze dvou nebo více atomů
Základní pojmy v systému látek
ionizační energie [eV]
energie potřebná k uvolnění elektronu z neutrálního atomu
1 eV = 1,6 . 10 –19 J
afinita atomu k elektronu [eV]
množství uvolněné energie v důsledku přijetí elektronu
elektronegativita [eV]
součet ionizační energie a afinity atomu k elektronu
Co drží molekuly pohromadě ?
primární vazby: sekundární vazby: přechodné vazby:
kovalentní van der Waalsova dipólová kovalentní (iontová – kovalentní)
iontová vodíková „slabá“ kovalentní (kovalentní – kovová)
kovová
Kovalentní vazba (homopolární)
vznik: reakce dvou atomů se stejnou nebo málo rozdílnou elektronegativitou
charakter: vazba směrová poloha elektronové dvojice je nejpravděpodobnější na spojnici mezi středy vázaných atomů
výskyt: typická vazba atomů organických molekulu anorganických látek s krystalickou mřížkou složenou z atomů (diamant, křemík, germanium, karbid křemíku, aj.)
Iontová vazba (heteropolární)
vznik: předáním jednoho či více elektronů meziatomy – atomy se mění na ionty s opačným znaménkem
charakter: vazba sférická elektrostatický charakter
výskyt: typická vazba pro iontové krystaly(např. soli alkalických kovů – NaCl); nejsilnější při reakci prvků I. a VII. skupiny periodické soustavy (velký rozdíl elektronegativit)
Kovová vazba
vznik: pohyb kladných iontů a volných elektronů, v celém objemu látky (elektronový plyn)
charakter: elektrostatický charakter
výskyt: kovové krystaly
Van der Waalsova vazba
vznik: mezi dvojicemi kladných a záporných nábojů v molekulách
výskyt: typická vazba molekul organických látek přibližně o dva řády slabší než kovalentní či iontová vazba
Vodíková vazba
vznik: přitažlivé síly mezi atomy vodíku a atomy s volným elektronovým párem v sousedních molekulách
výskyt: vodík kovalentně vázán na silně elektronegativní prvek (např. kyslík, dusík)
Struktura látek
krystalická – s dalekodosahovým uspořádáním
nekrystalická – uspořádanost na malou vzdálenost
částečně krystalická – s oblastí krystalické fáze v jinak amorfní fázi
orientovaná – orientace řetězců do určitého směru
Nekrystalické látky (amorfní)
nepravidelné uspořádání částic v prostoru, příp. uspořádání na velmi krátkou vzdálenost
nestabilní stav (vyšší vnitřní energie než v látce krystalické za stejných podmínek)
lze převést na krystalický stav (dlouhodobé udržování vysoké teploty)
Srovnání krystalické a amorfní struktury
Částečně krystalické látky
zejména v pevných polymerních látkách
současný výskyt krystalické i amorfní fáze
obě oblasti jsou chemicky i fyzikálně neoddělitelné (přechod plynulý, bez rozhraní)
vliv jednotlivých fází na vlastnosti látky
objemový podíl krystalické fáze = stupeň krystality / %
Částečně krystalické látky
krystality – oblasti s krystalickou strukturou velikosti desítek nm
Tvary krystalitů:
lamelární uspořádání tvar sférolitu sférolitická struktura
Orientovaná struktura
polymerní látky s lineárními řetězci v makromolekulách (např. polyamidy, polystyren, polyetylén, polyetyléntereftalát)
orientace řetězců u vláken a fólií tzv. dloužením
paralelní orientace makromolekul (menší průřez, větší délka)
lepší mechanické vlastnosti ve směru dloužení
Vliv struktury na vlastnosti látek
krystalický stav stabilnější než amorfní
krystalické látky mají přesný bod tání, amorfní postupně měknou
v částečně krystalické struktuře rozdílné vlastnosti jednotlivých fází
Poruchy ve struktuře pevných kryst. látek
Bodové: substituční atom plošné mozaika
Vakance hranice zrn
Intersticiál vrstvové poruchy
Schottkyho lineární dislokace spirálová (šroubová)
Frenkelova dislokace hranová
Poruchy krystalů - bodové
a) substituční atom
b) intersticiální atom
c) vakance
d) Frenkelova porucha (přemístění atomu z řádné polohy do intersticiální)
e) Schottkyho porucha (vakance na místě kationtu i aniontu)
Poruchy krystalů - lineární
Poruchy krystalů - lineární
disklinace
.



Poruchy krystalů - plošné

2. Klasifikace materiálů a jejich základní technické vlastnosti
Pásová teorie vodivosti pevných látek
založena na pohybu valenčních elektronů v periodickém potenciálu krystalické mřížky
elektrony v atomu zaujímají určité energetické hladiny
štěpením energetických hladin vznikají energetické pásy
dovolené pásy odděleny zakázanými pásy
šířka pásů – určena podstatou atomů a symetrií krystalické mřížky
Pásová teorie vodivosti pevných látek
valenční pás = nejvyšší energetický pás zaplněný elektrony
vodivostní pás = nejbližší pás k valenčnímu
Pohyb elektronu mezi valenčním a vodivostním pásem:
rekombinace
Izolanty
valenční a vodivostní pás oddělen zákázaným pásem > 3 eV
Technické vlastnosti materiálů
Závisí 1: na struktuře
chemickém složení
zpracování
2: kovy nekovy
Základní sledované vlastnosti kovů
rozdělení vlastností v závislosti na struktuře
strukturně citlivé:
pevnost, tvrdost, elektrické a magnetické vlastnosti
strukturně necitlivé:
měrné teplo, teplota tání
Obecné rozdělení vlastností kovů
Fyzikální
Fyz. chemické
Mechanické
Technologické
vodivost
korozní
pružnost
tvárnost
tepelná roztažnost
optické
pevnost
obrobitelnost
magnetismus
emisní
houževnatost
svařitelnost
ferroelektrický
chemické
tvrdost
slévatelnost
měrné teplo
elektrochemické
lom
radiační vlastnosti
třecí
tečení
Mechanické vlastnosti kovů
vyjadřují chování materiálu za působení vnějších sil
deformace kovů při zatěžování F
pružná deformace (elastická)
tvárná deformace (plastická)
Zkoušky mechanických vlastností
Statické: materiál je namáhán určitou pomalu vzrůstající silou až na trvalou hodnotu
(zkouška tahem, ohybem, tlakem, krutem, střihem)
Dynamické: síla vzroste náhle na určitou velikost (zkoušky rázové)
Únavové:
Pulzující
míjivé
střídavé
Měření mechanických vlastností
statické zkoušky: zkouška pevnosti v tahu, tlaku, ohybu
- univerzální zkušební stroj
dynamická zkouška: zkouška rázové houževnatosti
- Charpyho kladivo
Fyzikální vlastnosti kovů
Elektrická vodivost: elektronová vodivost (vodiče 1. třídy)
iontová vodivost (vodiče 2. třídy)
elektrický odpor: - vzrůstá s nečistotami a legujícími příměsmi
- zvyšuje se deformací za studena
- klesá s teplotou
Tepelné vlastnosti kovů
vztahy mezi přiváděným teplem a teplotou materiálu
měrné teplo = tepelná jímavost materiálu
teplota tání = teplota přechodu kovu ze skupenství
tuhého do kapalného
tepelná vodivost = rychlost tepelného toku materiálem
vlivem účinku daného teplotního rozdílu
tepelná roztažnost = poměr relativního zvětšení délky při
změně teploty o 1 °C
Základní sledované vlastnosti izolantů
Izolanty - oddělují místa rozdílných potenciálů
- brání průchodu elektrického proudu
Izolant × dielektrikum
důležité vlastnosti izolantů:
elektrické, mechanické, tepelné, fyzikálně chemické, fyziologické
chování izolantu závisí na podmínkách:
teplota, tlak, napětí, frekvence, atd.
Elektrické vlastnosti izolantů
elektrická vodivost ( [S.m-1]
elektrický odpor R [(]
elektrická polarizace P [C.m-2]
relativní permitivita (r [–]
dielektrické ztráty [–] tg δ
průrazné napětí Up [V]
Elektrická vodivost izolantů
mechanismus závisí na:
= struktuře a složení příměsí
= skupenství látek (plyny, kapaliny, pevné látky)
= typech nosičů elektrického náboje
plyny - nesamostatná, samostatná vodivost, rekombinace
kapaliny - vodivost závislá na teplotě a na viskozitě
pevné látky - vodivost závislá na teplotě a intenzitě elektrického pole
Elektrický odpor izolantů
izolační odpor Riz [(]
vnitřní elektrický odpor Rv [(]
vnitřní rezistivita (v [(.m]
povrchový odpor Rs [(]
povrchová rezistivita (s [(]

Elektrická polarizace izolantů
pohyb volných i vázaných nábojů vlivem vnějšího el. pole
závisí na struktuře látky, velikosti a druhu působícího napětí
vektor polarizace: dipólový moment jednotky objemu
Polarizace
Pružné : nepružné
deformační elektronová dipólová
deformační iontová iontová relaxační
migrační
spontánní
Relativní permitivita
kvantitativní vyjádření polarizovatelnosti látek
schopnost se polarizovat
závisí na vyskytujících se polarizacích
poměr kapacity kondenzátoru s uvažovaným dielektrikem a s vakuem
Dielektrické ztráty
elektrická energie přeměněná v jinou energii za jednotku času v jednotce objemu
závislé na frekvenci, intenzitě el. pole, teplotě, ztrátovém čísle
měrné dielektrické ztráty:
Dielektrické ztráty
Průrazné napětí
průrazné napětí – Up / V
závisí na vnějších podmínkách a skupenství látky
průraz × přeskok
elektrická pevnost - Ep [V.m-1]
Požadované hodnoty elektrických vlastností izolantů
rezistivita co nejvyšší
relativní permitivita co nejnižší
ztrátový činitel co nejnižší
elektrická pevnost co nejvyšší
Fyzikálně mechanické vlastnosti izolantů
pevnost v tahu, ohybu
rázová houževnatost
nasákavost, navlhavost
hydrofilnost (smáčivost)
hydrofóbnost (nesmáčivost)
Tepelné vlastnosti izolantů
tepelná kapacita
součinitel teplotní vodivosti
teplotní součinitel délkové roztažnosti
teplotní součinitel objemové roztažnosti
Tepelná klasifikace elektroizolačních materiálů
Tepelná
70
90
105
120
130
155
180
200
220
250
Předchozí
Y
A
E
B
F
H
valenční pás
vodivostní pás


Konstrukční materiály pro elektrotechniku 3. a prostředí
Konstrukční materiály pro elektrotechniku
čisté kovy
slitiny kovů
anorganické látky
kompozitní materiály
syntetické makromolekulární látky
Charakteristické vlastnosti konstrukčních
kovových materiálů
Čisté kovy
- měkké, tvárné, málo pevné
- dobře elektricky vodivé
- odolné proti korozi
Slitiny kovů
- tvrdší, pevnější, hůře tvárné
- horší elektrická vodivost
- méně odolné proti korozi
(kromě legovaných slitin)
Železo jako konstrukční materiál
čisté železo
surové železo
oceli
litiny
Čisté železo
čistota 99,8 ÷ 99,99 %
polymorfní kov s modifikacemi a a g
feromagnetické vlastnosti
při Curieově teplotě (768 °C) paramagnetikum
Použití:
relé, měřicí přístroje
Základní rozdělení slitin železa
≤ 1,7 % C oceli
dle obsahu C
> 1,7 % C surová železa, litiny
surová železa
- výroba ze základních surovin
litiny
- výroba přetavováním surového železa a kovového odpadu (surová železa slévárenská)
oceli
výroba ze surových želez (surová železa ocelářská)
Oceli
vlastnosti modifikovány
obsahem uhlíku
zpracováním
zušlechťujícími přísadami
legurami
rozdělení podle použití
konstrukční
se zvláštními vlastnostmi
nástrojové
Použití konstrukčních ocelí
konstrukční tvářené
stožáry vvn
plechy pro statory turbogenerátorů
malé rotory
hřídele
svorníky transformátorů
konstrukční na odlitky
stahovací kruhy
ložiskové stojany a pánve ložisek turbogen.
rotory a tělesa ložisek synchr. generátorů
kostry asynchronních motorů
Oceli se zvláštními vlastnostmi
fyzikálními – stavba měřicích, regulačních a ovládacích přístrojů a přesných měřidel
tepelnými – např. termoelektrické dvojkovy, žáruvzdorné oceli
s velkým elektrickým odporem – odporový měřicí materiál,
topné odpory
magnetickými – magnetické materiály
nemagnetické – nemagnetické části el. strojů, armování kabelů,
skříně citlivých mag. přístrojů
Oceli nástrojové
řezné nástroje
nástroje k tváření
nástroje měřicí
pomocné nástroje a přípravky
Litiny
obsah uhlíku > 1,7 %
větší množství příměsí než oceli (Mn, Si, P, S)
důležité technologické vlastnosti
Základní rozdělení a použití litin
bílé litiny - omezené použití (křehké, tvrdé, špatně obrobitelné)
šedé litiny - ložisková pouzdra, odporové články k regulaci motorů, pístní kroužky, vložky válců
tvárná litina - součásti motorů, ložisková pouzdra, strojní odlitky
temperovaná litina - pro středně namáhané odlitky strojů a zařízení, armatury a odlitky tloušťky stěn 3 ÷ 30 mm
Speciální druhy litin
legované litiny
lepší mechanické vlastnosti, odolné proti opotřebení,
žáruvzdorné, korozivzdorné, zvláštní fyzikální vlastnosti
nemagnetické litiny
s austenitickou přísadou Mn
s přísadou Cu, Al
a zvýšeným obsahem C a Si – lepší obrobitelnost
náhrada barevných kovů
Anorganické konstrukční materiály
Sklo
Vlastnosti:
elektroizolační materiál
vynikající optické vlastnosti
chemická odolnost
mechanická pevnost
odolnost proti tepelným šokům
možnost broušení a leštění
křehkost (odstranění tvrzením)
Kategorie skel
1. Organická – např. PMMA
2. Anorganická oxidová : SiO2 + B2O3 + modifikující oxidy (např. CaO, Na2O, K2O, PbO)
Neoxidová: kovová (amorfní kovy – magnetická kovová skla)
chalkogenidová (sulfidy a selenidy As a Ge)
halogenidová (zejména fluoridová)
3. sklokeramika – polykrystalický materiál se zbytkovou skelnou fází
Technologie výroby skel
Suroviny
– přírodní a syntetické, dostatečně čisté s určitou zrnitostí (0,1 ÷ 1 mm)
– sestavení sklářského kmene ze sklotvorných oxidů
– tavení skla v tavicích pecích při teplotách 1300 ÷ 1500 °C (příp. 1700 °C)
– vznik kapalné skloviny s obsahem bublin
– tvarování výrobku (tažení, lisování, lití, vyfukování, lisofoukání)
Druhy technických skel
E-sklo – bezalkalické - SiO2•Al2O3•CaO•MgO•B2O3
– pro elektrické a tepelné izolace, výroba vláken do kompozitů, elektrotechnika
S-sklo – SiO2•Al2O3•MgO
– vyšší pevnost a modul pružnosti – letecká a raketová technika
D-sklo – SiO2•Al2O3•CaO•MgO•Na2O•K2O•B2O3
– horší mechanické vlastnosti, nízká dielektrická konstanta
– elektronika, elektrotechnika a energetika
C-sklo – tzv. chemické sklo - SiO2•Al2O3•CaO•MgO•B2O3•Na2O2
– vysoká odolnost vůči většině chemikálií
L-sklo – speciální sklo s vysokým obsahem olova – vyšší odolnost vůči rtg záření
Keramika
Klasifikace konstrukčních keramických materiálů
dle chemického složení
oxidová – jednoduché oxidy kovů
– složité sloučeniny (např. Al4Si5O16 – cordierit)
Neoxidová – sloučeniny z lehkých prvků III. ÷ V. skupiny karbidy a nitridy boru, křemíku a hliníku sialonové typy (Si-Al-O-N)
kompozitní – vícefázové systémy
heterogenní typy – Al2O3-TiC, SiC-BN, AlN-BN cermety
Struktura keramických materiálů
krystalická, amorfní, s oběma fázemi
vazba iontová, kovalentní nebo obě
schopnost polymorfních přeměn v závislosti na teplotě
mikrostruktura a vlastnosti závisí na technologii výroby
Výroba keramiky slinování – spékání práškových materiálů
optimální struktura – homogenní zrna
čím jemnější zrnitost, tím lepší vlastnosti
Konstrukční keramika
syntetické prášky velmi jemné zrnitosti
oxidy, oxidické soli, nitridy, karbidy, sialony
Postup výroby
příprava výchozí směsi – mletí a promísení
tvarování výrobku – lití, vstřikování, lisování
sušení – snížení obsahu vody
výpal – slinování, při teplotě 0,5 ÷ 0,9 TT
úprava povrchu výrobku – glazura, engoby, barvy
Vlastnosti keramiky
nízká hustota
vysoká teplota tání
nízký koeficient tepelné roztažnosti
vysoký modul pružnosti, vysoká tvrdost
vysoká teplotní i korozní odolnost
vys