Villamosipari és elektronikai anyagok Kivonat a Ginsztler, Hidasi, Dévényi: Alkalmazott anyagtudomány c. tankönyvből (Műegyetemi kiadó, Budapest 2002.) A villamos vezetés szerint az anyagok fő csoportjai: vezetők, félvezetők és szigetelők . Ha a rendszerben vannak szabad töltéshordozók: villamos vezető anyagok. Ha 0 K-en nincsenek szabad töltéshordozók, de a hőmérséklet emelésével szabad – azaz elmozdulni képes – elektron-lyuk párok jönnek létre, félvezetőkről van szó. Ha a rendszerben nincsenek szabad töltéshordozók, villamos áram nem alakul ki, de a villamos polarizáció révén a villamos tér villamos dipólusokat kelt, ill. ha ezek a tér nélkül is léteznek, akkor a villamos tér térirányba rendezi azokat. Ez a mechanizmus a szigetelőanyagokra jellemző. Megjelenési forma: A vezetőanyagok jellemzően huzalok, lemezek és fóliák formájában kerülnek felhasználásra. Ebből következően általános követelmény a jó alakíthatóság. Kivételt képeznek a nem képlékenyalakítási technológiával gyártott vastag- és vékonyrétegek. A felhasználás szempontjából megkülönböztetünk vezeték-, ellenállás- és szupravezető fémes anyagokat.
1. Villamos vezetékek anyagai Vezetékek: a vezetékanyagok rendszerint gyengén ötvözött fémek. Kismértékű ötvözés hatására is mindig romlik a villamos vezetőképesség. Jellegzetes ötvözetek Réz, Cu-Ag, Cu-Zn, Cu-Sn ötvözetek Alumínium és Al-Mg-Si ötvözetek: gyártásuk öntve hengerlő (Properzi-) eljárással, Fe-C ötvözetek: felhasználásukat többnyire alacsony áruk és nagy szilárdságuk indokolja. Érintkezőanyagok: általános követelmény a kis átmeneti ellenállás, a jó hővezetés, a jó ívállóság, a nagy szilárdság és kopásállóság. Jellegzetes anyagcsaládok: tiszta fémek, pl. Ag, Au, W, Pt ötvözetek, pl. Cu-Ag, Cu-Ag-Au, Ag-W, Cu-Ag-Ni kompozitok (fém-fémoxid rendszerek), pl. Ag-CdO Hőelemek aktív anyagai: kívánatos a minél nagyobb relatív termofeszültség, a hőállóság és a hegeszthetőség. A leggyakoribb anyagpárok: (mindig a + ágat szokás előre írni) Cu + 50Cu-50Ni (konstantán) Fe + 50Cu-50Ni(konstantán) Ni + 90Ni-10Cr Pt + 90Pt-10Rh Üveg- és kerámiaátvezetők (dumetanyagok): Ezek vákuumba vagy gáztérbe történő árambevezetők. Hőtágulási együtthatójuk, a fémekhez viszonyítva kicsi, mivel annak meg kell egyeznie az üveg/kerámia szigetelőével. E célra szinte mindig Fe-Ni ötvözetet alkalmaznak 36-42% Ni-tartalommal, a felületen rézbevonattal. Ez utóbbi biztosítja a vákuumzáró fém-üveg/kerámia kötést. Bimetállanyagok: A passzív (igen kis hőtágulású) oldal mindig dumet alapanyag, az aktív oldal pedig minél nagyobb hőtágulású: pl. Mn-18Cu-10Ni (kb. 250°C-ig) vagy 20Ni-6Mn-Fe (legfeljebb 450°C-ig). Az ellenálláshegesztés elektródaanyagai: jó villamos és hővezető képességgel rendelkező, nagy szilárdságú, rendszerint nemesíthető rézalapú ötvözetek, pl. Cu-1Cr, Cu-2Co-0,5Be, Cu-2Co-0,5Si. 1
Lágyforraszanyagok: lásd a 15. fejezetben Olvadóbiztosító-betétek anyagai: az (ún. gyors ) olvadóbiztosítók betétanyagai egyszerű Cuhuzalok, -lemezek vagy -fóliák. A megengedettnél nagyobb áram okozta hőterhelés hatására lokálisan megolvadnak. Az összeköttetés megszűntekor kialakuló szikra/ív részben elpárologtatja anyagukat. Az ún. lomhásított betétek vezető huzala mindig túlméretezett, és a várhatóan legmelegebb részükre egy kisebb-nagyobb tömegű Sn-Pb cseppet forrasztanak. A kiolvadást egyrészt e kis olvadáspontú ötvözet látens hője késlelteti, másrészt a megolvadt forraszanyag a rézhuzalba diffundálva helyi ellenállás-növekedést okoz, ami egyre nagyobb Joule-hő képződéséhez, végül a Cu-szál elolvadásához vezet. Vastagrétegpaszták: A vastagréteg- (>10 µm) áramkörök vezető elemei általában szitanyomással, majd az ezt követő hőkezeléssel készülnek. Jellegzetes anyagai: Ag, Pd-Ag, Pd-Au, Pt-Au Vékonyrétegek: A vékonyréteg- (<1µm) áramkörök vezető elemei vákuumgőzöléssel, porlasztással, kémiai leválasztással stb. készülnek. Leggyakrabban tiszta fémeket használnak előállításukra: pl. Al, Ag, Au, Pt.
2. Ellenállásanyagok Huzalok, lemezek: nagy fajlagos villamos ellenállás kívánalma. Leggyakrabban Cu, Ni és Fe alapú ötvözetek fordulnak elő: Precíziós és mérőellenállások • 55Cu–45Ni (konstantán) • Cu–Mn–Ni (manganin) Általános célú felhasználás • 80Ni–20Cr (cekasz) • 62Ni–16Cr–22Fe (kromel) Fűtőellenállások • Fe–Cr–Si • Fe–Cr–Al–Co (kantál) Nagy olvadáspontú tiszta fém ellenállások a vákuumtechnikai alkalmazásoknál és az izzólámpagyártásnál fordulnak elő: pl. W, Mo, Pt, Ta. Ellenállás-hőmérők anyagai: széles hőmérsékleti tartományban stabil mikroszerke-zetű, lineáris hőmérsékletfüggésű anyagok. Lényeges, hogy tulajdonságaik időben állandóak és jól reprodukálhatóak legyenek. Tiszta Pt a -260°C – +600°C tartományban használható, viszonylag kicsi a fajlagos villamos ellenállás hőmérsékleti tényezője. Tiszta Ni a -60°C – +200°C tartományban használható. A nagyon kis hőmérsékletek mérésére az indium (In) a legalkalmasabb. Nyúlásmérő bélyegek: műanyag hordozórétegre ragasztott ellenálláshuzalok. Mint egy postai bélyeget, ráragasztva a vizsgálandó mintára, az ellenállás-változásból meghatározható a minta lokális nyúlása. Lényeges paraméter a nagy fajlagos villamos ellenállás és az ellenállás minél kisebb hőmérsékleti tényezője. A bélyegek csak a rugalmassági határukig terhelhetők. Leggyakrabban 55Ni– 45Cu, ill. 80Ni–20Cr huzalanyagok fordulnak elő. Vastagréteg-ellenállás-paszták: Sokfélék, rendszerint Pd-, ill. Ru-alapú ötvözetek. Vékonyréteg-ellenállások: Leggyakoribb típusaik Cr–Ni, Ta, SnO2, Cr–SiO2.
2
3. Szupravezető anyagok A karakterisztikus (TKRIT ) kőmérséklet alatt a fajlagos villamos ellenállás zérussá válik. Az egy vegyértékű és az átmeneti fémek nem kerülhetnek ilyen állapotba, az alkalmazott szupravezetők a szobahőmérséklet körül általában rossz vezetők (inkább ellenállásanyagok). A periódusos rendszer elemei közül a Nb-nak van a legnagyobb (Kb. 7,2 K) kritikus hőmérséklete. Emiatt az e célra gyártott legtöbb ötvözet Nb alapú. Néhány példa: Nb3Sn Nb-Zr V-Ga Nb-Ge-Al
TKRIT = 18 K TKRIT =10,8 K TKRIT =16,5 K TKRIT ≈ 23 K (az ismert legnagyobb TKRIT )
Léteznek nemfémes (kerámia) szupravezető anyagok is. 1986. óta ismert a La1B2Cu3O7 összetételű kerámia, amelynél a TKRIT ≈ 30 K. E típusokat az összetételből adódóan 1-2-3-7 szupravezetőként is emlegetik. A jelenleg ismert legjobb összetétel a Tl1(Ca1Ba1)Cu3O7, amelynek kritikus hőmérséklete TKRIT = 125 K. A kerámia szupravezetők széles körű elterjedésének gátja, hogy mindmáig nem sikerült megoldani a belőlük történő huzalgyártást.
4. A félvezető anyagok A félvezető anyagokat a bennük lévő, elmozdulni képes töltéshordozók alapján feloszthatjuk ion- és elektron-félvezetőkre. Az előbbiekben az ionvezetés következtében kémiai átalakulások játszódnak le, így összetételük folyamatosan változik. Ebből következően érdemi gyakorlati alkalmazásuk nincs. Az elektron-félvezetők csoportjába számos anyag tartozik, ezeken belül elemi és vegyületfélvezetőket szokás megkülönböztetni. Az elemi félvezetőkhöz 12 elem tartozik, a legismertebbek a Si és a Ge (az utóbbinak ma már szinte csak történeti jelentősége van). A félvezető tulajdonságú vegyületek aszerint, hogy hány komponensből állnak, lehetnek binér, ternér, kvaternér stb. csoportba tartozók. A binér vegyületfélvezetők legfontosabb csoportjába tartoznak az Al, a Ga, az In és a B antimonidjai, arzenidjei és nitridjei. E vegyület-félvezető csoport ma már klasszikussá vált képviselője a gallium-arzenid (GaAs).
5. Mágneses anyagok 5.1. Lágymágneses anyagok Döntő többségük lemez alakban kerül forgalmazásra, amiből a felhasználók kivágják a megfelelő lemezformákat, és ezeket lemeztestekké (vasmagokká) építik össze. A világ össztermelése e termékből néhány millió tonna évenként. Ennek zöme Fe-Si típusú, kisebb része „tiszta” Fe. Mennyiségben az összes többi lágymágneses anyag elenyésző részt képvisel. Anyagcsalád Fe-Co Fe Fe-Si 50 Ni-50Fe 75 Ni-25Fe 30 Ni-70Fe (Permalloy ) A ferritek törékenyek, a felhasználók a kész magokat csak tekerccsel látják el, összefogják, rögzítik. A mikrohullámú alkalmazásoknál előfordul az egykristályként történő gyártásuk és felhasználásuk, de itt főleg gránátszerkezetű ferritek (pl. YIG, YAG) jönnek számításba. Alkalmazásuk: egyszerű tekercsek, transzformátorok, motorok, adattároló eszközök író-olvasó fejei. Az erősáramú felhasználást a 0,3-0,5 mm lemezvastagság jellemzi. A Si-tartalom (2-4 %) növekedtével a keménységük növekszik, egyre ridegebbek. Gyakran szigetelőréteggel együtt kerülnek szállításra. Többségük izotrop, de vannak texturált (Goss- vagy kockatextúrás) változataik is. A finomlemezek, fóliák (v = 0,1-0,3 mm) azonos márkanéven sokféle ötvözetfajtát takarhatnak. A különbségtétel legkönnyebben a telítési indukció ismeretében tehető meg (lásd a mellékelt táblázatot).
3
5.2. Keménymágnesek Az Alnico családba tartozik a gyártott, kb. 1/4 cm3-nél nagyobb térfogatú, fémes színű, egyszerű alakú (hasáb, henger) mágnesek döntő többsége. Gyakran csak a pólusfelületei köszörültek, és így a palásfelületen könnyen felismerhetők az öntési (héjforma ) nyomok. Rideg, kemény, törete durvakristályos (3-4 mm) szerkezetű. A ritkaföldfém mágnesek tapadása (vonzó/taszító-ereje) lényegesen nagyobb, mint az összes többi mágnesé. Ezen belül az R-Co jelű kobalt-ritkaföldfém mágnesek lényegesen drágábbak (ékszer árúak), emiatt általában a kis anyagmennyiséget igénylő (jellemzően 0,1–1 g) alkalmazásaik fordulnak elő. A Nd-Fe-B mágnesek lényegesen olcsóbbak, mint az R-Co mágnesek, és majd minden mágneses tulajdonságukban átfedik egymást. Mindkét utóbbi mágnescsalád esetén gyakran található a felületükön (esztétikai vagy korrózióvédelmi okokból) Ni-bevonat. Porkohászati úton készülnek, rendkívül kemények, utólagos megmunkálásukra nincs mód. A legegyszerűbb megkülönböztetési módként a melegítés ajánlható. A Nd-Fe-B kb. 300°C-on már teljesen lemágneseződik (erősen oxidálódik!). Az R-Co mágnesek Curiehőmérséklete lényegesen nagyobb, kb. 750°C körüli. A jelenleg alkalmazott adathordozók aktív mágneses részei mindig keménymágnesek. Öntött réteg előállításakor Fe2O3, Fe2O3+Co, CrO2 és báriumferrit anyagúak. Párologtatással, porlasztással Co-N, CoCr, Co-Ni-W típusú, kémiai, elektrokémiai leválasztásoknál Co-P, Co-Ni-P rétegek fordulnak elő a leggyakrabban. Alkalmazások: hangszórók, relék, mikrohullámú eszközök, szenzorok, mérőműszerek, emelő-, taszító-, rögzítőmágnesek, autónként kb. 25-30 db keménymágnes van beépítve. 5.3. Mágneses folyadékok Ismereteink szerint folyadékállapotban mágneses rend nem létezhet. A fenti jelzővel illetett anyagok mindig valamilyen (kisebb-nagyobb viszkozitású) hordozóban szuszpendált egyedi mágneses részecskéket tartalmaznak. A klasszikus mágneses szuszpenziók a leggyakrabban kerozinban vagy más olajokban szuszpendált, őrölt Fe3O4-részecskékből állnak. A ferrofolyadékok szerkezete az előzőtől abban különbözik, hogy a diszpergált mágneses részecskék mérete igen kicsi, kb. 10 nm. Ilyen kis részecskeméret esetén a Brown-mozgás aktivitása miatt nem ülepedik a rendszer. Víz- és olajalapú rendszerek ismeretesek. Bár ezek viszonylag híg rendszerek, mégis sok problémát jelent a részecskék összetapadásának megakadályozása. A mágneses gélek makromolekulás szerkezetűek, és ezek kis mennyisége igen nagy mennyiségű folyadékot képes „kocsonyaként” rögzíteni. Tehát ezeknél egy (óriási) makromolekulaváz üregeiben több mint 95 % víz és kb. 1-2 térfogat-% Fe2O3 helyezkedik el. Szuszceptibilitásuk 4-6 nagyságrenddel nagyobb, mint a normális paramágneseké. Az MR (Magneto Reological fluids ) jelű mágneses folyadékok mellett ER (Electro Reological fluids ) jelű villamos folyadékok, és ezek MER jelű keverékei léteznek. Alapvetően a mágneses, illetve a villamos tér megváltozására a viszkozitásuk megváltoztatásával reagálnak.
4
6. Szigetelőanyagok, dielektrikumok VILLAMOS SZIGETELŐANYAGOK DIELEKTRIKUMOK Egyszerű dielektrikumok
Aktív dielektrikumok Piezoelektromos anyagok
Folyadékkristályok
Piroelektromos anyagok
EGYSZERŰ SZIGETELŐK
Ferroelektromos anyagok
JÓ HŐVEZETŐ VILLAMOS SZIGETELŐK ANTISZTATIKUS SZIGETELŐK NAGY VESZTESÉGŰ ANYAGOK AZ OPTIKAI SÁVBAN ALKALMAZOTT ANYAGOK Fényvezetö szálak
Optikai elemek
1. ábra – A szigetelőanyagok rendszerezési vázlata A villamosipart jellemző szigetelőanyag-családok: Gáznemű szigetelők (levegő, hidrogén, szén- és kén-fluoridok). Olajok, gyanták, masszák, impregnálóanyagok. Műanyagalapú szigetelőanyagok, szigetelőlakkok. Rostos, szálas és rétegelt szigetelők. Üvegek, porcelánok, kerámiák: a villamosipari kerámiák „családfáját” mutatja a 2. ábra. Tekercselhető szigetelőanyagok. Kompozit szerkezetű szigetelőanyagok.
6.1. A kábelszigetelések szerkezeti anyagai A vezetők készülhetnek rézből vagy alumíniumból. A kábelek szigetelése az érszigetelésből és egyes típusoknál az övszigetelésből áll. A kábelerek klasszikus szigetelőanyaga az impregnált papírszalag. Újabban mind gyakrabban használják szigetelőanyagként a különböző műanyagokat, a polivinil-kloridot (PVC) és a polietilént. A köpeny régebben kizárólag lágyólomból készült, az utóbbi évtizedekben nagyon elterjedt az alumíniumköpeny alkalmazása. Páncélozáshoz lágyított állapotú, hidegen hengerelt acélszalagot használnak. Terjed az ólom-, illetve alumíniumköpenyek és a páncélozás korrózióvédelmére a folytonos PVC-vagy polietilénköpeny.
5
2. ábra – A villamosipari kerámiák családfája
6.2. Piezoelektromos anyagok Piezoelektromos tulajdonságot mutat minden olyan kristályos szigetelőanyag, amelynek elemi cellája szimmetria-középponttal nem rendelkezik, vagy a szimmetria mechanikai terhelés hatására megszűnik. A jelenség lényege az, hogy rugalmas mechanikai terhelés hatására egyes kristálytani síkokon villamos töltések jelennek meg. A legismertebb piezoelektromos anyag a kvarc. A polarizáció inverz jelensége az elektrosztrikció, amely a villamos tér hatására bekövetkező rugalmas alakváltozásban nyilvánul meg. Felhasználásuk jellemző területei: oszcillátorok, szűrők, rezgés- és gyorsulásérzékelők, elektroakusztikai eszközök és ultrahangos vizsgálóberendezések aktív anyagai.
6
7. Fényforrások és anyagaik 7.1. Izzólámpák Volfrám izzószálas, termikus gerjesztésű – csak spontán emisszióval működő – sugárzók. Élettartamukat főleg a volfrám párolgási sebessége szabja meg. Emiatt egyrészt a szálméret csökken, másrészt a burán lecsapódott W csökkenti a kilépő fényáramot. A nemesgáztöltés (nyomása kb. 70 kPa) célja a W párolgásának csökkentése. Hátrányként jelentkezik, hogy a gáz hűti az izzószálat, emiatt többletteljesítményt igényel. Többnyire Ar, Kr és Xe töltőgázokat alkalmaznak, melyek hővezető képessége és ionizációs feszültsége a felírás sorrendjében csökken. Az I-, Br-töltésű halogénlámpák lényegi jellemzője, hogy az elpárolgó W a halogén-körfolyamat révén visszajut az izzószálra. Reflexiós felületek kialakítása gyakori igényként jelentkezik. A burák belső felületén ekkor vákuumgőzöléssel ezüstszínű (99,99%-os Al) vagy aranyszínű (97% Al + 3% Cu) réteget hoznak létre. Hidegtükrös kivitelnél azt kell elérni, hogy a nagy reflexióképesség csak a látható tartományban jöjjön létre. Az izzószálat tartalmazó üvegburák sokfélék, általában átlátszó, opál, homályos és színes (anyagában színezett, kívül vagy belül festett) kivitelűek. 7.2. Kisülőlámpák A ritkított gázokban a villamos kisülést fényjelenségek kísérik. A katódról kilépő és felgyorsított elektronok a gázatomokkal ütközve hozzák létre a gerjesztett állapotot. Fénycsövek: kisnyomású Ar-t tartalmazó, Hg-gőz töltetű és (a gyújtás megkönnyítéséhez) W-spirál elektródákkal szerelt kisülőcsövek, vonalas sugárzók (a közeli ultraibolyában). Fényporként a leggyakrabban ún. halofoszfátokat (pl.Ca5(PO4)3, FXC1-X) tartalmaznak, amelyek a Hg-gőznek ellenállnak, és már a kis üzemi hőmérsékleten (kb. 320 K) is jól működnek. Az igényelt színhőmérséklet beállítására ún. aktivátorokat (pl. Sb, Mn) is tartalmaznak. Közvetlen fényű fénycsövek: fűtés nélküli elektródákkal rendelkező, gázzal töltött üvegcsövek. A töltőgáz minőségétől függő vonalas sugárzók, pl. vörös = Ne, sárga = He, kék = Ne + Hg, fehér = CO2, zöld (barna üvegben) = Ne + Hg. Nagynyomású kisülőlámpák: a két végükön egy-egy elektródát (és mellettük egy-egy gyújtóelektródát) tartalmazó kvarccsövek. Az egészet egy további, Ar-töltésű külső bura védi. Itt a fényporbevonat nem a kisülőcsövön – aminek az üzemi hőmérséklete Hg-lámpa esetén kb. 500°C –, hanem a külső burán van, leggyakrabban YVO4 vagy YPO4, Eu aktivátorral. Na-lámpáknál a nagyobb hőterhelés miatt (800-1200°C) áttetsző, polikristályos Al2O3 vagy átlátszó egykristályos (zafír) kisülőcsövet használnak, és a külső bura vákuumozott. A jódtöltetű fémhalogénlámpákban ahhoz, hogy a Hg-lámpákkal szemben közel fehér spektrumot adjanak, a Hg mellett még Na, Tl, és Cs fordul elő.
7
