EMAP

oká odolnost proti opotřebení
stabilita mechanických vlastností v širokém teplotním intervalu
dostupnost vstupních surovin pro výrobu
Nedostatky keramických materiálů
křehkost
obtížná reprodukovatelnost výroby složitých tvarů
velmi náročné opracování
obtížné spojování keramiky mezi sebou i s ostatními materiály
Aplikace konstrukční keramiky
strojnictví – řezná keramika
– hroty konstrukční nožů, fréz, vrtáků
– obrábění žárovzdorných materiálů
– písty, ventily, stěny válců, výfuky, ložiska
hutnictví – formy na odlitky
elektrotechnika – jaderná energetika
– izolanty, speciální dielektrika
letectví – spalovací trysky, turbíny
Žáruvzdorné keramické materiály
vysokoteplotní aplikace
oxidová keramika – kyselé oxidy (SiO2 – dinas, Al2O3, ZrO2, Cr2O3)
– zásadité oxidy (MgO, CaO)
– binární sloučeniny (mullit, zirkon, spinel)
neoxidová keramika – SiC
Sklokeramika
neporézní polykrystalický materiál se zbytkovou skelnou fází
Vlastnosti: vysoká pevnost, velmi malá tepelná roztažnost

Použití: jaderná energetika
dielektrické prvky
otěruvzdorné povlaky
Aplikace speciální keramiky
keramická vlákna – papír, rohože, desky
– náhrada azbestu
Kompozitní keramika
vícefázový systém vyztužení mikroskopickými destičkami nebo vlákny
Vlastnosti: vysoká tvrdost, teplotní odolnost
odolnost proti teplotním šokům
Použití: řezné nástroje
třecí elementy
trysky pro vysoké teploty
tepelné štíty v letectví
Cermety
CERamic + METal
vlastnosti závisí na poměru složek a technologii zpracování
Použití:
řezné a obráběcí nástroje
topné elektrické odpory
lopatky plynových turbín
spalovací komory proudových a raketových motorů
Biokeramika
biologicky inertní – zubní implantáty
– klouby
– kostní náhrady
biologicky aktivní – porézní fosforečnany resorbují okolní kostní tkáň
– rekonstrukce kostí

Elektrické vodiče
Charakteristické vlastnosti elektrických vodičů
vysoká elektrická vodivost
rezistivita 10-6 ÷ 10-8 Ω·m
dobrá tepelná vodivost
dobré mechanické a technologické vlastnosti
Rozdělení a charakter elektrických vodičů
vodiče 1. třídy
elektronová vodivost
na bázi kovů
vodiče 2. třídy
iontová vodivost
roztoky a taveniny iontových solí
Charakteristické vlastnosti a použití základních vodičů
Měď
Charakteristické vlastnosti: odolnost proti korozi
vodíková nemoc mědi
Použití 55 % Cu – měděné výrobky

45 % Cu – výroba slitin

čistá Cu – dráty, lana, silnoproudé kabely, sdělovací
vodiče, vinutí elektrických strojů, součásti
přístrojů, kluzné kontakty,
bezkyslíková – vakuová technika
Elektrovodné slitiny mědi a jejich použití
Přísady: Cd - troleje, dálkové vodiče, telefonní vodiče
Cr - elektrody pro odporové svařování
Ag - komutátory, součásti el. strojů
Slitiny mědi
Tvářené x slévárenské x (pájky)
Mosazi – slitiny Cu + Zn
– menší význam (tažené a lisované elektrotechnické součásti)
Bronzy – všechny slitiny Cu (kromě mosazi), např.:
+ Sn – součásti spínačů, sběrné kroužky, kontaktní segmenty
+ Al – součásti odolné vyšším teplotám
+ Ni – odporové vodiče, termoelektrické články
Hliník
Charakteristické vlastnosti:
málo pevný
na vzduchu velmi stálý
60 % elektrické vodivosti Cu

Použití
hliník 99,5 % a jeho slitiny:
holé vodiče rozvodných zařízení
elektrovodná hliníková lana (AlFe)
sdružené troleje
silnoproudé kabely do 35 kV
ochranné vodiče
klecová vinutí s kotvou nakrátko
stínění sdělovacích kabelů, atd.
Hliník a jeho použití
elektrovodná hliníková
lana s ocelovým jádrem(AlFe)
klecová vinutí s kotvou nakrátko
Slitiny hliníku
Tvářené - s větší pevností (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Ni, Al-Zn-Mg)
- s větší odolností proti korozi (Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Mn)
Slévárenské - dobře slévatelné (Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn)
Lana Andrey slitiny Al + Mg, Si, Fe
Zlato
Charakteristické vlastnosti:
ze všech kovů nejtažnější
výborně tvárné
po Pt chemicky nejodolnější kov
nízký a stálý přechodový odpor
málo tvrdé
sklon k opalům, lepení a přenosu materiálu
Použití:
čisté Au – málokdy, pokovování laboratorních přístrojů
slitiny – kontakty pro malé přítlačné síly a nízké proudy
Stříbro
Charakteristické vlastnosti:
z kovů nejvyšší elektrická a tepelná vodivost
velmi tvárné, dobře chemicky odolné
Použití:
pojistky
vodivé součásti
kontakty (ne silně mechanicky namáhané)
Platina
Charakteristické vlastnosti:
velmi dobře tvárná
chemicky nejodolnější kov
odolná proti oxidaci
nízký a stálý přechodový odpor
Použití Pt a slitin:
termočlánky
kontakty s malou přítlačnou silou
anody pro elektrolýzu
Ag
Cu
Au
Al
Zn
Pt
Sn
Pb
106 S.m-1
63
59,6
45,2
37,7
16,6
9,7
9,2
4,8
mosazi
elektrovodné bronzy
elektrovodné slitiny Al
106 S.m-1
14 ÷ 22
8,1 ÷ 33
32 ÷ 34,5
Supravodivost
pokles rezistivity některých materiálů při teplotě blízké 0 K  na neměřitelně nízkou hodnotu
Podmínky supravodivosti:
teplota supravodiče < Tk
indukce magnetického pole < Bk
hustota proudu < Jk
Materiály se supravodivými vlastnostmi
čisté kovy ( Pb, Nb)
slitiny (Nb-Ti, Nb-Ti-Zr) – tvárné a pevné
intermetalické sloučeniny (Nb3Sn, V3Ga) - křehké
neoxidické keramiky (nitridy, silicidy, karbidy)
Perspektivní supravodiče „vysokoteplotní supravodiče“
– oxid yttria, baria a mědi (-180°C)
– oxid thalia, baria, vápníku a mědi (-148°C)
– oxid mědi s obsahem bizmutu (-163°C)
organické polymery
struktury s obsahem S nebo Se
modifikace uhlíku
karbyny, fullereny
Využití supravodičů
- měření velmi malých mag. polí
- bezeztrátový přenos elektrické energie
- uchování elektrické energie
- supravodivé magnety
- magnetická ložiska
- vysokorychlostní kolejová doprava (MAGLEV)
Uhlík a jeho modifikace
Diamant
- nejčistší krystalický uhlík
- krychlová soustava, 4 kovalentní
směrové vazby atomů
Grafit
- šesterečná soustava
- kovalentní vazby 3 elektronů v jedné vrstvě (1 volný)‏
Beztvarý uhlík
- zahříváním uhlíkatých látek za
omezeného přístupu vzduchu
- amorfní uhlík (saze)
Fullereny
- molekuly složené z 20 a více atomů umístěných ve vrcholech
různých mnohostěnů kulovitých tvarů
Nanopěna
- mikrostruktura ve formě pospojovaných
nanotrubiček dlouhých 5 nm
Elektrotechnický uhlík
Vlastnosti
schopnost vytvářet plynný oxid
vysoký bod tavení
chemická stálost
velká elektrická a tepelná vodivost
dobrá pevnost a stálost při změnách teplot
Hlavní skupiny uhlíkových materiálů a jejich použití
Materiál
Složení
Přírodní grafit
vytěžená tuha, minerální nečistoty
Tvrdý uhlík
koks, saze, grafit, smolná pojiva, abrasivní příměsi
Uhlografit
koks, saze, grafit, smolná pojiva
Elektrografit
práškový koks, saze, grafit, smolná pojiva
Kovografit
grafit, měď, olovo nebo pojivo, stříbro
Bakelitografit
grafit, pryskyřičné pojivo
Elektrotechnický uhlík
Použití
uhlíkové mikrofony (uhlíkový prach)‏
uhlíkové kartáče v elektrických točivých strojích
sběrače proudu v elektrické trakci
odporový materiál
elektrody v teplotně náročných podmínkách
Vlastnosti
velká rezistivita
malý teplotní součinitel rezistivity a délkové roztažnosti
dostatečná pevnost při vysokých teplotách
vysoká teplota tavení
žáruvzdornost a stálost vlastností
Použití:
měřící a regulační účely, elektrotepelná zařízení
měřicí technika – manganin, konstantan, nikelin
regulační účely – nikelin
elektrotepelná zařízení – chromnikl, kantal, čechral
Odporové materiály nekovové
uhlíkové odporové materiály pro rezistory
sility (SiC, Si + přísady)
spékané materiály – prášky W, Mo, Ta + oxidy Al2O3
Kontaktové materiály
Požadavky:
velká elektrická a tepelná vodivost
odolnost proti erozi působením el. oblouku
malý přechodový odpor
velká tvrdost
odolnost proti oxidaci
Kontaktové materiály
čisté kovy: Cu, Ni
vysokotavitelné kovy: W, Mo
vzácné kovy: Au, Ag, Pt a jejich slitiny + Ir, Pd
slitiny: Ag + Cu + Ni, Ag + Cd, Ag + Pd, Au + Ni (pro náročné účely)
spékané materiály: AgW, WAgNi, AgC, AgNi, WCuNi

Elektrotechnické materiály 5.
Neželezné kovy
většinou elektricky vodivé materiály se specifickými vlastnostmi
Důležité vlastnosti:
elektrické – elektrická vodivost
tepelné – tepelná vodivost, teplota tání
technologické – slévatelnost
fyzikálně-chemické – hustota, chemická stálost, odolnost proti korozi, aj.
Kovy a jejich slitiny s nízkou teplotou tání
- alkalické kovy (Li, Na, K, Rb, Cs)
– chladící média, přísady do slitin
- prvky tvořící přechod k nekovům (Hg, In)
- „klasické“ kovy (Zn, Cd, Sn, Pb, Bi)
Kovy s nízkou teplotou tání
Použití vybraných kovů
Cín:
Sn – cínování měděných, mosazných i železných výrobků
Slitiny – např. měkké pájky (Sn + Pb) kompozice k vylévání ložisek
Zinek:
Zn – pozinkování ocelových výrobků
Slitiny – s Al a Cu
Olovo:
Pb – akumulátory, pláště kabelů, ochrana proti záření, pájky
Slitiny – Pb legované vytvrzujícími prvky (Sb, Sn, Ca)
Pb-Sb tvrdá olova
Pb-Ca, Pb-Sn-Ca akumulátory
Pb-Sn měkké pájky
Rtuť:
Hg – teploměry, tlakoměry, chemický průmysl, lékařství
Kovy s velmi nízkou teplotou tání
- teplota tání < 100 °C
- komplexní slitiny obsahující: Bi, Pb, Sn, Cd příp. In
- Woodův kov – teplota tání 70 °C (Bi50Pb28Sn13Cd9)
Použití: tavné pojistky, požární jističe, poplašná zařízení, atd.
Tepelné a tavné pojistky
Požadavky na tavné spojení:
velká konduktivita
nízká teplota tavení
malá náchylnost k oxidaci
snadná vypařitelnost
materiály na tepelné pojistky: měkká pájka, Woodův kov
materiály na běžné pojistky:tavný vodič z Ag, Al, Zn nebo slitin
materiály na výkonové pojistky: postříbřený Cu drátek (pásek)
Kovové pájky
Pájka: přídavný kovový materiál pro pájení s teplotou tavení nižší než je teplota tavení základního materiálu
Obecné vlastnosti:
dostatečná mechanická pevnost – tah, ohyb, smyk
co nejvyšší konduktivita
smáčivost, roztékavost, kapilarita
odolnost proti korozi
Rozdělení kovových pájek
měkké pájky:
teplota tavení do 450 °C
(do 220 °C snadno tavitelné)
nepříliš mechanicky namáhané spoje
slitiny nízkotavitelných kovů (Pb, Sn, příp. + Cd, Bi)
tvrdé pájky:
teplota tavení nad 450 °C
větší mechanické namáhání
vyšší, resp. kryogenní teploty
mosazné, hliníkové, ostatní (např. Ag, Au, Pt)
Kovové pájky
měkké pájky teplota tavení do 450 °C
tvrdé pájky teplota tavení nad 450 °C
Speciální pájky
pájkové pasty:
kovové prášky + plastifikátory
měkké i tvrdé pájky
pro plošnou montáž v elektronice
paládiové pájky:
Pd zlepšuje smáčivost tvrdých pájek Ag-Cu, Ni-Mn
vysoká mechanická pevnost
větší odolnost proti korozi
pro náročné tepelně zatěžované spoje
zlaté pájky:
netvoří na povrchu oxidy
korozně odolný spoj, odolný změnám teplot
spoje polovodičových čipů s vnějšími kontakty
měkká pájka Au-Sn – pro vakuově těsné spojování
pájka Au-Sb-Si – Si čipy s Ag nebo Au povlakem
tvrdá pájka Au-Ni – spojování W/W, W/Mo
tvrdé pájky s velmi vysokou teplotou pájení:
pájecí teplota nad 1000, popř. 1500 °C
kovy a jejich karbidy s vysokým bodem tání
zejména W, Mo, platinové kovy: Ta, Nb, Rh, Zr, Pt, Pd
Kovy a slitiny se střední teplotou tání Cu, Ni, Co
Nikl: Ni - chromniklové austenitické oceli, součástky proudových leteckých motorů
slitiny
- vysoce žáruvzdorné, žáropevné
- chemicky odolné (Ni-Cr, Ni-Mo)
magneticky měkké slitiny (permalloye, binární slitiny NiFe)
- odporové materiály (Ni20Cr, Nichrom, Chromnikl)
- termočlánkové slitiny (Chromel, Alumel)
Kobalt:
slitiny
elektrotechnika (Fe-Co-V – permanentní magnety, Co-Sm)
W, Mo: veškeré vysokoteplotní aplikace (vlákna žárovek, svařovací elektrody, odporové materiály, pece, atd.)
W + Mo: slinuté karbidy (velmi tvrdé obráběcí nástroje)
Zirkonium: jaderná energetika (povlak palivových článků), stavba speciálních elektronek
Bimetal: materiál vytvořený ze dvou (i více) kovů nebo slitin s různými teplotními součiniteli délkové roztažnosti
pasivní vrstva: kov s menším součinitelem teplotní délkové roztažnosti
slitina Fe-Ni (36 ÷ 42 % Ni)
aktivní vrstva: kovy s větším součinitelem teplotní délkové roztažnosti
Ni, slitiny Fe-Ni (20 % Ni), Cu-Ni
Použití: rozsah 20 ÷ 400 °C, tepelné jističe, termostaty, měřicí technika, aj.
Termoelektrický článek: dva vodiče z různých materiálů spojené na jednom konci vodivě
Vodivý spoj: měřící spoj termoelektrického článku
Porovnávací konce: vzájemně izolované konce větví s konst. teplotou
Termoelektrické napětí: důsledek rozdílu teplot mezi měřícím spojem a porovnávacími kontakty
Podmínky pro výběr vodičů:
rozsah měřených teplot
požadovaná přesnost měření
chemická odolnost vůči agresivnímu prostředí
požadovaná životnost termoelektrického článku
pro nízké teploty (- 250 až 500 °C):
Cu – konstantan, Fe – konstantan
chromel-alumel, chromel-kopel. NiCr-Ni
pro vysoké teploty:
do 1500 ° - řada PtRh - Pt
do 2500 ° - W-Ir, W-Mo, Ir-IrRh
Použití: snímače teplot pro automatizaci
Polovodiče
Předpoklad vzniku polovodičů:
alespoň minimální podíl kovalentní vazby v molekule
Elementární polovodiče
kovalentní krystaly s diamantovou krystalovou mřížkou
Sloučeninové polovodiče
kovalentní vazba částečně nahrazena iontovou,
podíl iontové vazby vrůstá s rostoucím podílem elektronegativit zúčastněných prvků
Obecné vlastnosti:
látky s elektronovou resp. děrovou vodivostí
konduktivita při 300 K je 105 ÷ 10-1 S.m-1
teplotní závislost konduktivity
působení vnějších sil vyvolává změnu elektrických vlastností
při nízkých teplotách nepřecházejí do supravodivého stavu
ovlivněny množstvím příměsí a strukturních poruch v krystalové mřížce
Vlastní polovodiče
neobsahují žádné elektricky aktivní příměsi v krystalové mřížce
volné nosiče jsou generovány působením různých forem energií
při teplotě 0 K se chovají jako ideální izolant
Nevlastní polovodiče
Obsahují v krystalové mříži substituční, popř. strukturní poruchy
Vznik lokálních energetických hladin v zakázaném pásu
hladina příměsí
Nevlastní polovodiče
Polovodič typu P
- příměsové atomy trojmocné prvky (B, In, Al)
- děrová vodivost
Polovodič typu N
- příměsové atomy pětimocné prvky (P, As, Sb)
- elektronová vodivost
Polovodičové materiály
polovodiče
Elementární polovodiče a jejich použití
Křemík:
PN přechody, diody, tranzistory, integrované obvody, konverze slunečního záření na elektrickou energii
Germánium:
speciální vf detekční diody, tranzistory, detektory jaderného záření
Selen:
- xerografie
Polovodičové sloučeniny a jejich použití
Typ AIIIBV
- z prvků III. a V. skupiny
- např. GaAs, InAs, InSb, GaP
Použití: optoelektronika, tranzistory a mikrovlnné obvody s vyšší frekvencí
Typ AIIBVI
- z prvků II. a VI. skupiny
- např. HgTe, CdTe
Použití: konstrukce heterostrukturních laserů a detektorů záření v infračervené oblasti
Ostatní polovodičové sloučeniny (AIVBIV, AIVBVI, A2VB3VI)
Použití:
konstrukce heteropřechodů
optoelektronika
světloemitující diody
termoelektrické články
Oxidické polovodiče
sloučeniny - např. Cu2O, NiO, TiO2, Fe2O3
baryum-titanátová keramika (BaTiO3)
Použití:
termistory (Fe2O3 + přísady, BaTiO3)
varistory (ZnO, TiO2, SiC)
Amorfní polovodiče
kombinace elementárních polovodičových prvků
např. Te-Si-Ge, As-Te-Ga-Ge, As-Se-Te
Použití:
příprava skleněných vláken
pro CO a CO2 lasery
paměťové a spínací součástky
amorfní vrstvy Si dotované vodíkem (výroba solárních článků)
Organické polovodiče
přírodní látky:
hemoglobin, chlorofyl
syntetické organické látky:
polymery s rezistivitou 10-6 až 102 Ω.m
Použití: vodivé vrstvy, termistory, termoelektrické články, fotorezistory

vodivostní pás
valenční pás
AIV BIV
A2V B3VI
A1-XBXC
AIV BVI
A1-XBXC1-Y DY
AIII BV
AIII BVI
ostatní
oxidické
tuhé roztoky
binární sloučeniny
amorfní
organické
krystalické
sloučeninové
elementární

Elektrotechnické materiály 6. a prostředí
Základy magnetismu
Podstata chování pevných magnetických látek
po vložení do magnetického pole se zmagnetují
zůstávají zmagnetované i po odstranění magnetického pole
Makroskopický popis magnetik
Magnetický moment
Magnetická susceptibilita κ [-]
pro izotropní magnetikum
Intenzita magnetického pole
Makroskopický popis magnetik
Magnetická indukce
.3
Relativní permeabilita μr [-]
μ = μ0 . μr μr = 1 + κ
Molekulární popis magnetik
magnetizace vzniká složením atomových magnetických momentů
Orbitální magnetický moment elektronu
Bohrův magneton
Spinový magnetický moment
Magnetický moment jádra atomu
Klasifikace magnetik
Rozdělení podle vlastností a chování v magnetickém poli
Diamagnetika
Paramagnetika
Feromagnetika (+ antiferomagnetika, ferimagnetika)
Rozdělení magnetik podle charakteristických veličin
Diamagnetika κ < 0, μr < 1
Paramagnetika κ > 0, μr > 1
Feromagnetika κ > 0
Teplotní závislost magnetizace na teplotě uspořádání mag. momentů ovlivněno teplotou, při Tc paramagnetika
paramagnetika
feromagnetika
Diamagnetismus
součet všech dílčích momentů Ł 0
vlastní magnetický moment po vložení do mag. pole
Diamagnetické látky:
vzácné plyny, plasty, organické látky, krystaly halogenidů (NaCl, KBr), některé kovy (Au, Ag, Cu, Zn, Hg), supravodiče
Paramagnetismus
součet všech dílčích momentů > 0
každý atom má výsledný magnetický moment
Paramagnetické látky: iontové sloučeniny vzácných zemin s neúplným zaplněním valenčních orbitalů (Ti, V, Cr), alkalické kovy (Na, K, Al, Mg)
Feromagnetismus
nenulový magnetický moment i bez přítomnosti vnějšího magnetického pole
doménová struktura se spontánní polarizací jednotlivých oblastí
domény spontánně zmagnetovány do stavu nasycení

Blochovy stěny
Domény
Bez působení magnetického pole Při působení magnetického pole
Křivka prvotní magnetizace
Magnetizační křivka: vztah mezi vnějším magnetickým polem a magnetizací látky
Hysterezní smyčka
Remanentní indukce Br [T]
indukce materiálu po snížení intenzity H na nulu
Koercitivní intenzita Hc [A.m-1]
intenzita mag. pole potřebná ke zrušení indukce Br
Feromagnetismus
Feromagnetické látky: Fe, Ni, Co
Heuslerovy slitiny (např. Cu2MnAl, Cu2MnSn, Au2MnAl, MnBi)
gadolinium a jejich slitiny ferity
Antiferomagnetismus
zvláštní případ feromagnetik magnetické momenty stejně velké, uspořádáné antiparalelněvýsledný moment nulový
Antiferomagnetické látky: oxid a fluorid manganatý
Ferimagnetismus
neúplně kompenzovaný antiferomagnetismus magnetické momenty různé velikosti, uspořádané antiparalelně
Ferimagnetické látky: ferity
Magnetické bubliny
magnetické domény válcového tvaru s opačným směrem magnetizace
než má maticová doména, v níž vznikají
ve speciálních materiálech v tenkých vrstvách
(materiály magneticky jednoosé)
Magnetické bubliny
struktura jednotlivých magnetických bublin
hadovitá struktura mag. Bubliny
WS – šířka hadovitého pruhu h – tloušťka materiálu
Magnetické bubliny
Použití:
přenos a uchování informací
konstrukce bublinových pamětí
Materiály:
granáty
ortoferity
hexaferity
amorfní intermetalické slitiny
Ztráty v magnetických obvodech
Ztráty vířivými proudy Pv
důsledek elektrické vodivosti feromagnetik
Hysterézní ztráty Ph
důsledek magnetické hystereze při cyklickém magnetování feromagnetika (přímo úměrné ploše hysterézní smyčky)
Přídavné ztráty Pp:
vliv struktury a dalších příčin
Celkové ztráty
PFe = Pv + Ph + Pp
Doprovodné jevy při magnetování
Magnetostrikce
změna rozměrů a tvaru feromagnetika při změně jeho magnetizace
důsledek interakce elektronových spinů s vnějším m