Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc., Doc. Ing. Karel Liedermann, CSc. Doc. Ing. Josef Jirák, CSc., Ing. Svatopluk Havlíček, CSc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D., Ing. Zdenka Rozsívalová

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

2

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obsah 1

ÚVOD .............................................................................................................................. 10

2

VODIVÉ A ODPOROVÉ MATERIÁLY .................................................................... 11 2.1 STRUKTURA A VLASTNOSTI KOVŮ ............................................................................. 11 2.2 KOVOVÉ MATERIÁLY PRO ELEKTROTECHNIKU .......................................................... 11 2.3 AMORFNÍ KOVOVÉ MATERIÁLY ................................................................................. 11 2.4 ZPRACOVÁNÍ KOVŮ ................................................................................................... 12 2.4.1 Tváření kovů..................................................................................................... 12 2.4.2 Svařování.......................................................................................................... 21 2.4.3 Pájení ............................................................................................................... 27 2.4.4 Výroba drátů .................................................................................................... 27 2.5 POVRCHOVÉ ÚPRAVY KOVOVÝCH MATERIÁLŮ .......................................................... 29

3

MAGNETICKÉ MATERIÁLY.................................................................................... 36 3.1 3.2 3.3

4

STRUKTURA A VLASTNOSTI FERO- A FERIMAGNETIK ................................................. 36 FERO- A FERIMAGNETICKÉ MATERIÁLY ..................................................................... 36 SPECIÁLNÍ MAGNETICKÉ MATERIÁLY ........................................................................ 36

POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY............................................................................... 39 4.1 NEROVNOVÁŽNÉ STAVY KONCENTRACE NOSIČŮ PROUDU ......................................... 39 4.1.1 Doba života minoritních nosičů ....................................................................... 40 4.1.2 Povrchová rekombinace................................................................................... 41 4.1.3 Mechanismus rekombinace .............................................................................. 44 4.2 PŘECHOD PN............................................................................................................. 44 4.2.1 Elektrostatické řešení přechodu PN................................................................. 46 4.2.2 Ideální voltampérová charakteristika PN přechodu ........................................ 48 4.3 MIS (MOS) STRUKTURA .......................................................................................... 50 4.3.1 C-V charakteristika struktury MIS (MOS) ....................................................... 53 4.3.2 Vliv frekvence na charakteristiku C-V ............................................................. 54 4.4 VÝROBA INTEGROVANÝCH OBVODŮ ......................................................................... 60 4.4.1 Czochralského (CZ) metoda přípravy monokrystalu ....................................... 60 4.4.2 Příprava polovodičových desek ....................................................................... 61 4.4.3 Zpracování polovodičových desek – výroba integrovaných obvodů................ 62

5

DIELEKTRICKÉ MATERIÁLY................................................................................. 72 5.1 STRUKTURA A VLASTNOSTI IZOLANTŮ ...................................................................... 72 5.1.1 Fyzikální jevy v izolantech ............................................................................... 72 5.1.2 Zvláštní polarizační jevy .................................................................................. 84 5.1.3 Struktura křemičitanů....................................................................................... 88 5.1.4 Struktura a vlastnosti makromolekulárních látek ............................................ 90 5.2 KLASIFIKACE IZOLANTŮ ............................................................................................ 98 5.3 PŘÍRODNÍ ANORGANICKÉ IZOLANTY.......................................................................... 99 5.3.1 Azbestové izolanty .......................................................................................... 101 5.3.2 Slídové izolanty .............................................................................................. 101 5.4 ANORGANICKÁ SKLA ............................................................................................... 104 5.4.1 Křemičitá skla ................................................................................................ 107 5.4.2 Halogenidová a chalkogenidová skla ............................................................ 115 5.4.3 Speciální skla.................................................................................................. 116


3

5.4.4 Skelně krystalické materiály........................................................................... 119 5.5 KERAMICKÉ MATERIÁLY ......................................................................................... 122 5.5.1 Klasifikace keramiky ...................................................................................... 122 5.5.2 Křemičitá keramika ........................................................................................ 123 5.5.3 Jednokomponentní keramika.......................................................................... 129 5.5.4 Kondenzátorová keramika.............................................................................. 131 5.5.5 Speciální keramika ......................................................................................... 133 5.6 PLASTY ................................................................................................................... 134 5.6.1 Klasifikace plastů ........................................................................................... 134 5.6.2 Termoplasty.................................................................................................... 137 5.6.3 Reaktoplasty ................................................................................................... 145 5.6.4 Teplovzdorné plasty........................................................................................ 152 5.6.5 Speciální úpravy plastů .................................................................................. 156 5.6.6 Aplikační kategorie plastů.............................................................................. 158 5.6.7 Plastikářské technologie ................................................................................ 162 5.6.8 Likvidace odpadů plastů................................................................................. 162 5.7 ELASTOMERY .......................................................................................................... 164 5.7.1 Elastomery na přírodní bázi........................................................................... 165 5.7.2 Syntetické elastomery ..................................................................................... 166 5.7.3 Termoplastické eleastomery........................................................................... 169 5.8 PŘÍRODNÍ ORGANICKÉ TUHÉ IZOLANTY ................................................................... 169 5.8.1 Asfalty, bitumeny ............................................................................................ 169 5.8.2 Vosky .............................................................................................................. 170 5.8.3 Přírodní pryskyřice ........................................................................................ 172 5.8.4 Izolanty na bázi celulózy ................................................................................ 174 5.9 KOMPOZITY ............................................................................................................. 177 5.9.1 Klasifikace kompozitů .................................................................................... 178 5.9.2 Kompozity v elektrotechnice........................................................................... 180 5.9.3 Kompozity v silovém poli................................................................................ 182 5.10 LAKY A KOMPAUNDY .............................................................................................. 186 5.10.1 Elektroizolační laky........................................................................................ 186 5.10.2 Kompaundy..................................................................................................... 187 5.11 KAPALNÉ A PLYNNÉ IZOLANTY ............................................................................... 187 5.11.1 Kapalné izolanty............................................................................................. 187 5.11.2 Plyny v elektrotechnice................................................................................... 189 6

SPECIÁLNÍ VÝROBNÍ PROCESY .......................................................................... 192 6.1 ELEKTRONOVÉ PROCESY................................................................................ 192 6.1.1 Úvod ............................................................................................................... 192 6.1.2 Přeměna energie v místě působení svazku. .................................................... 192 6.1.3 Zdroje e1ektronového svazku ......................................................................... 197 6.1.4 Využití e1ektronových svazků v technologii ................................................... 200 6.1.5 Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.1 .............................................. 205 6.2 I0NT0VÉ PR0CESY.............................................................................................. 206 6.2.1 Zdroje iontů .................................................................................................... 206 6.2.2 Iontová imp1antace ........................................................................................ 208 6.2.3 Iontové naprašování....................................................................................... 209 6.2.4 Iontové 1eptání............................................................................................... 210 6.2.5 Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.2 .............................................. 211 6.3 RENTGENOVÉ PROCESY ................................................................................. 212

4

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 6.3.1 Vznik a vlastnosti rentgenového záření.......................................................... 212 6.3.2 Radiační technologie..................................................................................... 213 6.3.3 Rentgenová litografie .................................................................................... 214 6.3.4 Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.3 .............................................. 215 6.4 JADERNÉ PROCESY .......................................................................................... 217 6.4.1 Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.4 .............................................. 218 6.5 LASEROVÉ PROCESY ....................................................................................... 220 6.5.1 Úvod ............................................................................................................... 220 6.5.2 Teoretické základy činnosti laserů .............................................................. 221 6.5.3 Některé aplikace laserů................................................................................ 224 6.5.4 Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.2 .............................................. 229 6.6 ULTRAAKUSTICKÉ PROCESY ........................................................................ 230 6.6.1 Úvod ............................................................................................................... 230 6.6.2 Fyzikální základy ultraakustiky...................................................................... 230 6.6.3 Zdroje ultrazvuku ........................................................................................... 237 6.6.4 Využití účinků ultrazvuku ............................................................................... 243 6.6.5 Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.6 .............................................. 246 6.7 ELEKTROEROZÍVNÍ PROCESY....................................................................... 247 6.7.1 Úvod ............................................................................................................... 247 6.7.2 Proces elektroeroze ........................................................................................ 247 6.7.3 Metody generování elektrických impulsů....................................................... 251 6.7.4 Použití elektroerozivních procesů .................................................................. 252 6.8 SHRNUTÍ KAPITOLY 6 .............................................................................................. 255

7

DODATKY ................................................................................................................... 256 7.1 VÝSLEDKY PŘÍKLADŮ A TESTŮ ................................................................................ 256 7.1.1 Kapitola 6....................................................................................................... 256

8

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................ 273


5

Seznam obrázků OBRÁZEK 2.1 OBRÁZEK 2.2 OBRÁZEK 2.3 OBRÁZEK 2.4 OBRÁZEK 2.5 OBRÁZEK 2.6 OBRÁZEK 2.7 OBRÁZEK 2.8 OBRÁZEK 2.9 OBRÁZEK 2.12 OBRÁZEK 2.13 OBRÁZEK 2.14 OBRÁZEK. 2.15 OBRÁZEK. 2.16 OBRÁZEK. 2.17 OBRÁZEK. 2.18 OBRÁZEK 2.19 OBRÁZEK 2.20 OBRÁZEK 4.1 OBRÁZEK 4.2 OBRÁZEK 4.3 OBRÁZEK 4.4

OBRÁZEK 4.5

OBRÁZEK 4.6 OBRÁZEK 4.7 OBRÁZEK 4.8 OBRÁZEK 4.9 OBRÁZEK 4.10 OBRÁZEK 4.11 OBRÁZEK 4.12 OBRÁZEK 4.13 OBRÁZEK 4.14

PLAMENNÁ PEC ............................................................................................. 13 KONTINUÁLNÍ PEC ........................................................................................ 13 VYSOKOFREKVENČNÍ OHŘEV ........................................................................ 13 VÁLCE .......................................................................................................... 13 POSTUP PŘI KOVÁNÍ V ZÁPUSTCE .................................................................. 15 LISOVACÍ NÁSTROJE ...................................................................................... 16 JEDNODUCHÉ STŘIHADLO.............................................................................. 17 POSTUPOVÉ STŘIHADLO ................................................................................ 17 POSTUPOVÉ PROSTŘIHOVÁNÍ TRANSFORMÁTOROVÝCH PLECHŮ ................... 18 TAŽENÍ.......................................................................................................... 20 ZPŮSOBY SVAŘOVÁNÍ ................................................................................... 22 SVAŘOVÁNÍ V OCHRANNÉ ATMOSFÉŘE OXIDU UHLIČITÉHO – METODA MAG24 SVAŘOVÁNÍ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM OBALENOU ELEKTRODOU ................ 24 ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ ................................................................................ 25 BODOVÉ SVAŘOVÁNÍ .................................................................................... 26 SVAŘOVÁNÍ TLAKEM ZA STUDENA ................................................................ 26 PODSTATA ELEKTROCHEMICKÉHO PROCESU ................................................. 31 MECHANISMY KOROZE.................................................................................. 34 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM. .................. 40 POKLES KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PRO RŮZNÉ DOBY ŽIVOTA MENŠINOVÝCH NOSIČŮ ΤP.................. 41 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI NEROVNOVÁŽNÝCH PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM A POVRCHOVÉ REKOMBINACI NA PLOŠE X = 0. .............................. 42 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI NEROVNOVÁŽNÝCH PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM A POVRCHOVÉ REKOMBINACI NA PLOŠE PRO X = 0 S RŮZNOU POVRCHOVOU REKOMBINAČNÍ RYCHLOSTÍ SP................................................ 43 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI OBJEMOVÉ GENERACI NEROVNOVÁŽNÝCH PÁRŮ ELEKTRON DÍRA VNĚJŠÍM ZDROJEM A POVRCHOVÉ REKOMBINACI S VYSOKOU POVRCHOVOU REKOMBINAČNÍ RYCHLOSTÍ SP NA PLOŠE PRO X = 0 PRO TŘI RŮZNÉ DIFÚZNÍ DÉLKY NOSIČŮ LP............................................................................ 43 KONCENTRACE MENŠINOVÝCH NOSIČŮ V POLOVODIČOVÉM MATERIÁLU PŘI GENERACI NA POVRCHU PRO X = 0 A OBJEMOVÉ REKOMBINACI PRO RŮZNÉ DIFÚZNÍ DÉLKY MINORITNÍCH NOSIČŮ LP. ..................................................... 44 JEDNOROZMĚRNÝ MODEL PŘECHODU PN S PRŮBĚHEM KONCENTRACÍ DONORŮ, AKCEPTORŮ, VĚTŠINOVÝCH A MENŠINOVÝCH NOSIČŮ................... 45 ELEKTROSTATICKÉ ŘEŠENÍ STRMÉHO PŘECHODU PN.................................... 47 KVALITATIVNÍ VYSVĚTLENÍ USMĚRŇOVACÍHO JEVU NA PŘECHODU PN........ 49 IDEÁLNÍ VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA PŘECHODU PN ....................... 50 ŘEZ STRUKTUROU MIS (MOS)..................................................................... 51 PÁSOVÉ DIAGRAMY, ROZLOŽENÍ NÁBOJE A NÁHRADNÍ SCHÉMA STRUKTURY

MIS............................................................................................................... 52 ZÁVISLOST ŠÍŘKY OCHUZENÉ OBLASTI NA KONCENTRACI PŘÍMĚSÍ V POLOVODIČI ............................................................................................... 53 C-V CHARAKTERISTIKA STRUKTURY MIS S POLOVODIČEM P TYPU A VLIV FREKVENCE MĚŘICÍHO SIGNÁLU NA C-V CHARAKTERISTIKU ........................ 53

6 OBRÁZEK 4.15 OBRÁZEK 4.16 OBRÁZEK 4.17 OBRÁZEK 4.18 OBRÁZEK 4.19 OBRÁZEK 4.20 OBRÁZEK 4.21 OBRÁZEK 4.22 OBRÁZEK 5.1 OBRÁZEK 5.2 OBRÁZEK 5.3 OBRÁZEK 5.4 OBRÁZEK 5.5 OBRÁZEK 5.6 OBRÁZEK 5.7 OBRÁZEK 5.8 OBRÁZEK 5.9 OBRÁZEK 5.10 OBRÁZEK 5.11 OBRÁZEK 6.1 OBRÁZEK 6.2

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně CZOCHRALSKÉHO METODA TAŽENÍ MONOKRYSTALU KŘEMÍKU .................... 60 POLOVODIČOVÉ DESKY S FAZETOU URČUJÍCÍ KRYSTALOGRAFICKOU ORIENTACI A TYP VODIVOSTI ........................................................................ 61 VÝROBA NPN BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU.................................................. 62 PROCES PŘENOSU OBRAZCŮ NA POVRCH DESKY ............................................ 64 IZOTROPNÍ A ANIZOTROPNÍ LEPTACÍ PROCES ................................................. 66 KONCENTRAČNÍ PROFIL PŘÍMĚSI ................................................................... 67 KONCENTRAČNÍ PROFIL PŘÍMĚSI PŘI IONTOVÉ IMPLANTACI .......................... 68 VLEPENÝ A KONTAKTOVANÝ ČIP V PODLOŽCE POUZDRA .............................. 70 NABÍJENÍ VAKUOVÉHO A TECHNICKÉHO KONDENZÁTORU ............................ 73 MODEL LORENTZOVY KOULE ....................................................................... 74 MODEL DVOJITÉ POTENCIÁLOVÉ JÁMY ......................................................... 76 ZÁVISLOST ε ´´ = F(ε´) PODLE HAVRILIAKA A NEGAMIHO ........................... 78 OSTRŮVKOVÉ A SKUPINOVÉ STRUKTURY KŘEMIČITANŮ ............................... 89 ZMĚNA OBJEMU PŘI TUHNUTÍ KAPALINY S KRYSTALIZACÍ (F) A PŘI TVORBĚ SKLA (B) .................................................................................................... 105 NUKLEAČNÍ A KRYSTALIZAČNÍ PROCES SKLOTVORNÉ LÁTKY ..................... 106 STRUKTURA KŘEMENNÉHO A KŘEMIČITÉHO SKLA (ROVINNÝ ŘEZ).............. 108 KMITOČTOVÁ ZÁVISLOST TG δ .................................................................... 113 MATRIČNÍ (A) A STATISTICKÁ (B) SLOŽENÁ SOUSTAVA (V ŘEZU) ............... 179 KOMPOZITY S ANIZOTROPNÍMI VLASTNOSTMI ............................................ 179 JEVY V OBLASTI DOPADU ELEKTRONOVÉHO SVAZKU NA OBJEKT ................ 193 ZÁVISLOST POMĚRU VÝKONU ODRAŽENÝCH ELEKTRONŮ K VÝKONU

OBRÁZEK 6.12 OBRÁZEK 6.13 OBRÁZEK 6.14 OBRÁZEK 6.15 OBRÁZEK 6.16

DOPADAJÍCÍHO SVAZKU ELEKTRONŮ NA ATOMOVÉM ČÍSLE PŘI KOLMÉM DOPADU SVAZKU NA POVRCH OBJEKTU. ...................................................... 195 NEJDŮLEŽITĚJŠÍ PROCESY ELEKTRONOVÉ TECHNOLOGIE A JEJICH ZÁKLADNÍ PARAMETRY ................................................................................................ 196 ZÁKLADNÍ KONSTRUKCE KATOD ................................................................ 198 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA ZDROJE ELEKTRONOVÉHO SVAZKU SE STUDENOU KATODOU. ................................................................................................... 198 USPOŘÁDÁNÍ ELEKTRONOVÉ TRYSKY S TERMICKOU KATODOU. ................. 199 PRINCIP ODPAŘOVACÍHO ZAŘÍZENÍ ELEKTRONOVÝM SVAZKEM .................. 201 ODPAŘOVACÍ SYSTÉMY............................................................................... 201 USPOŘÁDÁNÍ PRO NAPAŘOVÁNÍ .................................................................. 202 PRINCIP ZAŘÍZENÍ PRO TAVENÍ POMOCÍ ELEKTRONOVÉHO SVAZKU............ 203 PROTAVOVÁNÍ ELEKTRONOVÉHO SVAZKU DO MATERIÁLU PŘI RŮZNÝCH HODNOTÁCH PLOŠNÉ HUSTOTY VÝKONU ..................................................... 203 SIDENIŮV ZDROJ IONTŮ ............................................................................... 207 FREEMANŮV ZDROJ IONTŮ .......................................................................... 207 KAUFMANŮV ZDROJ IONTŮ. ........................................................................ 208 ZÁKLADNÍ TYPY SUCHÉHO LEPTÁNÍ ............................................................ 210 TYPICKÁ ZÁVISLOST INTENZITY RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ NA VLNOVÉ DÉLCE

OBRÁZEK 6.17 OBRÁZEK 6.18 OBRÁZEK 6.19 OBRÁZEK 6.20 OBRÁZEK 6.21 OBRÁZEK 6.22 OBRÁZEK 6.23

.................................................................................................................... 212 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA RENTGENOVÉHO LITOGRAFU. .................................. 215 TYPICKÁ KONSTRUKCE MASKY PRO RENTGENOVOU LITOGRAFII ................. 215 REZISTY PRO RENTGENOVOU A ELEKTRONOVOU LITOGRAFII. ..................... 217 TŘÍHLADINOVÝ LASEROVÝ SYSTÉM. ........................................................... 221 ČERPÁNÍ LASERU S AKTIVNÍM PROSTŘEDÍM V TUHÉ FÁZI ............................ 222 ČERPÁNÍ LASERU S AKTIVNÍM PROSTŘEDÍM V PLYNNÉ FÁZI ........................ 222 REZONANČNÍ SYSTÉM LASERU .................................................................... 223

OBRÁZEK 6.3 OBRÁZEK 6.4 OBRÁZEK 6.5 OBRÁZEK 6.6 OBRÁZEK 6.7 OBRÁZEK 6.8 OBRÁZEK 6.9 OBRÁZEK 6.10 OBRÁZEK 6.11

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy OBRÁZEK 6.24 OBRÁZEK 6.25 OBRÁZEK 6.26 OBRÁZEK 6.27 OBRÁZEK 6.28 OBRÁZEK 6.29 OBRÁZEK 6.30 OBRÁZEK 6.31 OBRÁZEK 6.32 OBRÁZEK 6.33 OBRÁZEK 6.34 OBRÁZEK 6.35 OBRÁZEK 6.36 OBRÁZEK 6.37 OBRÁZEK 6.38 OBRÁZEK 6.39 OBRÁZEK 6.40 OBRÁZEK 6.42 OBRÁZEK 6.43 OBRÁZEK 6.44 OBRÁZEK 6.45 OBRÁZEK 6.46 OBRÁZEK 6.47 OBRÁZEK 6.48

7

SYSTÉM GTL LASERU S PŘEDIONIZACÍ - METODA SAGE ........................... 226 METODA SKLÁDÁNÍ SVAZKŮ TŘÍ LASERŮ K DOSAŽENÍ VELKÉHO VÝKONU.. 227 POUŽÍVANÉ SYSTÉMY ZRCADEL V REZONÁTORU VÝKONOVÝCH LASERŮ .... 227 LASEROVÁ HLAVICE ................................................................................... 228 ODRAZ A LOM AKUSTICKÉ VLNY NA ROZHRANÍ RŮZNÝCH LÁTEK ............... 233 KOLMÝ DOPAD ULTRAZVUKOVÉ VLNY NA ROZHRANÍ DVOU PROSTŘEDÍ ..... 234 OKÉNKOVÝ MAGNETOSTRIKČNÍ MĚNIČ ....................................................... 238 PRŮBĚH DEFORMACE V MAGNETOSTRIKČNÍM MĚNIČI ................................. 239 ZÁVISLOST DEFORMACE LÁTKY NA INTENZITĚ ELEKTRICKÉHO POLE .......... 239 PIEZOELEKTRICKÉ ULTRAZVUKOVÉ MĚNIČE ............................................... 240 OBOUSTRANNĚ VYZAŘUJÍCÍ MĚNIČ ............................................................. 240 JEDNOSTRANNĚ VYZAŘUJÍCÍ MĚNIČ ............................................................ 241 MĚNIČ TYPU "SANDWICHE" ........................................................................ 241 PRŮBĚH DEFORMACE V KERAMICE NAMÁHANÉ STŘÍDAVÝM ELASTICKÝM NAPĚTÍM A) BEZ PŘEDPĚTÍ B) S TLAKOVÝM PŘEDPĚTÍM ........................... 242 NEJJEDNODUŠŠÍ PROVEDENÍ AKUSTICKÉHO TRANSFORMÁTORU ................. 243 PRINCIP ULTRAZVUKOVÉHO VRTÁNÍ ........................................................... 244 PRINCIP SVAŘOVÁNÍ PLASTŮ ....................................................................... 245 ULTRAZVUKOVÉ KONTAKTOVÁNÍ ............................................................. 246 CHARAKTERISTIKA ELEKTRICKÝCH IMPULSŮ ............................................ 248 TVARY ELEKTRICKÝCH IMPULSŮ ................................................................ 249 BLOKOVÉ SCHÉMA NEZÁVISLÉHO GENERÁTORU IMPULSŮ .......................... 251 NĚKTERÉ TYPY IMPULSNÍCH GENERÁTORŮ ................................................. 252 PRINCIP METODY ELEKTROJISKROVÉHO ŘEZÁNI MATERIÁLU POMOCÍ DRÁTOVÉ ELEKTRODY ................................................................................................. 253 PŘÍKLADY ELEKTROEROZÍVNÍHO OPRACOVÁNÍ MATERIÁLŮ ....................... 254

8


Seznam tabulek TABULKA 2.1 POROVNÁNÍ VYBRANÝCH APROTICKÝCH ROZPOUŠTĚDEL A VODY .................... 30 TABULKA 4.1 PARAMETRY TYPICKÉ POLOVODIČOVÉ DESKY .................................................... 61 TABULKA 5.1 KOMBINACE VLASTNOSTÍ SKELNĚ KRYSTALICKÝCH MATERIÁLŮ A JEJICH APLIKACE ...................................................................................................... 121 TABULKA 5.2 VYBRANÉ VLASTNOSTI JEDNOKOMPONENTNÍCH KERAMIK ............................... 131 TABULKA 5.3 VELIČINY V ELEKTRICKÝCH, MAGNETICKÝCH, TEPELNÝCH A DIFÚZNÍCH POLÍCH ........................................................................................................................................ 183 TABULKA 6.1 PŘÍKLADY VYUŽITÍ TERMIC KÉHO OBRÁBĚNÍ .................................................. 204 TABULKA 6.2 LASEROVÉ LEPTACÍ TECHNOLOGIE .................................................................. 225 TABULKA 6.3 PŘEHLED ULTRAZVUKOVÝCH MĚNIČŮ............................................................. 238 TABULKA 6.4 POMĚRNÁ OBROBITELNOST KOVŮ ................................................................... 250


9

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Studijní program:

Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika

Studium:

Bakalářské

Studijní obor:

Mikroelektronika a technologie

Název předmětu:

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (BEMV)

Garantující ústav:

Elektrotechnologie

Garant:

Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc.

Rozsah předmětu: Kredity:

4/3 (91 hod), z toho: 8

P 52

C 0

N 15

L 15

O 9

hod 7

přednášky cvičení

52 hod 39 hod

kredit garant 8 UETE

Anotace: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

(BEMV)

2B1 – P – 7/8 – zk - UETE Materiály v elektrotechnice; složení, struktura, výroba a použití. Plasty, sklo, keramika a sklokeramika; druhy, vlastnosti, zpracovatelské technologie. Kompozity. Kovy; klasifikace a vlastnosti. Zpracování kovů, výroba vodičů a fólií. Polovodičové materiály; klasifikace, vlastnosti, aplikační oblasti. Příprava polovodičových materiálů a základních polovodičových struktur. Povrchové úpravy, laky a spojování materiálů. Svazkové, radiační, elektroerozivní, ultraakustické a další významné výrobní procesy.

Osnova přednášek: 1. Materiály v elektrotechnice - složení, struktura, klasifikace, použití. Řízení vlastností materiálů. Kompozity. 2. Organické a anorganické izolanty, dielektrika. Plasty, elastomery, slídové výrobky, sklo, keramika (silikátová, oxidová, bezkyslíkatá), sklokeramika, tvrdé materiály. 3. Plastikářské technologie. Výroba a opracování anorganických nekovových materiálů. 4. Kovové materiály. Klasifikace, vlastnosti, použití. Materiály s fero- a ferimagnetickými vlastnostmi. Slinuté materiály. 5. Zpracování kovů. Výroba drátů a fólií. Výroba kabelů a vodičů. Výroba materiálů pro plošné spoje. 6. Polovodičové materiály - klasifikace, struktura, složení, vlastnosti. 7. Polovodičové materiály - vlastnosti a aplikační možnosti. Příprava polovodičových materiálů. 8. Výroba základních polovodičových struktur. 9. Povrchové úpravy, laky, spojování materiálů. 10. Elektronové procesy, účinky elektronového svazku a jeho využití. Iontové procesy. 11. Rentgenové procesy. Radiační technologie. Jaderné procesy. 12. Laserové procesy, rozdělení laserů, vlastnosti a některé aplikace laserů. 13. Ultraakustické procesy, zdroje ultrazvuku, využití účinků ultrazvuku. Elektroerozivní procesy a jejich použití.

10


1 Úvod Skripta „Elektrotechnické materiály a výrobní procesy“ jsou určena především studentům 2. ročníku oboru „Mikroelektronika a technologie“ bakalářského studijního programu „Elektrotechnika, elektronika a komunikační technika“ Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, ale i všem, kdo chtějí získat základní poznatkynejen o materiálech, jejich složení, vlastnostech, aplikacích, ale také o technologích jejich přípravy a zpracování. Jsou zpracována jako učební text podporující a doplňující výuku přednášené látky povinného předmětu „Elektrotechnické materiály a výrobní procesy“. V částech popisujících „Elektrotechnické materiály“ navazuje učební text na poznatky získané v části „Materiály v elektrotechnice“ povinného předmětu „Materiály a technická dokumentace“, zařazeného v 1. ročníku bakalářského studijního programu. Jednotlivé skupiny materiálů jsou studentům přiblíženy, jak co se týče složení, struktury a vlastností, tak i přehledem a rozdělením materiálů v jednotlivých skupinách a jejich praktickými aplikacemi. V částech týkajících se oblasti „Výrobní procesy“, se kterou se studenti setkávajíve výuce poprvé, je učební text, zaměřen na nezytný teoretický rozbor, zejména však na praktické aplikace důležitých fyzikálních a fyzikálně-chemických procesů. Každá kapitola je doplněna souborem kontrolních otázek, řešených a neřešených příkladů ověřujících získané znalosti studentů. Učební text je doplněn seznamem literatury, z níž bylo čerpáno při psaní tohoto studijního textu, případně pomocí níž může čtenář dále prohlubovat a rozšiřovat znalosti v té části, která jej zajímá nebo kde informace uvedené ve skriptu jsou pouze přehledové.


11

2 Vodivé a odporové materiály 2.1 Struktura a vlastnosti kovů Odkaz Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“, část „Materiály v elektrotechnice“ 1.1 Základní údaje o stavbě látky 1.3 Stavba molekul 1.4 Krystalické a amorfní tuhé látky 2.1 Kovy v elektrickém a magnetickém poli

2.2 Kovové materiály pro elektrotechniku Odkaz Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“, část „Materiály v elektrotechnice“ 2.2 Kovy a jejich slitiny 2.3 Odporové kovové materiály 2.4 Kovy v elektrických obvodech 2.5 Elektrotechnický uhlík

2.3 Amorfní kovové materiály •

Amorfní kovy (kovová skla) - skupina slitin kovového charakteru s vnitřní reálně nekrystalickou (reálně amorfní, skelnou) strukturou. Rentgenograficky lze prokázat pravidelné uspořádání atomů kovů na krátké vzdálenosti, pravidelnost na dlouhé vzdálenosti však chybí.

•

Zpravidla se považují za přechlazené kapaliny, obdobně jako v případě křemičitých (silikátových) skel. Mezi oběma skupinami látek však existují podstatné rozdíly: v druhu chemické vazby (u amorfních kovů - vazba kovová, u křemičitých skel přechodná vazba mezi kovalentní a iontovou), v rozdílu hustoty v krystalickém a skelném stavu (hustota taveného křemene je o 20 % menší než u krystalického křemene, amorfní kovy mají hustotu pouze o 1 - 2 % menší než u stejné látky po rekrystalizaci).

•

Důsledkem kovové vazby je dobrá elektrická vodivost a tvárnost. Rezistivita je na úrovni známých odporových slitin, např. chromniklu. Řada amorfních kovů vykazuje feromagnetické vlastnosti (malá koercitivní síla, pravoúhlá hysterezní smyčka, nízké ztráty, velká permeabilita, značná magnetostrikce). Významnou je také odolnost vůči korozi.

•

Připravují se většinou ochlazováním taveniny velmi vysokými rychlostmi (řádově 106 K s-1) ve tvaru tenkého pásku, lze je však získat i napařováním, naprašováním, resp. elektrolytickým nanášením.

12


•

Slitiny určené pro technologii ochlazování kapaliny jsou tvořeny nejméně jedním druhem přechodového, resp. vzácného kovu (Fe, Ni, Co, Mn, Zr, La, Pt, Pd) a jednoho polokovu (C, N, B, Si, P). Častěji se připravují tří-, čtyř- či pětisložkové slitiny, přičemž obsah kovových prvků představuje 70 - 80 % hm.

•

Použití v elektrotechnice: distribuční transformátory, točivé stroje, pulzní transformátory, magnetické zesilovače, záznamové a čtecí hlavy pro magnetický záznam, laditelné zpožďovací linky, ohebné stínicí tkaniny a rohože, stínění kabelů, čidla teploty, tlaku, deformace, polohy, zrychlení.

2.4 Zpracování kovů 2.4.1 Tváření kovů Neustálý pokrok ve strojírenství přináší stále nové, přesnější, výkonnější a hospodárnější způsoby výroby polotovarů. Objem obráběných polotovarů se stále zmenšuje a obrábění není někdy ani nutné. Mezi tyto způsoby patří především tváření, kterého se dnes používá stále častěji, neboť patří k nejproduktivnějším oborům technologie zpracování kovů a nekovů. Dnes si již neumíme představit sériovou a hromadnou výrobu automobilů, letadel, elektrických strojů a přístrojů apod. bez použití součástí vyrobených tvářením. Je to metoda s vysokou produktivitou a hospodárností, a tedy s velkou perspektivou. Výrobky jsou přesné, pevné a lehké. Využití materiálu je velmi hospodárné, s nejmenším odpadem. Při obrábění odpadá průměrně 50 %, při tváření jen asi 5 až 10 % materiálu. Výkonnost strojního zařízení je velká. Výrobní pochody se mohou velmi dobře mechanizovat, takže se podstatně snižují výrobní náklady. 2.4.1.1 Základní pojmy Při tváření se působením vnějších sil mění tvar, aniž by se porušila celistvost materiálu, tzn., že částice materiálu se pouze trvale přemísťují. Toto přemístění je umožněno kovovou vazbou atomů, která zůstává zachována, probíhá-li tváření za optimálních podmínek (teplota a deformace materiálu). K tváření se proto hodí materiál s nízkou mezí pružnosti (aby nebylo zapotřebí velké síly) a vysokou pevností, tj. materiál tvárný (plastický). Kromě ocelí se tváří i neželezné kovy, popř. některé nekovové materiály. Tváření se děje buď působením klidných sil (válcováním, lisováním apod.), nebo rázy (kováním, nýtováním apod.), a to za studena nebo za tepla. Tvářením za studena se kovy zpevňují. Čím větší je stupeň přetváření, tím větší je zpevnění. Tvářením za studena se zvyšuje mez průtažnosti, pevnost v tahu a tvrdost, ale zmenšuje se houževnatost. Zpracování není v celém průřezu zcela rovnoměrné, vznikají nebezpečná vnitřní napětí, která mohou porušit materiál. Při tváření za tepla se ohřevem zmenšuje pevnost a houževnatost materiálu, a tím se zlepšuje jeho tvárnost. Struktura je jemnější a rovnoměrnější. Ocel se ohřívá na teplotu 250 až 300°C pod solidem. Této teplotě se říká teplota tváření. Nejnižší teplota, při níž je ještě možno tvářet, je u podeutektoidních ocelí teplota Ac3, u nadeutektoidních teplota Ac1. Rozhodující pro vlastnosti tvářené oceli je hlavně teplota konečná, čili teplota, při níž se tváření ukončilo. Tváření má být dokončováno při teplotě asi 50 °C nad Ac3 nebo Ac1, kdy


13

má ocel nejjemnější strukturu a největší pevnost při velké houževnatosti. Tváření pod teplotou Ac3 nebo Ac1 je vlastně tváření oceli za studena, to znamená, že se ocel zpevňuje. Není-li tváření při této teplotě ještě skončeno, je nutno předmět znovu přiměřeně ohřát, tzv. tváření na jedno, dvě i více ohřátí. Tvářet se má pokud možno s nejmenším počtem ohřátí, protože se každým ohřevem část ohřívaného materiálu přemění v oxid železa. Zoxidovaný povrch materiálu se při tváření odlupuje v šupinách, kterým se říká okuje. Tím vznikají ztráty opalem, které činí při jednom ohřevu asi 3 až 5 %. Materiál určený k tváření se ohřívá v pecích různého provedení a velikosti. Nejčastěji jsou to pece plamenné, průchozí (kontinuální), nebo elektrické indukční. Hutní polotovary Tyto polotovary jsou jedním z nejpoužívanějších druhů polotovarů ve strojírenství. Vyrábějí se přímo v hutích a jsou normalizovány v různých profilech o různé rozměrové a geometrické přesnosti. Válcované polotovary Válcování je tváření kovů rotujícími válci, mezi něž je materiál vtahován a zároveň je stlačován a prodlužován. Válcuje se za studena a za tepla. Válce (hladké nebo ka1ibrované), jsou uloženy ve stojanech a s příslušenstvím tvoří válcovací stolici. Práce se zpravidla nedokončí v jedné válcovací stolici, a proto jsou válcovací stolice uspořádány buď vedle sebe, nebo za sebou a tvoří tak válcovací trať. Podle velikosti předvalků a vývalků, které se na jednotlivých tratích vyrábějí, jsou těžké, hrubé, střední a jemné tratě.

Obrázek 2.1 Plamenná pec Obrázek 2.2 Kontinuální pec Obrázek 2.3 Vysokofrekvenční ohřev Obrázek 2.4 Válce

14

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně a) hladké, b) kalibrované

Podle počtu válců a způsobů práce jsou válcovací stolice dvouválcové (dua), tříválcové (tria), univerzální aj. Žádaného průřezu vývalku se dosáhne postupně, buď přibližováním válců, nebo změnou kalibru (tj. díry mezi tvarovými povrchy válců). Kromě těchto základních typů se stavějí ještě další válcovací tratě k různým účelům. Válcováním vznikne z ingotu nejdříve předvalek (polotovar) na předválcovacích stolicích. Z těchto předvalků se pak vyrobí na doválcovacích zařízeních konečný výrobek vývalek, tj. tyčový a profilový materiál, plechy aj. Tažené polotovary Výchozí polotovar (tyč, drát apod.) se protahuje (kalibruje) průvlakem (kalibrem) z kalené oceli, slinutého karbidu nebo diamantu. Tažené profily jsou velmi přesné (h9, hl1), takže se nemusí dále obrábět. Používají se hlavně v sériové a hromadné výrobě při výrobě součástí na revolverových soustruzích a automatech. Dráty do průměru 5 mm se táhnou nepřetržitě na bubnových tažecích strojích drátotazích. Žádané tloušťky drátu se dosáhne postupným protahováním stále menšími průvlaky. Několikerým tažením drát ztvrdne a zkřehne a nelze jej dál táhnout. Musí se proto po určitém počtu tahů normalizačně žíhat.

Výroba trubek Trubky se vyrábějí z materiálů kovových (ocelí, litin, neželezných kovů) i nekovových (plastů). Litinové trubky se vyrábějí litím na stojato nebo odstředivým litím. Ocelové trubky jsou buď svařované (švové), nebo bezešvé. Svařované trubky se vyrábějí z pásové oceli. Okraje se svaří na tupo, přeplátováním nebo ve šroubovici. Jakost svařovaných trubek se rozvojem výrobní technologie (svařování) zlepšuje. Proto dnes v mnoha odvětvích nahrazují svařované trubky dražší trubky bezešvé. Bezešvé trubky se používají tam, kde nestačí pevnost trubek svařovaných. Nejčastěji se vyrábějí Mannesmannovým způsobem, tj. válcováním vývalku mezi dvěma válci s mimoběžnými osami a se stejným smyslem otáčení; kromě otáčení vzniká ještě šroubovitý posuv. Tím, že na vývalek působí jednosměrný tlak, vzniká v jeho středu velké tahové napětí, které porušuje materiál a ve vývalku tak vzniká dutina. K vytvoření dutiny není tedy zapotřebí trnu. Pokud se používá, tak jen proto, aby se usnadnilo vytvoření hladké dutiny. Tímto způsobem se vytvářejí krátké tlustostěnné trubky, které se pak zpracovávají na potřebnou tloušťku válcováním. Volba a použiti hutních polotovarů Normalizované hutni polotovary patří k nejlevnějším druhům polotovarů. Je to zejména válcovaný i tažený tyčový materiál. Jeho normalizované rozměry jsou odstupňovány v řadě velikostí. Při volbě rozměru polotovaru se volí nejbližší rozměr, který je větší, než je průměr součásti zvětšený o přídavek na obrábění. To vede mnohdy k neúměrnému odpadu třísek (zvlášť nevýhodné u legovaných materiálů). Proto tam, kde vyhovuje přesnost rozměrů a jakost povrchu tažených polotovarů, volí se raději ty. V sériové výrobě bude mnohdy výhodnější volit jako polotovar zápustkový výkovek.


15

Tváření kovů za tepla Nejvíce používaný způsob tváření za tepla je kování. Kováním se dává materiálu vhodný tvar buď údery (rázy) kladiva či beranů bucharů, nebo klidným tlakem lisů. Dosahuje se tak lepších mechanických vlastností, jemnější a stejnoměrnější struktury. Kování je volné nebo v zápustkách, ková se ručně nebo strojně. Při volném kování může materiál tvářený údery nebo tlakem "volně téci", hlavně ve směru kolmém k působení síly. Při kování v zápustkách je materiál vtlačován údery nebo tlakem do kovové formy (zápustky). Strojní kováni Strojní kování ulehčuje těžkou práci dělníka, zrychluje a zproduktivňuje výrobu malých a středních výkovků a umožňuje výrobu těžkých výkovků, na které lidská síla nestačí. Materiál se ková na různých tvářecích strojích, z nichž nejdůležitější jsou buchary a lisy. Buchary působí na tvářený materiál údery (rázy), ale prokovou jej jen do určité hloubky. Hospodárně lze kovat středně velké výkovky, popř. předkovky. Předkovky se dále kovou v zápustkách na požadovaný tvar výkovku. Při úderech beranu bucharu odpadávají z tvářeného materiálu okuje, a proto je povrch výkovku čistý. Rázy se však přenášejí do základů stroje a působí otřesy i v okolí. Lisy působí na tvářený materiál klidným tlakem a prokovou materiál v celém průřezu. Kovou se na nich i nejtěžší výkovky. Práce na lisech je bezpečnější než na bucharech. Volné strojní kováni. Je v podstatě stejné jako kování ruční. Tímto způsobem se vyrábějí velké hřídele turbogenerátorů, ojnice apod. Předměty se vykovou jen zhruba a hrubé výkovky se pak obrábějí na přesný tvar na obráběcích strojích. Kovářská práce závisí na řemeslné zručnosti a zkušenosti kováře. Je zdlouhavá a drahá. Zápustkové kování. Zápustka je ocelová dvoudílná forma, jejíž obě poloviny vytvářejí dutinu, odpovídající vnějšímu tvaru výkovku. Ohřátý materiál se vloží do zápustky a působí se na něj silou tvářecího stroje. Materiál postupně vyplňuje zápustku, až vyplní celou její dutinu. Při kování na bucharu je zápustková dutina vyplňována postupně během několika úderů beranu bucharu. Při kování na lisech je tvar výkovku zhotoven v průběhu jednoho zdvihu. Přebytečný kov je vytlačen do stran a vytváří výronek, nebo uprostřed blánu, které se

Obrázek 2.5 Postup při kování v zápustce

16


odstraní ostřižením. Výkovky ze zápustek jsou velmi jakostní, mají přesný tvar, takže se buď nemusí obrábět, nebo se obrábějí jen zčásti. Průběh vláken materiálu sleduje obrys výkovku. Výroba zápustky je však drahá, a proto se tento způsob hodí jen pro sériovou a hromadnou výrobu. Výkovky nelze vždy vykovat v jedné zápustce. Někdy se musí nejdříve předkovat v předběžné (předkovací) zápustce a dokončí se v zápustce dokončovací. Takovým zápustkám se říká postupové zápustky.

Obrázek 2.6 Lisovací nástroje a) jednoduché, b) postupové, c) sloučené


17

Tváření (lisování) kovů za studena Tvářením za studena (tzv. lisovací technika) se uskutečňuje trvalá změna tvaru výchozího materiálu bez odběru třísek působením vnější síly; podle převládajícího průběhu deformace je tváření plošné a objemové. Plošným tvářením se dosáhne žádaného tvaru součásti (převážně z plechu) bez podstatné změny průřezu nebo tloušťky výchozího materiálu. Mechanické vlastnosti se nemění. Objemovým tvářením se dosáhne žádaného tvaru součásti změnou průřezu nebo tvaru výchozího materiálu. Objem se nemění, ale materiál se zpevňuje a současně klesá jeho tažnost. Tím je omezen počet tvářecích operací. Lisování za studena se rozšířilo pro své mnohé přednosti (velká výkonnost, nízké výrobní náklady, malé ztráty materiálu odpadem a příznivé podmínky pro automatizaci), prokázané praxí v moderní průmyslové výrobě. Základní práce při lisování jsou stříhání (oddělování materiálu) a tvářeni (přemísťování materiálu). Stříhání je postup tváření, při kterém je materiál postupně nebo současně oddělován v celém průřezu. Tváření je mechanické zpracování materiálu přemísťováním jeho částic tahem nebo tlakem bez porušení jeho soudržnosti. Podle potřeby převládá tah nebo tlak. Stříhání Tímto způsobem se vytvářejí rozmanité polotovary nebo výrobky z plechu nebo pásů. Stříhá se nůžkami nebo střihacími nástroji - střihadly. Tyto nástroje se vyrábějí v různém provedení a velikostech, podle druhu výrobků a použité technologie. Ke stříhání plechu rovnými střihy se používají tabulové nůžky. Nestříhá se celá šířka plechu najednou, ale jen určitá část, jejíž velikost je pro daný úhel sklonu a druh nůžek stálá. Střihadla. Hlavní částí střihadla je střižník a střižnice. Materiál se vkládá mezi střižník a střižnici a je veden vodícími lištami. Jeho posuv (krok) mezi jednotlivými zdvihy

Obrázek 2.7 Jednoduché střihadlo Obrázek 2.8 Postupové střihadlo

18


zajišťujícími správný chod nástroje, jako např. ústrojí (části) upevňovací, posuvové, vyhazovací aj. Jednoduché střihadlo je určeno pro vystřihování jednoduchých tvarů - výstřižků z pásu plechu. Poloha pásu při stříhání je zajištěna pevným koncovým dorazem. Před dalším vystřižením se pás posune o hodnotu kroku k. Postupové střihad1o zhotovuje výstřižky postupně. V prvním kroku je to děrování, v dalším vystřižení tvaru (obvodu) výstřižku. K vymezení správné polohy pásu pro jeho umístění v nástroji se pro děrování použije tzv. načínací doraz. V dalším průběhu práce je

Obrázek 2.9 Postupové prostřihování transformátorových plechů poloha pásu zajištěna pevným koncovým dorazem. Sloučené střihad1o. Při jednom pracovním zdvihu nástroje je ve stejné poloze pásu děrován a vystřihován hotový výstřižek. Sdružené střihad1o sdružuje ve dvou krocích různé pracovní úkony, jako např. děrování, stříhání a ohýbání. Ohýbání Ohýbání je způsob tváření materiálu, při němž se vytváří ostré nebo oblé hrany. Je to proces pružně plastické deformace, která má různý průběh od povrchu materiálu k neutrální ose. Při ohybu jsou napětí v krajních vláknech materiálu opačného smyslu (tah, tlak). Kolem střední části průřezu ohýbaného materiálu jsou tahová napětí malá, v přechodu mezi tímto pásmem jsou vlákna bez napětí a bez deformace. Jejich spojnice tvoří tzv. neutrální osu (plochu), v níž není napětí a která se při ohýbání ani neprodlouží, ani nezkrátí. Neutrální osa (vlákno) je v ohýbané části materiálu posunuta k vnitřní straně ohybu. Není tedy totožná s těžištní osou ohýbaného materiálu (profilu). U tenkých plechů není tento rozdíl patrný. Při ohýbání tlustých plechů se však musí s touto okolností počítat. Z délky neutrální osy v ohýbaných částech a z délky rovných úseků se určuje rozvinutá délka polotovaru před ohybem. Vypočítaná délka se ověřuje praktickou zkouškou.


19

Obrázek 2.10 Přetváření materiálu při ohybu Zpětné odpružení ohýbaných součástí (výlisků) je způsobeno zejména vlivem pružné deformace materiálu. Velikost úhlu odpružení závisí na tvárnosti materiálu, na poloměru ohybu a způsobu ohýbání (bývá 3 až 15°). Proto se materiál ohýbá navíc o úhel odpružení. Ka1ibrací nebo prolisy výlisků se vliv odpružení téměř odstraní. Nástroj pro ohýbání je ohýbadlo, výrobkem je výlisek. Hlavní částí ohýbadla je ohybník a ohybnice (pohyblivá a pevná čelist). Podle druhu ohybu dělíme ohýbadla na ohýbání do tvaru V, U apod. Osa ohybu má být kolmá na směr vláken materiálu vzniklých při válcování plechu (tzv. ohyb napříč vláken, obr. 109). Odpružení materiálu je sice větší, ale není nebezpečí vzniku trhlin na vnější straně ohybu. Poloměr ohybu se volí se zřetelem na odpružení materiálu co nejmenší, se zřetelem na tvárnost a tloušťku ohýbaného materiálu co největší. Zakružování a lemování Zakružování se používá při výrobě válcových nebo kuželových plášťů nádob, kotlů apod., a to i z tlustších plechů (kolem 30 mm). Stroje používané pro tuto tvářecí operaci se nazývají zakružovad1a. Jsou buď tříválcová nebo víceválcová. Jejich konstrukce provedení je závislá na tloušťce zpracovávaného plechu. Lemování je vytváření podélných žlábků uprostřed nebo na okraji plechu, aby se zvětšila tuhost plechových výlisků. Tažení Při tažení je rovný plech (přístřih, výstřižek) tvářen v dutou polozavřenou nádobu rotačních i nerotačních tvarů. Výtažky se většinou již neupravují. Proto má tažení velký

20


Obrázek 2.11 Sdružený postupový nástroj na tažení z pásu Obrázek 2.12 Tažení a) bez přidržovače, b) s přidržovačem význam, zvláště v sériové a hromadné výrobě. Tvářený plech musí mít dostatečnou tažnost. Rozměry přístřihu se určují z podmínky stálosti objemu (početně, graficky nebo přibližně, zkusmo). Objem výtažku je roven objemu přístřihu (platí všeobecně). Nástrojem pro tažení je tažid1o, výrobkem výtažek. Hlavní části tažidla jsou tažník, (pohyblivá část) a tažnice (pevná část), popř. přidržovač (přidržuje plech k tažnici). Má-li se z přístřihu vytáhnout např. válcová nádoba, musí se přebytečný materiál přemístit, tzn. vytáhnout ve směru poloměru a zároveň ve směru obvodu stlačit. Jinak by se zvětšovala tloušťka nebo by se materiál zv1nil. To se při tažení tenkého plechu stává, tvoří se přehyby materiálu a při zvětšení odporu se utrhne dno. Tomu se zabrání přidržením materiálu zvláštní deskou - přidržovačem. Mezi přidržovačem a horní plochou tažnice se vytvoří mezera, v níž může přístřih klouzat, ale nemůže se vlnit. Při zpětném pohybu tažníku má přidržovač funkci stírače. Tažení mělkých nádob z tlustších plechů se může provádět bez přidržovače. Hlubší a složitější nádoby se nemohou vyrobit na jeden tah, ale postupným tažením. K tažení se používají většinou mechanické lisy, které jsou vybaveny zařízením k ovládání přidržovače a k vyvození tažné síly na tažníku. Jsou to tzv. dvojčinné lisy (lis s beranem přidržovače a beranem tažníku). Sdružené tažidlo sdružuje operace stříhání a tažení. Protlačování Při protlačování za studena je výchozí polotovar podroben tlaku průtlačníku a průtlačnice. V polotovaru vzniká tlak (až 3000 MPa), který dosáhne hodnoty přetvárného


21

odporu (materiál se chová jako by byl tekutý). Tvářený materiál se přemísťuje a směr jeho pohybu je určen konstrukcí nástroje - protlačovadla. Získaný výrobek se nazývá protlaček. Podle směru pohybu tvářeného materiálu vzhledem k pohybu průtlačníku je protlačování dopředné, zpětné a sdružené. Vzhledem k velikosti přetvárných odporů jsou k protlačování vhodné materiály s tažností větší než 50%, např. oceli s obsahem uhlíku do 0,2%. Tímto způsobem se zpracovává také olovo, cín, měď, hliník a jejich slitiny. Polotovary k protlačování mohou mít tvar plných i dutých špalíků, prstenců apod. Jejich objem a objem protlačku je stejný. Většinou se žíhají na měkko a vniklé okuje se odstraňují omíláním nebo otryskáváním. Povrch ocelových polotovarů se fosfátuje, aby se snížilo tření a přetvárný odpor při protlačování. Protlačování ocelí i neželezných kovů se používá zejména v elektrotechnice, elektronice a v automobilovém průmyslu. Protlačky jsou duté a trubkovité součásti s tenkými stěnami různého průřezu. Jejich rozměry jsou přesné s minimálními přídavky na obrábění. Dosažitelná (hospodárná) přesnost protlačků je v rozmezí IT 8 až IT 10, což vyžaduje lisy s velkou tuhostí a přesností. Jednotlivé způsoby protlačování mají podle možných tvarů protlačků své optimální oblasti použití. Hluboké nádoby z hliníku lze vyrábět protlačováním i tažením. Výroba protlačováním je hospodárnější. 2.4.2 Svařování Svařováním se vytváří pevné a nerozebíratelné spojení kovových částí do jednoho dílu, který se nazývá svařenec. Tyto části jsou většinou z hutních polotovarů (tyče, pásy, plechy aj.), někdy také z výkovků a odlitků. Výhodou tohoto spojení je těsnost, trvanlivost a velká pevnost. Svařování zvyšuje produktivitu práce, zmenšuje spotřebu materiálu, zjednodušuje konstrukci, podstatně zkracuje výrobní časy a umožňuje rychlou realizaci konstrukčních návrhů. Nevýhodou je nerozebíratelnost spojů, potřeba kvalifikovaných dělníků, změna struktury i mechanických vlastností svarového spoje, vznik vnitřních pnutí a deformací. Svařování se používá téměř ve všech výrobních oborech při výrobě nových strojů a konstrukcí i při opravách. Svařované součásti často nahrazují odlitky a výkovky zejména velkých a složitých součástí (jsou až o 50 % lehčí). Také zavádění moderních způsobů svařování má mimořádný význam pro zvyšování produktivity práce. Svařování působením tepla (tavné) Při tomto způsobu svařování vzniká spoj místním natavením svarových ploch základního materiálu, aniž by se použilo tlaku nebo rázů. Obvykle se ještě používá přídavného materiálu stejného nebo podobného složení, jako má základní materiál. Svařování plamenem Zdrojem tepla je plamen, který vzniká spalováním směsi hořlavého plynu, většinou acetylénu s kyslíkem. Místo acetylénu se používá i jiných plynů, jako vodíku, propanu aj. Svařovací plamen se nejčastěji posuzuje podle poměru mísení plynů. Svařovací souprava se skládá z lahví s lahvovými a redukčními ventily, hadic, hořáků a příslušenství. Všechna tato zařízení mohou být různé konstrukce, vždy však schválené inspektorátem bezpečnosti práce. Pro materiály tloušťky větší než 1,5 mm se používá k vyplnění spáry, tj. k vytvoření housenky přídavný materiál - svařovací drát. Jeho tloušťka je od 1 do 8 mm. Pouze litinové tyčinky mají tloušťku až 15 mm.

22


Oxidaci roztaveného kovu zabraňují tavidla. Tvoří s roztaveným kovem vrstvu ochranné strusky, která brání přístupu vzdušného kyslíku, a tím i vzniku těžko tavitelných oxidů (při svařování některých neželezných kovů). Příprava materiálu pro svařování plamenem Svarové plochy se zbaví nečistot, barvy, rzi aj. Svarové plochy se upravují podle tloušťky materiálu tak, aby bylo zajištěno dokonalé provaření. Správná poloha součástí během svařování se zajistí nastehováním, mechanickým upnutím nebo jiným způsobem.

Obrázek 2.13 Způsoby svařování a) doleva (dopředu), b) doprava (dozadu) Způsoby svařování Podle polohy hořáku, svařovacího drátu a postupu při svařování se rozeznává levosměrný způsob (doleva, dopředu) a pravosměrný způsob (doprava, dozadu) svařování. Svařovat se může v poloze vodorovné, svislé nebo nad hlavou. Pro snazší svařování (v nejvhodnější poloze) se používá různých svařovacích přípravků (polohovadel). Svařování plamenem se používá v kusové a malosériové výrobě, v opravárenství pro svařování ocelí do tloušťky 5 mm, litiny a pro navařování. Pro velkou pracnost je u větších tlouštěk nahrazeno svařováním elektrickým obloukem, zejména svařováním v CO2. Tenké plechy se často svařují elektricky odporově (svařování bodové, švové). Svařování elektrickým obloukem V dnešní době je to nejpoužívanější způsob tavného svařování. Zdrojem tepla je elektrický oblouk, který vznikne mezi elektrodou a svařovaným materiálem (nebo mezi dvěma elektrodami), jestliže je zapojíme na vhodný zdroj elektrického proudu. Teplem elektrického oblouku dojde k místnímu natavení a ke spojení (svaření) svařovaných součástí. Při svařování se používá stejnosměrného nebo střídavého proudu o napětí 10 až 70 V a intenzitě 30 až 500 A, popř. i více. Proto se proud ke svařování nemůže odebírat přímo ze sítě (230 nebo 400 V). Zdrojem stejnosměrného proudu jsou točivé svařovací agregáty (např. Triodyn K 220, K 230) a usměrňovače (např. SM 200, 502, KM 350, WTS 500), zdrojem střídavého proudu jsou svařovací transformátory (např. TR 260, 350). Elektrody mohou být netavné nebo tavné. Netavné elektrody (uhlíkové, wolframové) slouží jen jako prostředek k vytvoření oblouku a neposkytují svarový kov. Tavné elektrody mají zpravidla stejné nebo podobné složení jako svařovaný materiál, teplem oblouku se odtavují a dodávají do svaru přídavný (svarový) kov. Mohou být holé nebo obalené.


23

Holé elektrody se používají pouze při svařování v ochranné atmosféře nebo svařování pod tavidlem. Obalené elektrody se používají jak pro proud stejnosměrný, tak střídavý. Polarita elektrody závisí na druhu jejího obalu. Účelem obalu je stabilizovat oblouk, chránit svarový kov před přístupem vzduchu, zpomalit chladnutí svaru vytvořenou struskou, popř. dodat do tavné lázně některé přísadové prvky (Cr, Ni, Mo, V aj.). Rozhodující vliv na jakost svaru má při ručním svařování průměr elektrody, svařovací proud, délka oblouku a rychlost svařování. Průměr elektrody se volí podle tloušťky svařovaného materiálu, tvaru, rozměru a polohy svaru, druhu obalu a podle velikosti svařovacího proudu. Snaha po zvýšení produktivity ručního svařování vedla k výrobě speciálních druhů elektrod. Jsou to zejména elektrody větších průměrů, hlubokozávarové a vysokovýkonné (vysokovýtěžkové) elektrody. Svařování obalenou elektrodou. Teplem oblouku se taví svařovaný materiál, kovové jádro elektrody i obal. Struska vytvořená z obalu chrání odtavované kapky kovu před škodlivými účinky vzduchu tím, že jednak kapky kovu obaluje (usadí se na nich ve formě strusky) a jednak vytváří plynovou clonu, která zabraňuje přístupu vzduchu (kyslíku, dusíku) k nim. Svařuje se nejčastěji ručně, ve všech polohách. Svařování pod tavidlem Elektroda (holý svařovací drát) je odvíjena z bubnu a podávána do místa svaru, které bylo předtím pokryto vrstvou zrněného anorganického tavidla. Svařuje se nejčastěji automaticky stejnosměrným i střídavým proudem. Stejnosměrného proudu se používá pro tenké plechy, protože zajišťuje i při nízké intenzitě dostatečnou stabilitu elektrického oblouku. Hlavní předností této metody je velká produktivita (proti ručnímu svařování až 5x vyšší, oblouk neozařuje okolí, metalurgické reakce mezi svarovým kovem a aktivní (natavenou) částí tavidla příznivě ovlivňují jakost svaru. Teplo oblouku je soustředěno do úzkého pásma, takže lze svařit plech až 15 mm oboustranně bez úkosů. Svařovat se dá i dvěma elektrodami, použije-li se automat s dvojitou hlavou. Zvýší se tím rychlost a produktivita svařování. Svařování pod tavidlem je vhodné pro svařování nízkolegovaných konstrukčních ocelí. Mechanické vlastnosti svaru vyhovují nejvyšším požadavkům. Touto metodou se svařují důležité konstrukce (např.mosty, kotlové pláště) tupými nebo koutovými svary. Tloušťka svařovaných částí může být 2 až 200 mm. Svařování v ochranném plynu Jinou možností ochrany svarového kovu před účinky okolní atmosféry je obklopení oblouku a nataveného kovu umělou atmosférou, vytvořenou vhodným ochranným plynem. Podle použitého plynu se rozlišují i způsoby svařování. Svařováni v ochranné atmosféře oxidu uhličitého, metoda MAG (Metal Aktiv Gas) Elektrický oblouk hoří mezi kovovou elektrodou (holý drát o průměru 0,8 až 2,4 mm) a svařovaným materiálem v atmosféře CO2. Plyn musí mít čistotu alespoň 99,5 %. Při tomto poloautomatickém nebo automatickém způsobu se svařuje výhradně proudem stejnosměrným při kladné polaritě elektrody. Výhodou je nízká cena plynu, velká odtavovací rychlost elektrody, možnost svařovat i navařovat a velká produktivita. Hluboký závar umožňuje

24


Obr. 2.14 Svařování v ochranné atmosféře oxidu uhličitého – metoda MAG svařovat plechy do tloušťky 12 mm bez úkosů. Při svařování v CO2 lze přivádět současně s plynem magnetické tavidlo. Účinkem svařovacího proudu je zmagnetizován drát, na jehož

Obr. 2.15 Svařování elektrickým obloukem obalenou elektrodou povrchu se tavidlo zachytí. Tavidlo zvyšuje stabilitu elektrického oblouku a chrání svar vrstvou strusky. Svařování s magnetickým tavidlem se používá pro materiály do tloušťky 3 mm. Svařováni v argonu netavnou elektrodou, metoda WIG (Wolfram Inert Gas) Elektrický oblouk hoří mezi wolframovou elektrodou a svařovaným materiálem v proudu netečného plynu argonu. Argon chrání svarový kov před přístupem vzduchu a zvyšuje stabilitu oblouku, protože má nízké ionizační napětí. Svařuje se zpravidla ručně, střídavým nebo stejnosměrným proudem. Zapojí-li se elektroda na kladný pól (obrácená polarita), dopadají kladně nabité ionty argonu na povrchovou vrstvu oxidu, kterou rozrušují a tím i čistí. Závar je mělký a široký, elektroda tlustá. Při zapojení elektrody na záporný pól (přímá polarita), nemá argon čisticí účinek. Závar je úzký a hluboký, elektroda tenká. Při zapojení na střídavý proud se k čištění argonem využívá kladné půlperiody. Druh zapojení se volí podle velikosti a druhu oxidové vrstvy na svařovaném materiálu. Metody WIG se používá s úspěchem pro svařování korozivzdorných a žáropevných ocelí, lehkých kovů a jejich slitin, mosazí a niklu.


25

Svařování působením tepla a tlaku Teplem natavené stykové plochy jsou k sobě současně přitlačovány tak, že dojde k jejich svaření. Z metalurgického hlediska je lhostejné, jaký zdroj tepla se použije. Volí se takový, který v praxi nejlépe vyhovuje. Elektrické odporové svařování Svařovaným materiálem protéká v místě spoje elektrický proud. V tomto místě je nejmenší přechodový odpor, materiál se ohřeje na teplotu tavení a tlakem se spojí (svaří). Vzhledem k nízkým hodnotám pracovního napětí (0,5 až 20 V) a elektrického odporu (součásti krátké a masivní), se musí použít vysokých proudů (až přes 105 A). Potřebné množství tepla pro svařování se získá buď působením vysokých proudů v krátkém čase (tzv. tvrdý režim), nebo působením nižších proudů po delší dobu (tzv. měkký režim). U moderních svářeček se dává přednost tvrdému režimu. Odporové svařování se používá v kusové i sériové výrobě. Jeho výhoda je v možnosti

Obr. 2.16 Odporové svařování mechanizace a automatizace. Každá odporová svářečka má dvě části: elektrickou a mechanickou. Elektrická část se skládá ze svařovacího transformátoru a slouží k ohřevu materiálu na teplotu svařování. Mechanická část se skládá z upínacího a přítlačného zařízení. Všechny odporové svářečky pracují tak, že nejprve sevřou svařované součásti dosedacím tlakem a teprve potom se do elektrod vpustí svařovací proud. Po svaření se nejdříve přeruší přívod svařovacího proudu a potom přestane působit dosedací tlak. Svařování stykové Střídavý proud se přivádí ze sítě na svorky primárního vinutí transformátoru. V sekundární cívce se indukuje proud o napětí 1 až 12 V. Svařuje se nejčastěji odtavovacím způsobem. Stykové plochy nemusí být pečlivě očištěny a upraveny, protože nerovnosti se odstraní odtavením. Součásti se k sobě přitlačí a vlivem přechodového odporu se okolí stykových ploch ohřeje na odtavovací teplotu. Po zažehnutí oblouku nastává vlastní odtavování, ze svarových ploch srší proud jisker (ochrana proti oxidaci spoje). Protože materiál ubývá, musí se součásti k sobě přibližovat. V další fázi se součásti (bez přerušení jiskření) k sobě přitlačí a svaří. Přitlačením se ještě odstraní zbylé nečistoty a vytvoří se charakteristický otřep. Svar má velmi dobrou jakost.

26

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Svařování bodové Součásti se přeplátují a sevřou mezi dvě elektrody. Potom se zapne elektrický proud.

Obr. 2.17 Bodové svařování Roztavení a svaření nastane ve stykových plochách obou součástí, v místě nejmenšího přechodového odporu. Jakmile je svar hotov, svařovací obvod se automaticky vypne. Svar tuhne dále pod tlakem, takže je zabráněno vzniku staženin. Elektrody jsou z mědi nebo jejích slitin. Uvnitř jsou chlazeny vodou. Vlivem chladicího účinku má svar jemnozrnnou strukturu. K časovému omezování proudů se používá elektromagnetických stykačů (do 0,1 s) nebo elektronických prvků. Svařovací tlak i proud jsou v určité časové závislosti. Moderní svařovací stroje mají programovací řízení, které umožňuje složitější svařovací cykly. Svařování švové Švové svařování je obdobou bodového svařování. Elektrody chlazené vodou, mají tvar kotouče.Lze jimi svařovat průběžně. Plechy do tloušťky 1 mm se svařují nepřerušovaným

Obr. 2.18 Svařování tlakem za studena střídavým proudem (za 1 s vznikne 100 proudových impulsů, čili 100 svarů). Plechy větších tlouštěk se svařují proudem přerušovaným. Svary mohou být přeplátované nebo tupé. Svařování působením tlaku za studena Podstata metody záleží v přitlačení spojovaných součástí na vzdálenost odpovídající řádově parametru jejich krystalové mřížky. Ke svaření dojde vlivem difůze, při níž se ve stykových plochách vytvoří vazby mezi hraničními mřížkami.


27

Svařované součásti se přiloží k sobě plochami zbavenými oxidů a čelistmi se stlačí tak, aby byl ve stykových plochách tlak vyšší, než je mez plasticity základního materiálu. Tlak závisí hlavně na druhu materiálu; bývá v rozmezí 300 až 3 800 MPa. Nejlepších výsledků se dosahuje u hliníku a jeho slitin. Dobře se také svařují nikl, olovo, měď a stříbro. Tohoto způsobu se používá při výrobě konzervových krabic, nádrží, trubek aj.Tloušťka svařovaných plechů nepřesahuje 5 mm. Svary jsou buď švové nebo bodové. Tohoto způsobu se s výhodou také používá při svařování hliníkových a měděných vodičů většího průřezu. Svařování ultrazvukem Při svařování ultrazvukem jsou spojované materiály vystaveny účinkům ultrazvuku za současného působení tlaku. Mechanické kmity jsou přenášeny vlnovcem na tzv. sonotrody, jejichž úkolem je soustředit tlakovou sílu a mechanické kmity do místa svaru. Při svařování kovů působí tlaková síla a mechanické kmity ve vzájemně kolmých směrech.Ultrazvukem lze svařovat nejen kovy (různého druhu, velmi malé tloušťky - 0,005 až 3 mm), ale i plasty. Omezená je jen jedna tloušťka svařované součásti, druhá může být libovolně tlustá. Spoje se dělají přeplátované, bodové nebo švové. 2.4.3

Pájení

Pájení je způsob nerozebíratelného spojení kovů stejného nebo rozdílného chemického složení roztaveným kovem - pájkou. Pájka proniká do základního materiálu a rozpouští se v něm (vytváří se tuhý roztok). Její teplota tavení je vždy nižší, než je teplota tavení základního materiálu. Pájený spoj má horší mechanické vlastnosti než pájený kov. Pájka musí mít dobrou zatékavost, vzlínavost, vyhovující mechanické vlastnosti, malý rozdíl elektrického potenciálu vůči základnímu materiálu a nízkou cenu. Podle teploty tavení se pájky dělí na měkké (do 500 °C) a tvrdé (500 až 1 000 °C). Měkké pájky jsou cínové a zvláštní. Dodávají se ve tvaru litých tyček, trubiček s náplní tavidla, zrn apod. Měkké pájky se používají na spoje malé pevnosti (20 až 60 MPa). Tvrdé pájky jsou založeny na bázi slitin mědi, hliníku a stříbra. Dodávají se ve formě housek, drátů apod. Používají se na spoje větší pevnosti (až 500 MPa). Tavidla jsou kapalné nebo tuhé chemické látky, které odstraňují z pájených ploch nečistoty a zabraňují jejich dodatečné oxidaci. Aby působila co nejúčinněji, musí se tavit při teplotě o 200 až 300 °C nižší, než je teplota pájení. Měkké pájení se používá ke spojování měkkých i tvrdých ocelí, pozinkovaných i pocínovaných ocelových plechů, hliníku, slitin mědi apod. K pájení slouží pájedla, jejichž hroty jsou ohřívány elektricky nebo plamenem. Tvrdé pájení se používá hlavně tam, kde je spoj namáhán zejména na tah. Pájí se hliník a jeho slitiny, ocel s jinými kovy apod. K ohřevu se nejčastěji používá kyslíkoacetylenového, nebo kyslíkopropanbutanového plamene, seřízeného na teplotu pájení. 2.4.4 Výroba drátů Jádra kabelů a vodičů se nejčastěji zhotovují z mědi a hliníku. Měděný drát je do kabeloven dodáván ve svitcích o hmotnosti: a) 80 až 120 kg - válcovaný z bárníků, lisovaný z čepů (bloků) b) 1 až 5 t

- kontinuálně litý a válcovaný event. tažený.

28


Jeho průměr se většinou pohybuje v rozmezí 6 až 10 mm, při výrobě dynamovodičů větších průřezů se používá drátů i s větším průměrem. Měděný drát musí mít bezvadný povrch, bez nečistot, šupin, převalků a trhlin, nesmí mít vměstky, oxidy ani dutiny, jednak aby se netrhal při dalším zpracování (tažení), jednak aby drát v konečné dimenzi měl povrch jakosti potřebné pro nanesení izolační vrstvy. Povrch drátu však nemá být příliš hladký, má mít malé prohlubeniny, aby se v nich dobře zachytil mazací prostředek pro tažení. Ulpívá-li mazací film na povrchu drátu špatně, stoupá opotřebení tažecích průvlaků i kotoučů. Válcovaný drát je na povrchu okysličen a nehodí se bez další úpravy ke zpracování. Vrstva kysličníku z povrchu měděného drátu se odstraňuje mořením ve zředěné kyselině sírové (60 až 80 °C, 20 až 30 minut). Velmi důležité je důkladné opláchnutí drátu po moření a pasivaci povrchu. Měděný drát, vyráběný kontinuální technologií (Properzi, Southwire, Hazelett, Contirod, Dip-forming, Outkompu) má ve většině případů povrch vhodným způsobem pasivován tak, aby k oxidaci nedocházelo. Takovýto drát je možno zpracovávat bez moření. Hliníkový drát přichází do kabeloven ve svitcích o hmotnosti do 1 600 kg. Jeho průměr se obvykle pohybuje v rozmezí 8 až 12 mm. Je-li určen pro zpracování na zařízení Conform, je jeho průměr vyšší (14 až 20 mm). U Al drátu není třeba před tažením provádět úpravu povrchu. Vlastní výroba drátů v kabelovnách se provádí tažením na vhodný průměr s následným žíháním, vyžadují-li to další technologické operace. Tažení drátů Tažení drátů je tvářecí proces, při kterém se za studena postupně zmenšuje průměr drátu protahováním tažecími průvlaky pomocí tažecích kotoučů. Tím se drát postupně prodlužuje, a proto musí být odtahová rychlost každého dalšího tažecího kotouče vyšší než kotouče předcházejícího. Tento požadavek se u tažecích strojů řeší dvěma zásadními způsoby: Tandemové tažečky. Všechny tažecí kotouče mají stejný průměr, každý kotouč má jiné otáčky (postupně se zvyšují). Průvlaky a tažecí kotouče jsou řazeny za sebou, v tandemu. Kuželové tažečky. Všechny tažecí kotouče mají stejné otáčky, každý kotouč je jiného průměru (postupně se zvyšuje). Průvlaky jsou uspořádány v řadě, tažecí kotouče tvoří na hřídelích kužel. Aby měl drát hladký a lesklý povrch, musí se při tažení intenzívně mazat. Měděné a hliníkové dráty se táhnou za mokra. Tažecí průvlaky a kotouče jsou zkrápěny proudem tažecí emulze, případně jsou kotouče v emulzi částečně nebo zcela ponořeny. Tažecí emulze současně odvádí vyvíjené přetvárné teplo. Složení emulze závisí na materiálu taženého drátu a jeho průměru, v menší míře též na typu tažečky. Většinou jsou to vodní emulze oleje, tuků a mýdla. Pro tažení hliníkových drátů se používají tažecí oleje s přídavkem různých tuků, např. lanolínu. Pro výrobu kabelů a vodičů je potřebný rozsah průměrů tažených drátů velmi široký, asi od 0,01 do 4,5 mm průměru. Tomu odpovídá i velký počet typů, provedení a konstrukcí tažecích strojů. Zhruba se tažečky rozdělují podle vstupního a konečného průměru drátu na tyto druhy: hrubotahy, střední tahy, jemné tahy a zvlášť jemné tahy. Přesnost rozměrů a jakost povrchu tažených drátů je dána v prvé řadě přesností tažecích průvlaků a jejich dokonalých opracováním. Průvlak se skládá z jádra (diamantového nebo tvrdokovového) a objímky. V jádru vybroušený tažný otvor má čtyři funkční části. Vstupní kužel (mazací kužel), kterým se do průvlaku přivádí mazadlo ke snížení tření při tažení.


29

Tažný kužel, ve kterém se vstupní průměr taženého drátu přetváří na menší. Kalibrační válec, kterým se tažený drát kalibruje na předepsaný průměr. A konečně výstupní kužel, chránící kalibrační část průvlaku před poškozením. Podle stupně opotřebení se tažecí průvlaky jen brousí a leští nebo se před broušením ještě brousí nahrubo. Při všech těchto operacích se průvlaky obrábějí brusnou pastou, diamantové diamantovým práškem v oleji, tvrdokovové karbidem bóru ve vazelíně. Žíhání drátů Tažením se mění krystalická struktura Cu, a tím i její fyzikální vlastnosti. Tažnost klesá, pevnost stoupá – drát je tvrdý. Aby se znovu získaly původní vlastnosti materiálu (tažnost, ohebnost), musí se drát zahřát na rekrystalizační teplotu 200 až 400 °C. Dráty se musí žíhat. Vyžaduje-li to technologie tažení (překročí-li redukce průměru 90 až 95 %), je zařazeno i mezižíhání. Žíhání se musí provádět v ochranné atmosféře, aby měděný drát byl ochráněn před oxidací. Vlastní žíhání se provádí: a) průběžně (odporově – Jouleovým teplem) b) v pecích (hrncových, komorových). Cínování drátů Cínováním se chrání měděné dráty před korozním účinkem určitých složek pryžových směsí (zejména síry) nebo před vlivy povětrnosti. Jádra některých typů vodičů se cínují z toho důvodu, aby se usnadnilo jejich pájení při montáži. Tloušťka cínové vrstvy bývá 0,002 až 0,015 mm. Měděné dráty se cínují buď za tepla nebo elektrolyticky. Cínování za tepla. Při cínování za tepla se měděný drát protahuje nádrží s roztaveným cínem (50 až 80 % cínu, zbytek olovo) teploty 320 až 420 oC. Uprostřed nádrže jsou ponorné držáky s diamantovými nebo tvrdokovovými vodítky. Cínovací lázně se většinou staví v tandemu s tažecími stroji. Cínování elektrolytické. Při elektrolytickém cínování je měděný drát katodou, cínová deska anodou. Jednochodé cínovací zařízení pracuje průběžně, drát prochází v přímce postupně sekcí čisticí, cínovací a chladicí. Tloušťka vrstvy se řídí velikostí proudu a odtahovou rychlostí.

2.5 Povrchové úpravy kovových materiálů Vodivé materiály -Vodiče 1. třídy kovy - vodivost je způsobena pohybem valenčních elektronů -Vodiče 2. Třídy elektrolyty Slovem „elektrolyt“ bývá zkráceně označována soustava, obsahující pohyblivé ionty. Nejčastěji je takovým elektrolytem roztok iontové sloučeniny ve vhodném rozpouštědle. Obecně platí, že dostatečnou vodivost poskytují rozpouštědla splňující následující podmínky: •

vysoká permitivita

30

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně • •

nízká, na teplotě málo závislá viskosita nízký bod tuhnutí a vysoký bod varu

Podle Stokesovy a Longuet – Higginsovy teorie je pohyblivost iontu tím větší, čím menší je viskosita rozpouštědla a čím méně pevný je solvátový obal iontů. K tomu přistupuje požadavek vysoké permitivity rozpouštědla, která je podmínkou snadné tvorby iontů v roztoku. Tabulka 2.1 Porovnání vybraných aprotických rozpouštědel a vody

Název

Vzorec

Bod tuhnutí [oC]

Bod varu

81,6

[oC]

Permitivita

[cP]

Acetonitril

CH3CN

-45,7

γ - butyrolakton

(CH2)3OCO

-43

202

39

dimethylform-amid HCON(CH3)2

-61

158

dimethoxyethan

C2H4(OCH3)2

-58

propylenkarbonát

C4H6O3

-49

dimethyl-sulfoxid

(CH3)SO

Voda

H2O

18,55 0

Viskozita

37,5

Měr. hmotnost [kg.m-3]

0,325

771,3

1,75

1125

36,7

0,796

944,6

84

7,20

4,55

859

241(rozkl.)

64,4

25,3

1190

189

46,6

1,96

1096

1

1000

100

82

Elektrolýza Elektrolýzu lze definovat jako přeměnu látek elektrickým proudem. Při ní probíhají na elektrodách oxidační a redukční procesy. Přenosem nábojů mezi roztokem elektrolytu a elektrodou vzniká elektrický proud, který protéká okruhem. Vlivem elektrolýzy přijímají kladně nabité kationty elektrony z katody a přitom vzniká elektroneutrální látka nebo kationt nižšího mocenství. Záporně nabité anionty předávají své přebytečné elektrony kladně nabité anodě, přičemž vzniká rovněž elektroneutrální látka nebo vícemocný aniont. Katodická elektrodová reakce ( redukční ): kladné ionty přechází z roztoku do elektrody nebo záporný náboj z elektrody do roztoku - vylučování kovu na katodě - katodická redukce kationtů, aniontů nebo molekul Anodická elektrodová reakce ( oxidační ): elektrony přechází z roztoku do elektrody a odtud do vnějšího okruhu nebo kladný náboj z elektrody do roztoku - vylučování nekovu na anodě -

rozpouštění kovu na anodě

-

anodická oxidace kationtů, aniontů nebo molekul

Podstata elektrochemického procesu


31

příklad: elektrolytická rafinace mědi

proud I

e-

ANODA

KATODA

napětí ∆E

atom mědi e-

e-

roztok měďnatých sloučenin

Obrázek 2.19 Podstata elektrochemického procesu příklad: elektrolytická rafinace mědi Průchod proudu: elektrony vnějším obvodem (elektronový vodič), ionty elektrolytem (iontový vodič) Faradayovy zákony 1. zákon množství látek přeměněných chemicky účinkem elektrického proudu na elektrodách je úměrné velikosti náboje, který prošel elektrolytem

m = A.I.t = M/n.F . I . t A je elektrochemický ekvivalent. Je to množství látky, které se vyloučí na elektrodách za 1 s proudem 1 A I je proud t je čas n je mocenství kovového kationtu F = 96450 C/mol = q. NA 2. zákon Hmotnostní množství různých látek přeměněných na elektrodách průchodem stejného elektrického náboje jsou k sobě v poměru svých ekvivalentových hmotností. Např.: v seriovém zapojení se elektrolyzují roztoky AgNO3, H2SO4, CuSO4, AuCl3 stejným proudem. Potom platí: m( Ag+ ) : m( H+ ) : m( Cu2+ ) : m( Au3+ ) = 107,88/1 : 1,008/1 : 63,57/2 : 197,2/3 1 Faradayovým nábojem se vyloučí 1 mol chemických ekvivalentů kovu Vylučování kovů na katodě Spolu s vylučovaným kovem se mnohdy na katodě vylučují i kovové nečistoty a vodík.

32


Každý kov ve vodném roztoku své soli nabývá určitý potenciál. Na jeho povrchu se ustavuje rovnováha, kterou lze měřit jako potenciální rozdíl proti jinému kovu, ponořenému rovněž do roztoku jeho soli. Změřením hodnoty těchto potenciálních rozdílů lze kovy sestavit do určité řady. Za základní člen této řady byl zvolen vodík s nulovým potenciálem. Ostatní kovy mohou mít vzhledem k vodíku kladnou nebo zápornou hodnotu potenciálu. Vodíková elektroda: Pt plíšek potažený Pt černí, na němž se ustavuje rovnováha mezi vodíkem v atomovém a v molekulovém stavu. Standartní elektrodový potenciál má vodíková elektroda tehdy, když je sycena vodíkem o tlaku 0,101325 MPa a když je ponořena do roztoku o aktivitě hydroniových iontů a= 1. Standardní elektrodový potenciál vybraných kovů Systém E0 Li -3,045 Na -2,714 Al -1,662 Zn -0,763 Fe -0,400 Sn -0,136 Cu +0,337 Ag -0,799 Pt +1,2 Au +1,498 H2 0 O2 +1,229 Jsou-li v roztoku rozpuštěny soli několika kovů, vylučují se tyto kovy na katodě postupně za sebou podle řady napětí tak, že se nejprve vylučuje kov s největším kladným potenciálem, pak s nižším, atd. Kdyby toto pravidlo platilo bezvýhradně, bylo by možné vylučovat jen kovy s kladným potenciálem. U kovů se záporným potenciálem by se nejprve vyloučil veškerý vodík z roztoku a tak by nastal úplný rozklad vody. Potenciály, při kterých se vylučuje vodík na jednotlivých kovech jsou ale mnohem zápornější než je teoretický nulový potenciál vodíku. Rozdíl mezi skutečným a teoretickým potenciálem vývinu vodíku se nazývá přepětí vodíku Je tím větší, čím pomalejší je rychlost elektrochemické tvorby molekul vodíku. Hodnoty vodíkového přepětí na různých kovech jsou různé. Je – li potenciál vodíkového přepětí zápornější než potenciál vylučování vlastního kovu, vylučuje se z roztoku pouze kov, pokud jsou oba potenciály podobné, vylučuje se kov i vodík současně. Mají- li se dva kovy vylučovat současně, musí být rozdíl mezi jejich potenciály menší než 0,3V. Potenciály vylučování jednotlivých kovů pro různá prostředí jsou rozdílné – závisí i na pH prostředí. (Příklad:


33

Hliník – při jakémkoli pH je jeho potenciál –1,662 V pod potenciálem vývoje vodíku, a proto by koroze měla probíhat vždy. Za podmínek tvorby hydroxidu vzniká dokonale lpící vrstva, bránící další korozi. Má velkou elektrickou pevnost, je isolační – princip elektrolytických kondenzátorů a elektrochemické ochrany vodíku eloxováním Hliník nelze vyrábět elektrolyticky z roztoků solí ve vodě ( je vždy zápornější a připojením k zápornému pólu zdroje se místo Al vylučuje plynný vodík ). Hliníkování je ale možné z bezvodých solí a při náhradě vody jinými, absolutně suchými rozpouštědly.) Koroze kovových materiálů Působením atmosféry, kyslíku, vodní páry, CO2, SO2 apod. ztrácí kovy svůj lesk a pokrývají se vrstvou různých sloučenin, které se označují jako korozní zplodiny. Obvykle se dělí do dvou tříd a to na korozi: a) chemickou b) elektrochemickou. Korozní děje těchto dvou tříd se liší v zásadě jen formou energie, která se při každé reakci uvolňuje. U chemické koroze je to energie tepelná, u elektrochemické pak energie elektrická, které jsou průvodním jevem probíhajících dějů. Koroze chemická vzniká v plynech nebo neelektrolytech . Většinou se jedná o oxidaci kovu. Podstatný vliv na chemickou korozi má i mikrogeometrie povrchu a teplota prostředí a hlavně složení a struktura kovů. Koroze elektrochemická Probíhá u všech druhů korozního namáhání, kde je možno předpokládat přítomnost vodních par nebo vody. Ve vodě se rozpouští nečistoty, plyny z ovzduší a dalším rozpouštěním kationty rozpouštěných kovů. Lokální článek je možné si představit jako malý úsek povrchu, na němž je kapka vody. Na povrchu jsou místa s různou drsností, nečistotami nebo s různým složením krystalů. Každé takové místo má různou povrchovou energii, tzn., že může přitahovat nebo odpuzovat více elektronů než místo bez defektů.. Každý takový článek je prvopočátkem elektrochemické koroze. Vznik energetických rozdílů na povrchu materiálu nebo těsně pod jeho povrchem je ovlivňován různými tzv. korozními faktory, např. vibrací, zářením, vlivem kyslíku, vodíku a dalších plynů v atmosféře napětím a únavou materiálu. apod. MECHANISMY KOROZE Nejčastější: elektrochemický mechanismus – viz obr.2 Lokální článek ze dvou kovů Lokální článek na heterogenní slitině A. Lokální článek v kapce vody ve vzduchu

34


B. Mechanismus důlkové koroze v chloridech ( nahromadění chloridů osmotickými silami ) A

B

D

C

vzd u ch

o tvů re k

zř e d ě n ý ro zto k

vo d a o ce l

o ce l ko n ce n tro va n ý ro zto k vrstva o xid ů

Obrázek2.20 Mechanismy koroze Podle vzhledu napadeného materiálu dělíme korozi na : - rovnoměrnou - po celé ploše - nerovnoměrnou - plocha je napadena jen místy - místní - jen na určitém místě napadené součásti - bodovou - hluboké zkorodované otvory v základním materiálu - po vrstvách - často u některých galvanických povlaků nebo u plátovaných materiálů - selektivní - mezi nevhodně zvolenými kovy - mezikrystalovou - po hranách nebo plochách krystalů u slitin - transkrystalovou - u slitin, korozní napadání v krystalech - nitkovou - zvláště u kovů s organickým nátěrem. Urychlené korozní zkoušky se provádí v klimatických komorách při zvýšených teplotách nebo koncentracích plynů nebo vlhkosti. Hodnocení korozního napadení se udává v procentech napadené plochy. PRINCIPY OCHRANY PŘED KOROZÍ a. mechanická – brání přístupu agresivních činidel – nátěry, pokovení. b. konstrukční - vyloučení vodivého styku nevhodných dvojic kovů c. potlačení vývoje vodíku – přídavek chemikálií – inhibitory, sloučeniny olova ( olovnaté nátěrové hmoty ) atd. Příklad : stárnutí fridexu je způsobeno ztrátou účinnosti inhibitorů koroze. Inhibitory se chemicky váží k povrchu kovů ( vznik monomolekulárních vrstev ) a tím blokují vývoj vodíku d. katodická ochrana – udělení dostatečně záporného potenciálu, při kterém je kov stabilní. Buď z vnějšího zdroje (ochrana elektrických zemních kabelů) nebo „obětovanou anodou“ – blok Al nebo Mg na trupu lodi. e. volba materiálu – oceli s přídavkem Cr, Ni a dalších – odolnější pasivní vrstva


35

f. pasivující nátěry – minium (Pb3O4, Zn-chromát atd.) – oxidací podkladového kovu pomáhají tvořit pasivní vrstvu Galvanické povlaky -

Buď nanášíme kov na základ ušlechtilejší, pak chrání kov tím, že koroduje dřív než tento kov. Póry v povlaku pak neovlivňují korozní odolnost.

-

Nebo chrání základní kov tím, že sám je ušlechtilejší a sám nekoroduje. Póry v povlaku pak výrazně ovlivní korozní odolnost, protože obnaží základní méně ušlechtilý materiál a ten pak koroduje.

Galvanické pokovování Zinek, standartní elektrodový potenciál je –0,76V Zinek je značně reaktivní kov s malou odolností vůči korozi. Koroduje již ve vlhké atmosféře. Zinµek se pokrývá vrstvou oxidu a uhličitanu zinečnatého, korozní látky pak další korozi zpomalují. Působením vnější atnosféry je zinkový povlak napadán nepatrně na rozdíl od mořské vody a průmyslových exhalátů. Vrstva zinkového povlaku se zmenší za 1 rok: -

ve venkovské atmosféře 1-3.4 µm v městské atmosféře 1-6 µm v prrůmyslové atmosféře 3,8-19 µm v mořské atmosféře 2,4-15 µm Korozi zinkových povlaků lze podstatně zmírnit chromátováním.

Nikl Nikl je stříbrobílý kov s nádechem do žluta. Vyznačuje se značnou tvrdostí. Odolává alkáliím, kyselinám a plynům. Standatní elektrodový potenciál je –0,25 V. Poniklované díly jsou značně odolné vůči korozi, odolávají atmosferickým vlivům, vodě, jsou odolné i vůči opotřebení.

36


3 Magnetické materiály 3.1 Struktura a vlastnosti fero- a ferimagnetik Odkaz Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“, část „Materiály v elektrotechnice“ 3.1 Základní údaje o magnetickém stavu látek 3.2 Fero- a ferimagnetismus

3.2 Fero- a ferimagnetické materiály Odkaz Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“, část „Materiály v elektrotechnice“ 3.3 Magneticky měkké materiály 3.4 Magneticky tvrdé materiály

3.3 Speciální magnetické materiály Fero- a ferimagnetické materiály pro specifická použití A. Magnetické granáty B. Granáty pro bublinové paměti C. Magnetická kompozita D. Materiály s magnetostrikčními vlastnostmi E. Aktivní povlaky magnetických pásků F. Magneticky měkké amorfní slitiny kovů Ferity • Ferity magneticky měkké 1. Ferity se spinelovou strukturou ferospinely (Ferroxcube,Fonox) MO.Fe2O3 M ... Mn, Mg, Zn, Ni, Cd, Cu, příp.Co spinelová struktura: normální - ferit nemagnetický (ferit Zn, ferit Cd) inversní - ferit magneticky aktivní smíšená - ferit magneticky aktivní 2. Ferity s granátovou strukturou Fe2O3 + oxidy vzácných zemin 3. Ferity s hexagonální strukturou (Ferroxplan) (MO)x.(BaO).(Fe2O3)y M ... Mg, Mn, Co • Ferity magneticky tvrdé 1. Ferity s hexagonální strukturou (Durox)


•

MO.6Fe2O3 M ... Ba, Pb, Sr, Ca Ferity se speciálními vlastnostmi 1. Mikrovlnné ferity s granátovou strukturou 2. Ferity s pravoúhlou hysterézní smyčkou 3. Magnetostrikční ferity Magnetostrikční ferity pro rezonátory Magnetostrikční ferity pro měniče 4. Ferity pro záznamové a čtecí hlavy

37

38



39

4 Polovodičové materiály 4.1 Nerovnovážné stavy koncentrace nosičů proudu Rovnovážné stavy v polovodiči splňují podmínku termodynamické rovnováhy n.p = ni2

(4.1)

Nerovnovážné stavy koncentrace nosičů tuto podmínku nesplňují a v případě, že n.p > ni2

(4.2)

musí existovat zdroj injekce nosičů do polovodiče, při n.p < ni2

(4.3)

dochází k extrakci nosičů z polovodiče. Ve všech dalších úvahách se omezíme na případ nízké úrovně injekce, při které se výrazně mění pouze koncentrace menšinových nosičů v polovodiči, zatímco koncentrace většinových nosičů zůstává prakticky zachována. Pro nadbytečné nosiče musí být též splněna podmínka elektrické neutrality

∆n = ∆p

(4.4)

a pro výsledné koncentrace nosičů tak lze psát n = n0 + ∆n

(4.5)

p = p0 + ∆p

(4.6)

kde index 0 značí koncentrace splňující podmínku termodynamické rovnováhy. (Příklad nízké úrovně injekce pro křemík N typu dotovaný 1016 donory v cm-3 a pokojovou teplotu: ni = 1, 45.1010 cm-3 n0

N D = 1016 cm-3

p0

ni2 ND

(10 )

1.1010 cm-3

10 2 16

10

104 cm-3

Uvažujme injekci párů elektron díra o koncentraci ∆n = ∆p = 1010 cm-3, potom n = n0 + ∆n = 1016 + 1010 p = p0 + ∆p = 104 + 1010

1016 cm-3 1010 cm-3

Koncentrace většinových nosičů se nezměnila, naopak dochází k výraznému růstu koncentrace menšinových nosičů.) Přestane-li působit příčina vyvolávající nerovnovážný stav, vrací se polovodič do rovnovážného stavu rekombinací (případ injekce) nebo generací nosičů (při extrakci).

40


Při řešení nerovnovážných stavů se vychází z rovnice kontinuity, která pro elektrony má tvar ∂n 1 = G − R + divJ n ∂t q

(4.7)

a pro díry 1 ∂p = G − R − divJ p ∂t q

(4.8)

kde G (m–3s–1) je počet nosičů generovaných v jednotkovém objemu a čase (generační rychlost), R (m–3s–1) je počet nosičů rekombinovaných v jednotkovém objemu a čase (rekombinační rychlost) a J n a J p jsou vektory proudové hustoty elektronů a děr. 4.1.1

Doba života minoritních nosičů

Předpokládejme rovnoměrně osvětlenou desku polovodiče N typu, přičemž energie záření je tak velká, že dochází ke generaci párů elektron-díra rovnoměrně v celém objemu polovodiče. Situace je znázorněna na obr.4.1.

Obrázek 4.1 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci párů elektron díra vnějším zdrojem. Uvažujme případ nízké úrovně injekce. Vzhledem k tomu, že v daném případě se koncentrace většinových nosičů prakticky nemění, budeme se zabývat pouze menšinovými nosiči, dírami. Je-li generační rychlost párů elektron-díra způsobená osvětlením GL (m-3s-1), můžeme rovnici kontinuity pro díry psát ∂pn = GL + GT − R ∂t

(4.9)

kde GT (m-3s-1) je generační rychlost nosičů teplem (odpovídající termodynamické rovnováze), R (m-3s-1) je celková rekombinační rychlost nosičů. Zavedeme pojem tzv. čisté rekombinační rychlosti U (m-3s-1), vztahující se k nerovnovážným nosičům náboje U = R – GT

(4.10)

Je zřejmé, že ve stavu termodynamické rovnováhy, kdy tepelná generace nosičů je v rovnováze s jejich rekombinací je U = 0. Předpokládejme tzv. lineární rekombinaci, kdy pro čistou rekombinační rychlost platí U=

1

τp

( pn − pn 0 )

(4.11)


41

Veličina τp má rozměr času a je to doba života minoritních nosičů v polovodiči. Dosazením do vztahu (4.9) dostáváme ∂pn 1 = GL − ( pn − pn 0 ) ∂t τp

(4.12)

V ustáleném stavu, kdy se osvětlení polovodičové desky nemění ∂pn =0 ∂t

(4.13)

dostáváme řešením (4.12) pro koncentraci menšinových děr při osvětlení pnL pnL = pn 0 + τ p GL

(4.14)

Přestane-li následně zdroj světla, generující nerovnovážné nosiče působit (GL = 0), klesá koncentrace nerovnovážných nosičů ∂pn 1 = − ( pn − pn 0 ) ∂t τp

(4.15)

Řešení (4.15) s počáteční podmínkou pn(0) = pnL  t pn (t ) = pn 0 + ( pnL − pn 0 ).exp  −  τp 

  

(4.16)

je graficky znázorněno na obr. 4.2.

Obrázek 4.2 Pokles koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu pro různé doby života menšinových nosičů τp. Vidíme, že jakmile přestal působit vnější zdroj generace nadbytečných nosičů, polovodič se vrací do stavu termodynamické rovnováhy podle exponenciální funkce času, přičemž rychlost návratu je závislá na době života menšinových nosičů náboje. 4.1.2

Povrchová rekombinace

U reálných polovodičů nedochází nikdy k rovnoměrné rekombinaci nosičů v celém objemu polovodiče. U povrchu polovodiče, který představuje porušení struktury materiálu, se významně uplatňuje povrchová rekombinace.

42


Předpokládejme, že v desce polovodičového materiálu N typu z předešlého případu dochází ke zvýšené rekombinaci pouze na ploše ležící v rovině x = 0 (obr.4.3) V tomto případě se bude koncentrace děr v určitém místě vzorku měnit také vlivem toku nosičů k této ploše, kde je jejich koncentrace díky zvýšené rekombinaci nižší než v objemu.

Obrázek 4.3 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem a povrchové rekombinaci na ploše x = 0. Rovnici kontinuity pro díry lze v tomto případě psát ∂pn 1 ∂J p = GL − U − ∂t q ∂x

(4.17)

kde proudová hustota děr tekoucích k povrchu J p = qpµ p E − qD p

∂pn ∂x

(4.18)

se skládá z driftové a difúzní složky proudové hustoty. Lze dokázat, že pro případ nízké úrovně injekce lze driftovou složku proudové hustoty menšinových nosičů zanedbat a uvažovat pouze difúzní složku proudové hustoty menšinových nosičů, v našem případě děr, tekoucích k povrchu. ∂pn p − pn 0 ∂ 2 pn = GL − n + Dp ∂t τp ∂x 2

(4.19)

Budeme uvažovat řešení pro ustálený stav (konstantní osvětlení), kdy ∂pn =0 ∂t

(4.13)

a pro okrajové podmínky pn (∞) = pnL = pn 0 + τ p GL Dp

∂pn ∂x

x =0

= s p [ pn (0) − pn 0 ]

(4.20) (4.21)

První okrajová podmínka vyjadřuje, že koncentrace mešinových děr v objemu polovodiče, daleko od povrchu kde rekombinují, je rovna nerovnovážné koncentraci stanovené v předchozím případě. Druhá podmínka vyjadřuje, že všechny díry, které difúzí dorazí k povrchu pro x = 0, zde rekombinují. Stejně jako u objemové rekombinace se předpokládá, že děj je úměrný přebytku děr u povrchu oproti rovnovážné koncentraci. Konstantou úměrnosti je rychlost povrchové rekombinace menšinových děr, sp (m s-1). Řešení rovnice (4.19) pro ustálený stav a okrajové podmínky (4.20) a (4.21) je


pn ( x) = pnL − ( pnL − pn 0 ). kde

 x .exp  −  L Lp p 

s pτ p

L p = D pτ p

43   , 

(4.22) (4.23)

Lp (m) je difúzní délka děr. Na obr.4.4 je graficky znázorněno řešení rovnice (4.22) pro různé povrchové rekombinační rychlosti a pro jednu difúzní délku děr, řešení znázorněné na obr.4.5 vyjadřuje vliv rozdílných difúzních délek nosičů při velmi vysoké povrchové rekombinační rychlosti děr.

Obrázek 4.4 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem a povrchové rekombinaci na ploše pro x = 0 s různou povrchovou rekombinační rychlostí sp.

Obrázek 4.5 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem a povrchové rekombinaci s vysokou povrchovou rekombinační rychlostí sp na ploše pro x = 0 pro tři různé difúzní délky nosičů Lp. Obdobným postupem lze odvodit pro polovodič N typu rozložení menšinových děr při jejich generaci v povrchové vrstvě (pro x = 0) a rekombinaci v objemu. V daném případě se řeší se rovnice kontinuity pro ustálený stav Dp

∂ 2 pn 1 − ( pn − pn 0 ) = 0 ∂x 2 τ p

(4.24)

Okrajové podmínky vyjadřují konstantní koncentraci menšinových nosičů v místě jejich generace a jejich rovnovážnou koncentraci v objemu, daleko od povrchu kde jsou generovány. pn (0) = konst.

(4.25)

44

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně pn (∞) = pn 0

(4.26)

Řešení má tvar  x pn ( x) = pn 0 + [ pn (0) − pn 0 ] .exp  −  L p 

  

(4.27)

a je znázorněno pro různé difúzní délky nosičů na obr. 4.6.

Obrázek 4.6 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při generaci na povrchu pro x = 0 a objemové rekombinaci pro různé difúzní délky minoritních nosičů Lp. 4.1.3

Mechanismus rekombinace

Přechod elektronu z vodivostního pásu do valenčního a jeho rekombinace s volnou dírou se nazývá mezipásmový rekombinační přechod a uplatňuje se především u polovodičů s tzv. přímou pásovou strukturou (např. některé polovodiče ze skupiny AIIIBV). Doba života menšinových nosičů u mezipásmového přechodu klesá s rostoucí koncentrací většinových nosičů. Dalším typem rekombinace je rekombinace prostřednictvím rekombinačních (generačních) center, jejichž energetické hladiny se nacházejí v zakázaném pásu polovodiče, poblíž středu tohoto pásu. Centra jsou vytvářena různými druhy příměsí (tzv. hluboké příměsi na rozdíl od mělkých příměsí donorů a akceptorů, nacházejících se u okrajů zakázaného pásu) nebo poruchami krystalové mříže. Energetické hladiny v blízkosti středu zakázaného pásu slouží jako stupně k převádění elektronů a děr mezi valenčním a vodivostním pásem. Lze ukázat, že rekombinace bude nejúčinnější pro centra, která vytvářejí hladiny co nejblíže středu zakázaného pásu. Doba života menšinových nosičů je potom ovlivněna koncentrací těchto účinných center. Příkladem takového centra je zlato, které v křemíku vytváří celkem čtyři hladiny, z nichž dvě leží blízko středu zakázaného pásu. Při koncentraci Au v rozmezí 1020 až 1023 m-3 se doba života mění v mezích 2.10-7 až 10-10 s.

4.2 Přechod PN Polovodičové součástky využívají elektrických vlastností přechodu mezi polovodiči typu P a N. Idealizovaný jednorozměrný model přechodu PN s průběhem koncentrací nosičů je znázorněn na obr. 4.7.


45

Obrázek 4.7 Jednorozměrný model přechodu PN s průběhem koncentrací donorů, akceptorů, většinových a menšinových nosičů. Na přechodu dochází vlivem koncentračního spádu k difúznímu toku většinových nosičů do oblasti, ve které se stávají nosiči menšinovými. Předpokládáme, že v oblasti blízké přechodu je v důsledku tohoto odtoku nosičů koncentrace pohyblivých nosičů malá ve srovnání s koncentrací nepohyblivých, ionizovaných donorů a akceptorů. Nevykompenzovaný elektrický náboj těchto ionizovaných příměsí vytváří elektrické pole, které brání dalšímu odtoku většinových nosičů. Elektrický náboj nevykompenzovaných příměsí vytváří v oblasti přechodu tzv. oblast prostorového náboje. Tedy při spojení polovodiče typu P s polovodičem typu N přecházejí vlivem koncentračního spádu elektrony z oblasti N do P a díry z P do N polovodiče tak dlouho, až vzniklé elektrické pole dalšímu toku zabrání, neboli dochází k rovnováze mezi difúzní a driftovou složkou proudové hustoty J n = qnµ n E + qDn

∂n =0 ∂x

(4.28)

J p = qpµ p E − qD p

∂p =0 ∂x

(4.29)

Řešením rovnice (4.28), příp.(4.29) můžeme určit velikost potenciálu elektrického pole v oblasti prostorového náboje na přechodu. Při použití Einsteinova vztahu a označíme-li celkovou změnu potenciálu jako difúzní napětí na přechodu UD, pro velikost difúzního napětí dostáváme UD =

kT p p kT nn ln ln = q pn q np

(4.30)

Řešením předchozích rovnic (4.28), příp. (4.29) lze též ukázat, že bez vnějšího napětí na přechodu je poloha Fermiho hladiny přes celý přechod PN konstantní WF = konst.

(4.31)

46 4.2.1

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Elektrostatické řešení přechodu PN

Elektrostatické řešení přechodu vychází z Poissonovy rovnice, kterou jednorozměrně můžeme vyjádřit dE ( x) Q( x) = ε 0ε r dx

(4.32)

Známe-li rozložení elektrického náboje Q ( x ) v oblasti přechodu, intenzitu elektrického pole E ( x) . Vzhledem k platnosti vztahu E ( x) = −

dU ( x) dx

a

W ( x) = −qU ( x)

integrací stanovíme

(4.33) (4.34)

pro energii elektronu, můžeme z rozložení intenzity elektrického pole následně stanovit rozložení potenciálu, resp. energií. Naznačíme si grafické řešení Poissonovy rovnice pro jednu z používaných idealizací rozložení náboje na přechodu, pro tzv. strmý přechod, u kterého se koncentrace donorů ND mění v místě přechodu pro x = 0 skokem na koncentraci akceptorů NA . Oblast prostorového náboje o celkové šířce w leží částečně v polovodiči typu N (-xn, 0), částečně v polovodiči typu P (0, xp) – viz obr. 4.8.

a) Koncentrace příměsí pro idealizovaný strmý PN přechod. Koncentrace na přechodu se mění skokem z ND na NA

b) Oblast prostorového náboje pro strmý přechod


47

c) Intenzita elektrického pole pro strmý přechod. Průběh intenzity dostaneme řešením Poissonovy rovnice (4.32). Plocha pod křivkou je rovna velikosti difúzního napětí

d) Průběh energetických hladin na přechodu, WF = konst. Průběh energetických hladin v oblasti prostorového náboje bude mít parabolický tvar a je dán řešením rovnic (4.33) a (4.34) Obrázek 4.8 Elektrostatické řešení strmého přechodu PN. Z podmínky nábojové neutrality plyne, že celkový náboj musí být po obou stranách přechodu stejný a tedy N D xn = N A x p

(4.35)

Ze vztahu (4.35) plyne, že oblast prostorového náboje na přechodu PN se rozšiřuje převážně do té části polovodiče, která je méně dotována příměsemi. Pro maximální intenzitu elektrického pole na strmém přechodu lze řešením Poissonovy rovnice odvodit Emax =

qN D

ε 0ε r

xn =

qN A

ε 0ε r

xp

(4.36)

a pro velikost difúzního napětí UD =

1 Emax w 2

(4.37)

Z rovnic (4.36) a (4.37) lze určit šířku oblasti prostorového náboje pro strmý přechod PN w=

2ε 0ε r N A + N D UD q N AND

Pro nesymetrický přechod, kdy např. ND >> NA dostaneme

(4.38)

48


w=

2ε 0ε r 1 U q NA D

(4.39)

a prakticky celá oblast prostorového náboje se realizuje v oblasti polovodiče typu P. Je-li k přechodu přiloženo vnější napětí U musí se toto napětí při stanovení šířky oblasti prostorového náboje přičítat k difúznímu napětí v rovnici (4.38) s kladným znaménkem pro zpětný směr (U D − U ) a se záporným znaménkem (U D + U ) pro přímý směr. 4.2.2

Ideální voltampérová charakteristika PN přechodu

Přiložíme-li vnější zdroj napětí na přechod tak, že kladné napětí je straně P a záporné na straně N, potom vnější elektrické pole sníží potenciálovou barieru na přechodu. Na přechodu dochází k růstu difúzních složek proudových hustot, nastává injekce nosičů, oblast prostorového náboje je zaplavena injekovanými nosiči, prochází proud v přímém směru. Přechod představuje malý odpor, šířka oblasti prostorového náboje w se zmenší. Elektrický proud v oblasti P je zprostředkován dírami, v oblasti N elektrony. Díry, které se dostanou přes přechod představují v oblasti N menšinové nosiče, nemohou tam stabilně existovat a rekombinují postupně s elektrony. Situace je schematicky znázorněna na obr. 4.9. Jiná situace nastává, je-li polarita přiloženého napětí opačná. Dochází ke zvýšení potenciálové bariery na přechodu, šířka oblasti prostorového náboje se zvětšuje, jak elektrony na straně N, tak díry na straně P se vzdalují od přechodu, přechodem prochází pouze malý zbytkový proud. Přechod je orientován v závěrném směru a představuje velký odpor. Úpravou vztahu (4.30) můžeme pro původní rovnovážné koncentrace (označíme indexem 0) psát pp0 pn 0

 qU D  = exp    kT 

(4.40)

Při přiložení napětí U v přímém směru se potenciálová bariéra zmenší o velikost tohoto napětí a analogicky pro koncentrace p1 a p2 z obr. 4.9 můžeme uvést p1  q (U D − U )  p p 0  qU  exp  − = exp  =   p2 kT  kT    pn 0

(4.41)

Koncentrace děr p2 se skládá z původní koncentrace rovnovážné pno a z koncentrace injektovaných děr ∆p2 , obdobně též p1 p2 = pn 0 + ∆p2

(4.42)

p1 = p p 0 + ∆p1

(4.43)

Vzhledem k tomu, že koncentrace vstřikovaných nosičů je malá v porovnání s koncentrací většinových nosičů ppo >> ∆p1 (nízkoúrovňová injekce), je p1 B ppo a koncentrace vstřikovaných menšinových děr do oblasti N typu   qU ∆p2 = pn 0 exp   kT 

   − 1  

Podobně platí pro elektrony vstřikované do oblasti polovodiče P typu

(4.44)

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy   qU ∆n1 = n p 0  exp   kT 

49

   − 1  

(4.45)

Z předchozích dvou vztahů je patrné, že koncentrace injektovaných menšinových nosičů závisí pouze na napětí na přechodu a na rovnovážné koncentraci menšinových nosičů v oblasti, do které se nosiče vstřikují. Koncentrace nosičů v oblasti odkud dochází k injekci nemá vliv. Pro oblast typu N můžeme koncentraci nadbytečných minoritních nosičů z obr. 4.9 vyjádřit (viz kap.4.1.3, vztah (4.27))

Obrázek 4.9 Kvalitativní vysvětlení usměrňovacího jevu na přechodu PN a) přechod bez napětí b) napětí přiloženo v přímém směru (zmenšování oblasti prostorového náboje, injekce nosičů) c) napětí přiloženo v závěrném směru (rozšiřování oblasti prostorového náboje, injekce nosičů, odpuzování majoritních nosičů od přechodu)  x pn ( x) = pn 0 + [ pn (0) − pn 0 ] exp  −  Lp 

  

(4.46)

Proudovou hustotu děr těsně za oblastí přechodu vypočítáme J p ( x = 0) = − qD p

∂∆pn ( x) ∂x

x =0

=q

Dp Lp

∆p2

(4.47)

Obdobným postupem lze pro proudovou hustotu elektronů těsně za oblastí přechodu stanovit Jn = q

Dn ∆n1 Ln

(4.48)

Pro celkovou proudovou hustotu tak dostáváme D  D  Dp D  qU ∆p2  = q  n n p 0 + p pn 0   exp  J = J n + J p = q  n ∆n1 + Lp Lp  kT     Ln  Ln Po úpravě

   − 1  

(4.49)

50

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně   qU J = J 0  exp   kT 

   − 1  

(4.50)

   − 1  

(4.51)

případně   qU I = I 0 exp   kT  kde zbytkový proud Io D  D I 0 = A J 0 = A q  n n p 0 + p pn 0  Lp   Ln

(4.52)

A je plocha přechodu. Vztah (4.51) bývá označován jako ideální voltampérová charakteristika přechodu PN. Z ideální voltampérové charakteristiky vyplývá, že závěrný proud je konstantní a roven Io , jakmile je napětí záporné a větší, než několik kT/q. Naopak v přímém směru narůstá proud prakticky exponenciálně s napětím, pouze pro malá napětí U < kT/q se projeví vliv jedničky v závorce. Ideální voltampérová charakteristika je znázorněna na obr. 4.10. Reálná voltampérová charakteristika přechodu se od ideální odlišuje jak v propustném, tak v závěrném směru.

Obrázek 4.10 Ideální voltampérová charakteristika přechodu PN

4.3 MIS (MOS) struktura Struktura MIS (MOS) je ideálním prostředkem k vyšetřování povrchových vlastností polovodičových materiálů. Pochopení fyzikálních základů této struktury, umožní proniknout do činnosti MIS (MOS) polovodičových součástek. Řez strukturou je znázorněn na obr. 4.11. Struktura je tvořena kovovou elektrodou, označenou M, izolační vrstvou (I) a polovodičem (S). Je-li izolační vrstvou oxid polovodičového materiálu, struktura se označuje MOS.


51

Obrázek 4.11 Řez strukturou MIS (MOS) Výklad vlastností struktury zjednodušíme pro případ, kdy uvažujeme, že výstupní práce elektronu z kovu elektrody i z polovodiče je stejná, nejsou vázané elektrické náboje v izolantu, ani na rozhraní mezi izolantem a polovodičem. Zobrazenou strukturou s dokonalým izolantem nemůže protékat stejnosměrný proud. Oblast prostorového náboje, která se vytvoří v podpovrchové oblasti polovodiče u rozhraní s izolační vrstvou, tak zůstává v termodynamické rovnováze, tj. platí zde vztah n . p = ni2. Důsledkem je, že poloha Fermiho hladiny v polovodiči, bez ohledu na napětí UH přiložené na kovovou elektrodu - hradlo, je konstantní. Náboj indukovaný napětím na hradle v podpovrchové oblasti polovodiče vyvolává v této oblasti změnu potenciálu, která se projeví zkřivením energetických hladin v pásovém modelu struktury MIS (viz řešení Poissonovy rovnice pro přechod PN, kap.4.2.1). Při záporném napětí na hradle jsou k povrchu polovodiče přitahovány kladné náboje - díry z objemu polovodiče. V polovodiči typu P tak vzniká pod povrchem vrstva se zvýšenou koncentrací děr – obohacená vrstva. Stav bývá označován jako obohacení většinovými nosiči. Kladný náboj děr v obohacené vrstvě vyvolává změnu potenciálu a zakřivení energetických hladin znázorněné na obr. 4.12 a. Na obrázku je uvedeno i rozložení elektrických nábojů na hradle a v polovodiči. V náhradním schématu struktury se uplatňuje kapacita izolační vrstvy v sérii s odporem polovodiče.

a)

b)

52


c) Obrázek 4.12 Pásové diagramy, rozložení náboje a náhradní schéma struktury MIS s polovodičem P typu pro stavy: a) obohacení většinovými nosiči b) ochuzení většinovými nosiči a c) inverzi polovodiče Je-li k hradlu přiloženo malé kladné napětí, budou v prvé fázi od povrchu polovodiče odpuzovány kladné díry, jejich koncentrace v podpovrchové oblasti poklesne a vytvoří se tzv. ochuzená vrstva. Stav se označuje jako ochuzení většinovými nosiči. Náboj části akceptorových iontů v podpovrchové oblasti polovodiče nebude v tomto případě kompenzován nábojem děr. Na jednotku plochy povrchu bude vázán náboj Qs = − qN A xb

(4.53)

kde xb je šířka povrchové ochuzené vrstvy. Roste-li kladné napětí na hradle, šířka ochuzené vrstvy se nejprve zvětšuje. Odpovídající změna potenciálu, projevující se ohybem energetických hladin v pásovém modelu, také roste. Pásový model struktury pro stav ochuzení je znázorněn na obr. 4.12b. Na obr. 4.12b je uvedeno i rozložení elektrických nábojů na hradle a v polovodiči ve stavu ochuzení. V náhradním schématu struktury se uplatňuje kapacita izolační vrstvy v sérii s kapacitou polovodiče danou nábojem ionizovaných příměsí v ochuzené vrstvě. Jakmile se v podpovrchové oblasti polovodiče přiblíží spodní hranice vodivostního pásu Wc k Fermiho hladině WF, dojde u povrchu polovodiče k růstu koncentrace elektronů ve vodivostním pásu. Další zvýšení kladného potenciálu na hradle se projeví v pásovém modelu protnutím Fermiho hladiny s dolním okrajem pásu vodivostního, dochází k inverzi polovodiče s prudkým zvýšením koncentrace elektronů. Náboj těchto elektronů Qn vyvolá vznik velmi tenké povrchové vrstvy s vodivostí typu N - tzv. inverzní vrstvy. Šířka ochuzené vrstvy přestane s napětím dále růst, dosáhne své maximální hodnoty xbmax, protože každé další (i velmi malé) zvětšení ohybu energetických hladin vede k velkým změnám velikosti náboje v inverzní vrstvě. V podmínce silné inverze je tedy na jednotku plochy vázán náboj Q = Qn − qN A xb max

(4.54)

Pásový model struktury MIS pro stav inverze je znázorněn na obr. 4.12c, na obrázku je uvedeno i rozložení elektrických nábojů na hradle a v polovodiči ve stavu inverze. Z praktického hlediska jsou nejzajímavější případy ochuzení a inverze. Jak již bylo uvedeno řešení Poissonovy rovnice pro daný elektrický náboj v podpovrchové oblasti polovodiče umožní stanovit rozložení intenzity elektrického pole, následně potenciálu i zakřivení energetických hladin v této oblasti polovodiče. Pro maximální šířku ochuzené oblasti lze odvodit vztah


xb max =

4ε 0ε r .φ F , q.N A

53

(4.55)

kde ΦF je vzdálenost mezi Fermiho hladinou WF a Fermiho hladinou vlastního polovodiče Wi. Tato vzdálenost je mírou dotace polovodičového materiálu příměsemi. Závislost maximální šířky ochuzené oblasti na koncentraci příměsí v polovodičovém materiálu je uvedena na obr. 4.13.

Obrázek 4.13 Závislost šířky ochuzené oblasti na koncentraci příměsí v polovodiči 4.3.1

C-V charakteristika struktury MIS (MOS)

Závislost kapacity struktury MIS na napětí na hradle UH s polovodičem P typu je znázorněna na obr. 4.14.

Obrázek 4.14 C-V charakteristika struktury MIS s polovodičem P typu a vliv frekvence měřicího signálu na C-V charakteristiku Při záporném napětí na hradle se uplatňuje pouze kapacita izolantu Co. Při kladném napětí na hradle dostáváme sériovou kombinaci dvou kapacit, kapacity izolantu Co a kapacity polovodiče, která je funkcí šířky ochuzené vrstvy CS = f(xb), a tedy i napětí na hradle. Celková kapacita v této oblasti klesá, což je dáno růstem šířky ochuzené vrstvy. Po dosažení stavu inverze při napětí na hradle UH = UT je kapacita konstantní a je dána sériovou kombinací kapacity izolantu Co a kapacity polovodiče pro maximální šířku ochuzené vrstvy CS (xb max ). V případě, že nejsou splněny úvodní zjednodušující podmínky, tj. není stejná výstupní práce elektronu z kovu a z polovodiče, případně se projeví vázané elektrické náboje v izolantu, resp. na rozhraní izolantu a polovodiče, dochází k posuvu C-V charakteristik. Odpovídající C-V charakteristiky jsou znázorněny na obr. 4.14 čárkovaně.

54 4.3.2

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Vliv frekvence na charakteristiku C-V

Výše uvedené C-V charakteristiky lze naměřit za předpokladu, že ve stavu ochuzení se každá změna napětí na hradle projeví změnou náboje na okraji ochuzené vrstvy. Tento předpoklad je správný pouze při měření při vysokých frekvencích. Je-li naopak frekvence měřicího signálu dostatečně nízká, mechanismus generace a rekombinace nosičů stačí sledovat změny signálu a tento děj ovlivní náboj inverzní vrstvy. Abychom tuto situaci lépe pochopili, představme si, co se stane při malém zvýšení kladného napětí na hradle. Bezprostředně po zvýšení napětí se v polovodiči indukuje přírůstek záporného náboje. Při vysokých frekvencích to znamená, že z ochuzené vrstvy jsou vytlačeny další díry a ochuzená vrstva se rozšíří. Pokud se však stačí v ochuzené vrstvě vytvořit generací páry elektron-díra dříve, než napětí na hradle opět poklesne, nahradí generované díry ty, které byly vytlačeny z okraje ochuzené vrstvy a přebytečné elektrony se objeví u povrchu polovodiče. Malá změna napětí hradla se tedy vykompenzuje změnou náboje elektronů u povrchu polovodiče a kapacita zůstává na hodnotě Co. Výsledkem popsaného mechanismu je frekvenční závislost C-V charakteristik struktur MIS znázorněná na obr. 4.14. Kontrolní otázky 1) Vysvětlete pojem termodynamické nerovnováhy v polovodičovém materiálu a rozdíl mezi nízkoúrovňovou a vysokoúrovňovou injekcí. Jaké parametry charakterizují nerovnovážný stav a návrat polovodiče do rovnováhy. 2) Vysvětlete rozdíl mezi mezipásmovou rekombinací a rekombinací prostřednictvím rekombinačních (záchytných) center. Čím lze ovlivnit rychlost rekombinačního děje v případě rekombinace prostřednictvím rekombinačních center? 3) V polovodičovém materiálu dochází k objemové generaci nerovnovážných párů elektron díra za podmínek nízkoúrovňové injekce. V čase t = 0 je generační zdroj vypnut, GL = 0. Graficky znázorněte průběh koncentrace menšinových nosičů v polovodiči v čase t > 0. Jak se projeví rozdílná doba života nosičů na tomto průběhu? 4) Graficky znázorněte průběh koncentrace menšinových nosičů v polovodiči při objemové generaci nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem GL = konst. a povrchové rekombinaci na ploše pro x = 0. Jak se projeví rozdílná povrchová rekombinační rychlost na tomto průběhu? 5) Vysvětlete vznik oblasti prostorového náboje na přechodu PN. Jakým nábojem je tato oblast tvořena a jak se mění její šířka v propustném a závěrném směru? 6) Nakreslete průběh energetických hladin na přechodu PN (pásový diagram přechodu) bez vnějšího napětí, kdy WF = konst. 7) Nakreslete pásový diagram struktury kov - izolant - polovodič s polovodičem N typu ve stavu inverze. Čím je dána kapacita této struktury ve stavu inverze? 8) Nakreslete CV charakteristiku struktury MOS s polovodičem N typu. Jak se projeví vliv vázaných elektrických nábojů v izolační vrstvě na této charakteristice? Příklady 1) Tři vzorky příměsového polovodiče křemíku N typu jsou dotovány postupně 1020, 1022 a 1024 atomy fosforu v 1m3 polovodiče. Stanovte koncentrace elektronů a děr a konduktivitu těchto polovodičových materiálů při teplotě 20 °C (stav plné ionizace příměsí). Vypočtěte polohu Fermiho energetické hladiny v jednotlivých vzorcích


55

polovodičů. Polohy Fermiho hladiny v závislosti na měnící se koncentraci donorů graficky znázorněte v pásovém modelu příměsového polovodiče pro T = 300 K. Šířka zakázaného pásu u křemíku je Wg = 1,11 eV; efektivní hustota stavů v pásu vodivostním je Nc = 2,8 . 1025 m-3, efektivní hustota stavů v pásu valenčním je Nv = 1,04 . 1025 m-3. Pohyblivost elektronů v křemíku je µn = 0,135 m2V-1s-1 a pohyblivost děr µp = 0,048 m2V-1s-1. Rovnovážná koncentrace elektronů a děr v křemíku je ni = 1,45 . 1016 m-3. Příklad řešte pro případ příměsového polovodiče křemíku P typu dotovaného postupně 1019, 1021 a 1023 atomy bóru v 1m3 polovodiče. Poznámka: q -1,602 .10-19 C náboj elektronu k 1.38 .10-23 J.K-1 Boltzmannova konstanta Řešení N-typ polovodiče Ve stavu plné ionizace příměsí platí

nn

ND

(4.56)

Z rovnice termodynamické rovnováhy ni2 = nn . pn pn =

plyne pro koncentraci děr

(4.57)

2 i

n nn

(4.58)

Konduktivita (měrná elektrická vodivost) γ = q(nn µ n + pn µ n ) q nn µ n (4.59) Energii Fermiho energetické hladiny vypočteme ze vztahu pro koncentraci elektronů nn = N c e

−

WC −WF kT

,

(4.60)

WF = Wc + kT ln

odtud plyne

Příklad výpočtu pro ND = 1020 m-3 nn N D 1020 m-3 n 2 (1, 42.10 pn = i = nn 1020

)

nn n = Wv + Wg + kT ln n Nc Nc

16 2

γ

= 2,1.1012 m-3

q nn µ n = 1, 602.10−19.1020.0,135 = 2,16 S m-1

WF = Wv + Wg + kT ln

nn 1020 = Wv + 1,11.1, 602.10−19 + 1,38.10−23.300.ln = Nc 2,8.1025

= Wv + 1, 259.10−19 J = Wv + 0,786 eV Další výsledky ND = 1022 m-3: nn = 1022 m-3;

np = 2,1 . 1010 m-3;

γ = 216,3 S m-1; WF = Wv + 0,905 eV

ND = 1024 m-3: nn = 1024 m-3;

np = 2,1 . 108 m-3;

γ = 2,16 .104 S m-1; WF = Wv + 1,024 eV

P-typ polovodiče Ve stavu plné ionizace příměsí platí

pp

NA

(4.61)

56

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Z rovnice termodynamické rovnováhy ni2 = n p . p p np =

plyne pro koncentraci děr

Konduktivita (měrná elektrická vodivost) γ = q(n p µn + p p µn )

(4.62)

ni2 pp

(4.63)

q ppµ p

(4.64)

Energii Fermiho energetické hladiny vypočteme ze vztahu pro koncentraci děr p p = Nve

−

WF −Wv kT

,

(4.65)

WF = Wv − kT ln

odtud plyne

19

Příklad výpočtu pro NA = 10 m p p N A 1019 m-3 ni2 (1, 45.10 np = = pp 1019

)

-3

pp Nv

16 2

γ

= 2,1.1013 m-3

q p p µ p = 1, 602.10−19.1019.0, 048 = 7, 69.10−2 S m-1

WF = Wv − kT ln

pp

= Wv − 1,38.10−23.300.ln

Nv = Wv + 0,358 eV Další výsledky

1019 = Wv + 5, 735.10−20 J = 25 1, 04.10

NA = 1021 m-3: np = 2,1 . 1011 m-3;

pp = 1021 m-3;

γ = 7,69 S m-1; WF = Wv + 0,239 eV

NA = 1023 m-3: np = 2,1 . 109 m-3;

pp = 1023 m-3;

γ = 769 S m-1; WF = Wv + 0,120 eV

2) Monokrystal křemíku je dotován atomy fosforu o koncentraci 1022 m-3 a atomy boru o koncentraci 1021 m-3 (kompenzovaný polovodič). Vypočítejte koncentraci elektronů a děr v polovodiči a jeho konduktivitu při T = 300 K. Uvažujte, že při této teplotě jsou všechny příměsi ionizovány. Rovnovážná koncentrace elektronů a děr v křemíku při této teplotě je ni = 1,45 . 1016 m-3. Pohyblivost elektronů v křemíku je µn = 0,135 m2V-1s-1 a pohyblivost děr µp = 0,048 m2V-1s-1. Stanovte polohu Fermiho úrovně v tomto polovodiči při teplotě 300 K. Šířka zakázaného pásu u křemíku je 1,11 eV; efektivní hustota stavů v pásu vodivostním je Nc = 2,8 . 1025 m -3. Řešení Z porovnání koncentrací příměsí N D N A plyne, že se jedná o polovodič typu N. 1 Pro koncentraci elektronů platí nn =  ( N D − N A ) + ( N D − N A ) 2 + 4ni2  (4.66)  2 Protože platí ( N D − N A )

2

ni2 (rozdíl deseti řádů), můžeme psát

nn N D − N A (4.66a) Koncentraci děr, konduktivitu a energii Fermiho energetické úrovně určíme obdobně jako v příkladu 1 (N-typ polovodiče).


57

Výsledky nn = 9 . 1021 m-3;

np = 2,34 . 1010 m-3;

γ = 194,6 S m-1; WF = Wv + 0,902 eV

3) Stanovte potenciální rozdíl na PN přechodu křemíkové diody za předpokladu, že oblast přechodu je v tepelné rovnováze; koncentrace donorových příměsí je 3,5 . 1023 m-3, koncentrace akceptorových příměsí je 1,5 . 1018 m-3. Při výpočtu uvažujte teplotu 300 K. Popsaný přechod nechť má tvar kruhové plošky o poloměru 3 mm. Stanovte kapacitu daného přechodu v nezatíženém stavu i v případě, kdy na přechodu působí v přímém nebo v závěrném směru stejnosměrné napětí o hodnotě 0,2 V. Řešení Při spojení polovodiče typu P s polovodičem typu N přecházejí vlivem koncentračního spádu elektrony z oblasti N do P a díry z P do N polovodiče tak dlouho, až vzniklé elektrické pole dalšímu toku zabrání, dochází tedy k rovnováze mezi difúzní a driftovou ∂n J n = qnµ n E + qDn složkou proudové hustoty =0 (4.28) ∂x ∂p J p = qpµ p E − qD p resp. =0 (4.29) ∂x q  µ Řešením rovnice (4.28), příp.(4.29) a využitím Einsteinova vztahu  =  můžeme  D kT  určit velikost potenciálu elektrického pole v oblasti prostorového náboje na přechodu. Označíme-li celkovou změnu potenciálu jako difúzní napětí na přechodu UD, dostáváme kT p p kT nn UD = = (4.30) ln ln q pn q np Výsledek UD = 0,56 V

(nn = 3,5 . 1023 m-3; np = 1,4 . 1014 m-3 – viz příklad 1)

4) Přechod mezi oblastí vodivosti typu P a N v křemíkové diodě má tvar kruhové plošky o poloměru 0,15 mm. Vypočtěte celkový proud procházející přechodem při teplotě 300 K, působí-li na přechodu v přímém směru vnější stejnosměrné napětí 0,1 V. Koncentrace donorových příměsí nechť je 5 . 1014 m-3, koncentrace akceptorových příměsí 3 . 1020 m-3. Předpokládejte, že pohyblivost elektronů je 0,135 m2 V-1s-1, pohyblivost děr je 0,048 m2 V-1 s-1 a doba života je 100 µs pro oba druhy nosičů. Uvažujte, že vnější napětí působí na PN přechodu v závěrném směru. Jaký bude v tomto případě celkový proud procházející přechodem? Řešení Pro

celkovou proudovou hustotu můžeme D  D Dp Dp    qU   J = J n + J p = q  n ∆n1 + pn  exp  ∆p2  = q  n n p +  − 1 , (4.49) Lp L p    kT     Ln  Ln   qU   resp. J = J 0  exp  (4.50)  − 1  kT   

psát

58

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Výpočet a) Difúzní koeficienty Dn, Dp -z Einsteinova q µ µ kT = ⇒D= D kT q µ n kT 0,135.1,38.10−23.300 Dn = = = 3, 49.10−3 m2 s-1 −19 q 1, 602.10 µ kT 0, 048.1,38.10−23.300 Dp = p = = 1, 24.10−3 m2 s-1 −19 q 1, 602.10

univerzálního

vztahu:

b) Difúzní délky Ln, Lp – platí L = D.τ L = Dn .τ n = 3, 49.10−3.100.10−6 = 5,91.10−4 m L = D p .τ p = 1, 24.10−3.100.10−6 = 3,52.10−4 m c) Rovnovážná koncentrace elektronů v oblasti P-typu vodivosti, rovnovážná koncentrace děr v oblasti N-typu vodivosti 16 ni2 (1, 45.10 ) np = = = 7.1011 m 20 ND 3.10 2

16 ni2 (1, 45.10 ) pn = = = 4, 2.1017 m 14 NA 5.10 d) Proudová hustota vytvořená proudem tekoucím PN přechodem v závěrném směru a jí odpovídající proud  3, 49.10−3  1, 24.10−3 11 J 0 = 1, 602.10−19  7.10 4, 2.1017  = 0, 237 A m-2 + −4 −4 3,52.10  5,91.10  2

I 0 = J 0 .S = J 0 .π r 2 = 0, 237.π . ( 0,15.10−3 ) = 16,8.10−9 A 2

e) Celková proudová hustota a jí odpovídající proud −19  1,602.10−23 .0,1  2 1,38.10 .300 − 1 = 11 A m-2 ⇒ I = 11.π . ( 0,15.10−3 ) = 0, 778.10−6 A J = 0, 237  e     5) Stanovte šířku PN přechodu v křemíku, je-li koncentrace donorových příměsí 1,5 . 1020 m-3 a koncentrace akceptorových příměsí 3,5 . 1017 m-3. Relativní permitivita křemíku je 11,7. Jak se změní šířka uvedeného přechodu, působí-li na něj současně vnější stejnosměrné napětí 0,2 V - a) v přímém směru, b) v závěrném směru? Úlohu řešte pro T = 300 K. Řešení Celkovou šířku PN přechodu určíme ze vztahu 2ε 0ε r N A + N D (U D ∓ U ) w= q N AND U = 0 w = w0 nezatížený PN přechod U - UD w = wp PN přechod v propustném směru U + UD w = wz PN přechod v závěrném směru Kapacita PN přechodu je dána vztahem

(4.38a)

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy S w nezatížený PN přechod PN přechod v propustném směru PN přechod v závěrném směru C = ε 0ε r

C = C0 (pro w0) C = Cp (pro wp) C = Cz (pro wz)

59

(4.67)

Příklad výpočtu pro nezatížený stav Výpočet difúzního napětí (viz příklad 1 a 3) UD =

kT N D N A 1,38.10−23.300 3,5.1023.1,5.1018 = = 0,32 V ln ln 2 q ni2 1, 602.10−19 (1, 45.1016 )

Šířka PN přechodu (w0) w0 =

2ε 0ε r N A + N D 2.8,854.10−1211.7 1,5.1018 + 3,5.1023 UD = 0,32 = 34,5.10−6 µm 18 23 −19 q N AND 1, 602.10 1,5.10 .3,5.10

Kapacita PN přechodu (C0)

π ( 3.10 ) S = 8,854.10−12.11.7 = 84,5.10−12 F C0 = ε 0ε r −6 w0 34,5.10 −3 2

Další výsledky Propustný směr PN přechodu wp = 21,1 µm;

Cp = 138,8 pF

Závěrný směr PN přechodu wp = 43,9 µm;

Cp = 66,7 pF

6) Vyjděte z Einsteinova universálního vztahu vyjadřujícího závislost mezi pohyblivostí nosičů nábojů a difúzním koeficientem a odvoďte rozměr difúzního koeficientu. Řešení

µ kT µ kT = ⇒D= . Potom D q q m 2 V -1s -1.JK -1.K m 2 V -1s -1.Ws m 2 V -1s -1.VAs [D] = = = = m 2s -1 C As As Einsteinův univerzální vztah

7) Stanovte číselnou hodnotu difúzního koeficientu elektronů a děr v monokrystalu germania při teplotě 300 K, je-li při téže teplotě pohyblivost elektronů µn rovna 0,39 m2 V-1 s-1 a pohyblivost děr µp rovna 0,19 m2 V-1 s-1. Výsledky Dn = 9,85 . 10-3 m2 s-1;

Dp = 4,80 . 10-3 m2 s-1

60


8) Z prvního Fickova zákona lze pro hustotu proudu Jdif podmíněného difusí nosičů nábojů psát rovnici Jdif = ± q . D. grad n, v níž n označuje koncentraci nosičů o náboji q a D je difúzní koeficient. Jaký je rozměr veličiny D? Řešení  J dif [D] =   q.grad

 Am -2 = m 2s -1  = -4 n  As.m

4.4 Výroba integrovaných obvodů Výchozím polotovarem pro výrobu integrovaných obvodů jsou monokrystalické desky polovodičového materiálu. V následujících dvou kapitolách stručně popíšeme přípravu monokrystalických desek z čistého polykrystalického křemíku. Nejužívanějším způsobem přípravy monokrystalického křemíku je jeho tažení z taveniny Czochralského metodou. 4.4.1

Czochralského (CZ) metoda přípravy monokrystalu

Při této metodě je v aparatuře do křemenného kelímku vložen polykrystalický křemík a požadovaná příměs - dopant (obr.4.15). Příměs a její množství je zvoleno takové, aby došlo k vytvoření N nebo P typu monokrystalu s požadovanou rezistivitou. V kelímku je vysokofrekvenčním ohřevem vsázka roztavena (teplota ~ 1 450 °C). Následně se povrchu taveniny dotkne zárodečný monokrystal – zárodek, upevněný na rotující závěsné tyči. Zárodečný monokrystal má stejnou krystalografickou orientaci jako tažený krystal.

Obrázek 4.15 Czochralského metoda tažení monokrystalu křemíku Růst krystalu nastává, jakmile je zárodek, upevněný na tyči, pomalu vytahován z taveniny. Povrchové napětí mezi zárodkem a taveninou způsobuje, že tenká vrstvička taveniny zůstává na povrchu zárodku a je následně při vytahování ochlazována. Během chlazení se atomy z vrstvičky postupně orientují do krystalové struktury zárodečného monokrystalu. Výsledkem je, že krystalová orientace zárodku je zachována při růstu celého krystalu, přičemž atomy příměsi v tavenině se postupně umisťují do uzlových poloh krystalové mřížky rostoucího krystalu.


61

Pro zajištění homogenní dotace příměsí, dokonalosti krystalové mřížky a možnosti řízení průměru taženého krystalu, zárodek a kelímek rotují v opačných směrech během celého růstu krystalu. Zabezpečení kvalitních podmínek růstu vyžaduje řízení rychlosti rotace, tažení zárodku a teploty taveniny. Cílem je příprava co nejdokonalejšího monokrystalu, nicméně ten vždy obsahuje určitou koncentraci bodových poruch, dislokací a růstových poruch. Alternativou této metody je CZ metoda s kapalným uzávěrem a přetlakem inertního plynu v aparatuře, která se používá pro výrobu sloučeninových polovodičů, jejichž složky mají rozdílný tlak nasycených par při teplotě tavení (např. GaAs). Další metodou užívanou pro výrobu monokrystalického křemíku je metoda letmé zóny, jejíž předností je, že tavenina není ve styku s křemenným kelímkem a výsledný monokrystal neobsahuje kyslík z vnitřní stěny kelímku. 4.4.2

Příprava polovodičových desek

Monokrystaly tažené CZ metodou dosahují délky kolem 1 m a průměru několika desítek centimetrů. Vyrábějí se v krystalografických orientacích (111) a (100). Konce monokrystalů se následně odřezávají diamantovou pilou a celý monokrystal se obrousí na stejný průměr. Následuje přesné stanovení krystalografické orientace monokrystalu a vybroušení fazet, které určují orientaci a typ vodivosti monokrystalu. Monokrystal se následně rozřeže na jednotlivé desky (obr.4.16). Rovinnosti ploch desek po nařezání se dosahuje mechanickým broušením a následně chemicko mechanickým leštěním, přičemž nároky na rovinnost jsou velmi vysoké. Parametry typické desky o průměru 200 mm jsou uvedeny v tab.1.

Obrázek 4.16 Polovodičové desky s fazetou určující krystalografickou orientaci a typ vodivosti

Tabulka 4.1 Parametry typické polovodičové desky

62


Parametry typické polovodičové desky Průměr 200 mm Tolerance průměru 0,25 µm Tloušťka 725 µm Krystalografická orientace (100) ± 1 stupeň Rezistivita 2,7 ÷ 4 Ωcm Gradient rezistivity 10 % Obsah kyslíku 25 ÷ 29 ppm Gradient kyslíku 5% Obsah uhlíku 0,3 ppm 4.4.3

Zpracování polovodičových desek – výroba integrovaných obvodů

Sled technologických operací, které následují při výrobě integrovaných obvodů, objasníme na přípravě jednoho NPN bipolárního tranzistoru integrovaného obvodu, (obr.4.17). Přitom je potřebné si uvědomit, že každá polovodičové deska se může použít k výrobě desítek až stovek čipů integrovaných obvodů, z nichž každý obsahuje velké množství podobných tranzistorových struktur. Vzhledem k uvedené specifice bývají tyto výrobní operace označovány jako hromadné.

Obrázek 4.17 Výroba NPN bipolárního tranzistoru

Základní operace používané při hromadné výrobě IO mohou být rozděleny do čtyř skupin: • • •

Vytváření vrstev Přenos obrazců na povrch desky (maskování) Dotace příměsí

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy •

63

Tepelné zpracování

První operace slouží k vytváření nových tenkých vrstev na povrchu desek. Z hlediska elektrické vodivosti mohou být tyto vrstvy izolační, polovodivé nebo vodivé. Pro přípravu vrstev se používá mnoho různých technik, z nichž nejužívanější jsou oxidace, resp. nitridace povrchu desky, epitaxe, chemické nanášení z par (CVD), napařování, naprašování. Přenos obrazců na povrch desky je spojen se sérií dílčích operací, které vedou k odstranění vybraných částí připravených povrchových vrstev. Cílem je vytvoření požadovaných tvarů s přesnými rozměry a jejich umístění na určeném místě desky. Dotace příměsí je proces, při kterém jsou vnášena požadovaná množství dopantů do povrchu polovodičové desky s cílem vytvoření oblastí polovodiče N nebo P typu. Pro dotaci příměsí se používají dvě základní techniky, difúze a iontová implantace. Při tepelném zpracování jsou desky řízeně ohřívány nebo chlazeny pro získání požadovaných vlastností. Vrátíme-li se k obr. 4.17, prvním krokem při výrobě uvažovaného NPN tranzistoru je vytvoření oblasti N+ typu v monokrystalické polovodičové desce P typu. Tato oblast se připraví použitím uvedených základních operací. Nejdříve v procesu označovaném jako oxidace dojde k růstu maskovací oxidové vrstvy na povrchu desky. Při následném přenosu obrazců se v maskovací vrstvě vytvoří otvor v místě, kde se má nacházet oblast N+ typu. Poté se polovodič v místě otvoru difúzí nebo iontovou implantací vhodné příměsi přemění („přeleguje“) na polovodič N+ typu. Na závěr, po dotaci příměsi, dojde k odstranění již nepotřebné maskovací oxidové vrstvy z celého povrchu desky, která je tak připravena k vytváření dalších vrstev. 4.4.3.1 Oxidace Snadnost s jakou lze na povrchu křemíku vytvářet vrstvy oxidu křemičitého je jedním z rozhodujících faktorů, který se využívá při výrobě křemíkových součástek. Oxid křemičitý je na rozdíl od křemíku, který je polovodič, izolantem. Ze všech vrstev jsou vrstvy oxidu křemíku nejužívanější při výrobě součástek a požívají se k následujícím účelům: •

Pasivaci povrchu křemíku, kdy pasivační oxidová vrstva hraje významnou roli při ochraně polovodičových součástek před kontaminací a mechanickým poškozením. • Jako bariéra při dotaci příměsí do polovodiče. Vrstva oxidu brání, aby se příměsi dostaly k povrchu polovodiče v místech chráněných touto vrstvou. Výhodou zde je i skutečnost, koeficient teplotní roztažnosti oxidu křemíku je podobný jako u křemíku, takže nedochází k mechanickému namáhání křemíku při vysokoteplotních operacích. • Jako izolační vrstva oddělující kovové vodivé dráhy od polovodičového materiálu. • Jako dielektrikum při výrobě kondenzátorů a hradlové vrstvy ve strukturách kov, izolant, polovodič (MOS struktury). Základním způsobem přípravy těchto vrstev je termická oxidace, probíhající v reaktorech při teplotách v rozmezí 900 až 1200 °C, v prostředí kyslíku nebo vodních par. Při oxidaci atomy křemíku na povrchu desky reagují s kyslíkem, případně vodními parami, za vzniku oxidu křemičitého. Problémem je vysoká teplota oxidace, snahou je omezit při vytváření oxidových vrstev teplotní namáhání již realizovaných polovodičových struktur. Toho lze dosáhnout vysokotlakou oxidací při tlacích až 2 500 kPa. Každé zvýšení tlaku o 100 kPa nad atmosférický tlak přináší snížení teploty oxidace o 30 °C. Další alternativou omezení teplotního namáhání desek je metoda s urychleným ohřevem pouze reagujícího povrchu např. pomocí halogenových lamp nebo metoda vytváření oxidových vrstev anodickou oxidací.

64


4.4.3.2 Přenos obrazců na povrch desky (maskování) Při této operaci dochází k odstranění definovaných oblastí horní vrstvy na povrchu polovodičových desek. V našem konkrétním případě (obr.4.17) dojde k odstranění oxidové vrstvy v místě, kam mají být vneseny příměsi N typu. Celý proces může být zjednodušeně rozložen do kroků, přehledně uvedených na obr.4.18.

Obrázek 4.18 Proces přenosu obrazců na povrch desky V prvním kroku dochází k dokonalému očištění povrchu desky a její přípravě pro litografické přenesení obrazce do citlivého materiálu – rezistu. Následuje nanesení rezistu, přičemž základní používanou metodou nanášení je metoda odstředivého lití. Při ní je požadované množství roztoku rezistu naneseno na střed desky, rotací desky dochází k vytvoření tenkého


65

rezistového filmu konstantní tloušťky po celém jejím povrchu. V následném procesu sušení se při zvýšené teplotě odstraní rozpouštědlo z rezistové vrstvy. Jako rezist se nejčastěji používají polymerní látky, které při působení záření určité vlnové délky buď vytvářejí příčné vazby, tj. zesíťují a jejich průměrná molekulová hmotnost roste, nebo se naopak štěpí a jejich průměrná molekulová hmotnost klesá. Rezist, jehož průměrná molekulová hmotnost při ozáření roste se nazývá negativní. Průměrná molekulová hmotnost pozitivního rezistu ozářením naopak klesá. Na základě použitého rezistu se celý litografický proces nazývá buď negativní nebo pozitivní. Moderní polovodičové technologie vyžadují, aby rozměry přenášených obrazců v rovině povrchu byly co nejmenší. S rozměry souvisí vlnová délka záření použitého při expozici rezistu. V principu, čím kratší je vlnová délka záření, tím větší je rozlišovací schopnost metody, a tím lze dosáhnout menších rozměrů jednotlivých oblastí. Z hlediska vlnové délky záření lze litografický proces rozdělit na: • • • •

fotolitografii včetně UV litografie využívající ultrafialové záření rentgenovou litografii elektronovou litografii iontovou litografii.

První dvě litografické metody vyžadují masku, jejíž obraz se přenáší na povrch desky. U dalších uvedených metod, vzhledem k možnosti vychylování elektronového a iontového svazku elektromagnetickými čočkami, maska není potřebná. Po expozici rezistu nastává jeho odstranění v místech s nižší molekulovou hmotností. V případě negativního rezistu se tak odstraní místa neozářená při expozici, u pozitivního rezistu naopak. Následuje vypékání rezistu, při kterém dochází k dalšímu odstranění rozpouštědla z vrstvy, jejímu zpevnění a zvýšení adheze k podložní vrstvě. V následující operaci se přenášejí obrazce vytvořené v rezistové vrstvě do vrstvy oxidu křemičitého. Děje se tak v procesu leptání oxidové vrstvy, které je opět možné rozdělit na několik typů: • • •

mokré chemické leptání plazmatické leptání iontové leptání

Nejstarší používaný způsob leptání je chemické leptání, při kterém vhodně zvolené leptadlo selektivně leptá požadovanou vrstvu (v našem případě vrstvu oxidu křemičitého). Leptací rychlost leptadla v rezistu i podložním křemíku je nízká. Při leptání je polovodičová deska buďto ponořena do leptacího roztoku nebo roztok na ni působí ve spreji. Leptání je izotropní, což znamená že probíhá stejnou rychlostí ve všech směrech (obr.4.19). Důsledkem je i nežádoucí rozšíření vyleptané oblasti u rozhraní leptaná vrstva – křemík. Izotropie leptání limituje i velikost přenášených obrazců, mokré leptání je vhodné, pokud vystačíme s minimálními přenášenými rozměry kolem 3 µm. Leptání motivů s menšími rozměry vyžaduje přechod k více anizotropním leptacím technikám, ke kterým se řadí plazmové leptání, iontové leptání a reaktivní iontové leptání.

66


Obrázek 4.19 Izotropní a anizotropní leptací proces Při plazmovém leptání vhodně zvolené radikály, obsažené v plazmě, selektivně leptají požadovanou vrstvu, dochází k chemickému působení leptadla na odstraňovanou vrstvu. V závislosti na použitém plazmochemickém reaktoru, lze dosáhnout anizotropního způsobu leptání. Iontové leptání je oproti předchozí metodě fyzikální proces, při kterém ionty argonu kinetickou energií odstraňují jednotlivé vrstvy. Výhodou je vysoká anizotropie leptu, nevýhodou malá selektivita, kdy dochází i k intenzivnímu odstraňování vrstvy rezistu. Výhody předchozích dvou metod (selektivitu a anizotropii leptu) spojuje metoda reaktivního iontového leptání. Konečnou operací při přenosu obrazců na povrch desky je odstranění zbytků rezistové vrstvy. Odstranění se provádí opět mokrým chemickým procesem nebo v současnosti častěji plazmovým leptáním s požitím vhodných leptacích prostředků. 4.4.3.3 Dotace příměsí Dotace příměsí umožňuje v polovodičovém materiálu vytvářet oblasti s rozdílnou koncentrací příměsí, oblastí opačného typu vodivosti a tedy i přechody PN. Přechod je lokalizován v místě, kde je koncentrace příměsí akceptorového typu rovna koncentraci příměsí donorového typu. Obvyklý způsob dotace příměsí v polovodičových deskách je difúze a iontová implantace. Požadavky na snižování rozměrů součástek vedou průmysl k používání iontové implantace jako základní techniky dotace příměsí. Jakmile je však dopant implantován do polovodičové desky, začne se při další výrobní operaci spojené s vysokoteplotním ohřevem pohybovat v krystalické mřížce polovodiče, přičemž tento následný pohyb se opět řídí difúzními zákony. Vrátíme-li se výrobě našeho NPN bipolárního tranzistoru z obr.4.17, předchozí technologické operace vytvořily v povrchové vrstvě oxidu křemičitého okno, kterým budou do polovodičové desky P typu vneseny donory o vysoké koncentraci a dojde k vytvoření oblasti N+ typu – subkolektoru. Jak již bylo uvedeno tuto oblast lze připravit difúzí nebo iontovou implantací vhodné příměsi. Pro difúzi je potřebné zajistit vysokou koncentraci, resp. spád koncentrace difundující příměsi (P, As, Sb – příměsi donorového typu v křemíku, B, Al, Ga – příměsi akceptorového typu) a dodat potřebnou energii – difúze příměsí probíhá v reaktorech při vysokých teplotách. Difúzní děj je popsána 1. a 2. Fickovým zákonem j = −D

dC dx

∂C ∂ 2C =D 2 ∂t ∂x kde j D

je tok difundujících částic difúzní koeficient dané příměsi

1. Fickův zákon 2. Fickův zákon, (m-2 s-1), (m2 s-1), který roste s teplotou

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy C t

koncentrace difundujících částic čas (s).

67 (m-3),

Difúzní koeficient roste s rostoucí teplotou  W  D = D0 exp  − ,  kT  kde

W k T

je aktivační energie Boltzmannova konstanta teplota

(J), (J K-1), (K).

Difúzní koeficient používaných donorových a akceptorových příměsí v křemíku je při dané teplotě mnohem větší než v oxidu křemičitém, vrstva oxidu zabrání proniknutí příměsí do křemíku v místech chráněných touto vrstvou. Řešením 1. a 2. Fickova zákona pro různé okrajové a počáteční podmínky lze stanovit změnu koncentrace příměsí směrem od povrchu do objemu polovodičové desky v místech nechráněných při difúzi oxidovou vrstvou, tzv. koncentrační profil příměsi. Na obr. 4.20 jsou znázorněny koncentrační profily pro nejčastěji se vyskytující případy difúze.

a)

b)

c) Obrázek 4.20 Koncentrační profil příměsi pro: a) difúzi z nekonečného množství, doba difúze t3 > t2 > t1 b) difúzi z omezeného zdroje, doba difúze t3 > t2 > t1 c) rozdifundování koncentračního schodku, výchozí tvar je vyjádřen v profilem v čase t0, t2 > t1

68


Při iontové implantaci je požadovaná příměs v ionizovaném stavu „vstřelována“ do povrchu polovodičové desky. Iontový implantátor obsahuje následující části: • • • • • •

iontový zdroj, v němž je požadovaná příměs ionizována hmotový separátor, sloužící k výběru iontů, které mají být implantovány a odstranění nežádoucích iontů urychlovač iontů, dodávající iontům potřebnou kinetickou energii (až 10 keV u nízkoenergetických a 2,5 MeV u vysokoenergetických implantátorů) fokuzační zařízení vytvářející svazek iontů vychylovací systém, zajišťující rastrování svazku iontů po povrchu polovodičové desky cílovou komoru s umístěnými polovodičovými deskami

Celé zařízení je vakuově čerpáno a pracuje při nízkém tlaku. Koncentrační profil implantované příměsi je znázorněn na obr. 4.21. Narozdíl od difúze není největší koncentrace příměsi na povrchu, resp. v místě odkud difúze probíhá, ale v jisté hloubce pod povrchem, kterou lze řídit energií dopadajících iontů.

Obrázek 4.21 Koncentrační profil příměsi při iontové implantaci čárkovaně je naznačen profil při uplatnění nežádoucího „kanálování“ Ionty příměsí, které s vysokou kinetickou energií dopadají na povrch desky a zabudovávají se do struktury polovodiče, ničí jeho pravidelnou krystalickou mřížku, dochází k tzv. amorfizaci polovodiče. Krystalickou mřížku je proto potřebné obnovit a zajistit umístění atomů příměsí do uzlových poloh v procesu rekrystalizace. Energie potřebná k obnovení mřížky je dodávána ohřevem, přednostně se používají metody s krátkodobým působením zvýšené teploty. S iontovou implantací je svázán i pojem „kanálování“ iontů. Kanálování nastane v případě, kdy některý z hlavních krystalografických směrů polovodičového krystalu je rovnoběžný s dopadajícím svazkem iontů. V tomto případě se může část dopadajících iontů při pohybu meziuzlovými polohami dostat do značné vzdálenosti od povrchu desky, vzniká tak další maximum koncentrace příměsí, znázorněné na obr.4.21. Jev je nežádoucí a lze ho odstranit malým vychýlením polovodičové desky vůči dopadajícímu svazku iontů nebo častěji pokrytím povrchu i v místě implantace velmi tenkou vrstvou oxidu křemíku. Tato vrstva je pro energetické ionty průchozí a způsobí pouze jejich nahodilé vychýlení z přímého směru, čímž je možnost kanálování omezena.


69

4.4.3.4 Epitaxe V úvodních kapitolách jsme hovořili o výrobě polovodičového materiálu (křemíku) ve spojitosti s přípravou polovodičových desek. Tento základní materiál však vykazuje nedostatky při použití pro realizaci moderních polovodičových struktur. Řešením je příprava tzv. epitaxních vrstev polovodičových materiálů, ve kterých se následně vytvářejí aktivní oblasti součástek. Tyto vrstvy vykazují kvalitnější krystalickou strukturu a umožňují větší rozsah a přesnější řízení obsahu příměsí. Pokud je materiál epitaxní vrstvy stejný jako materiál podložky (křemík na křemíku) je připravená vrstva homoepitaxní. Pokud je materiál jiný (např. GaAs na křemíku), je vrstva heteroepitaxní. V polovodičové technologii je epitaxe spojována s přípravou monokrystalických vrstev, které kopírují krystalografické uspořádání podložní desky, s možností řízení typu a obsahu příměsí v této vrstvě. Je-li epitaxní vrstva na podložce s krystalografickou orientací (111), bude mít i epitaxní vrstva orientaci (111). Na druhé straně, bude-li na povrchu křemíkové polovodičové desky tenká vrstva oxidu křemičitého, která má amorfní strukturu, bude vytvářená epitaxní vrstva křemíku polykrystalická. Vrátíme-li se ke struktuře bipolárního NPN tranzistoru z obr.4.17 vidíme, že následnou operací po vytvoření oblasti N+ je příprava monokrystalické epitaxní vrstvy polovodiče N typu na podložní desce, která je P typu. Než se k vytvoření této vrstvy přikročí, je nutné z povrchu polovodičové desky odstranit již nepotřebnou vrstvu oxidu křemičitého, která zde zůstala po předchozí výrobní operaci. Odstranění této vrstvy může být realizováno mokrým chemickým, příp. plazmovým leptáním. Základním způsobem přípravy epitaxní křemíkové vrstvy je epitaxe z plynné fáze, kdy v reaktoru při teplotě převyšující 1 100 °C dochází k reakci trichlorsilanu (SiHCl3) s vodíkem, atomy křemíku se umisťují na podložní desce, kopírují její krystalografické uspořádání, páry HCl, které vznikají jako produkt reakce, jsou z aparatury odsávány. Vytváření kvalitních epitaxních vrstev vyžaduje dokonalou přípravu povrchu podložní křemíkové desky, jakékoliv nedokonalosti prorůstají epitaxní vrstvou. Jako možný zdroj pro epitaxi se používá též silan (SiH4), resp. dichlórsilan (SiH2Cl2). Předností epitaxe je přesné řízení koncentrace vnášených příměsí (donorů příp. akceptorů) v průběhu vytváření vrstvy. Vrátíme-li se zpět k výrobě NPN bipolárního tranzistoru z obr.4.17, po vytvoření epitaxní vrstvy křemíku N typu bude následovat příprava dvou oblastí P typu, hloubka těchto oblastí musí dosáhnout základní křemíkové desky. Tyto oblasti P typu nebudou kontaktovány a v realizované součástce budou izolovat připravovaný NPN tranzistor od sousedních polovodičových prvků. Příprava těchto oblastí P typu vyžaduje stejné výrobní operace, jako předchozí příprava vrstvy N+ typu, tj. oxidaci, přenos nových obrazců na povrch křemíkové desky, dotaci příměsí a následné odstranění oxidové vrstvy. Po této operaci se stejným způsobem připraví další vrstva P typu – báze, a následně i vrstva N+ typu - emitor a vývod kolektoru budoucího tranzistoru. Uvedeným způsobem je vytvořena celá struktura NPN bipolárního tranzistoru, která se nachází v horní epitaxní vrstvě křemíku. 4.4.3.5 Metalizace Výrobní operací, která následuje po vytvoření funkčních struktur v polovodičové desce je metalizace. Při ní dochází ke kontaktování jednotlivých oblastí, vytvořených v polovodičovém materiálů, a jejich propojení se sousedními aktivními oblastmi integrovaného obvodu do funkčního celku.

70


Před metalizací je nejdříve opět celá polovodičová deska pokryta vrstvou oxidu křemičitého. V této vrstvě jsou vyleptány otvory v místech, kde má být polovodičová struktura kontaktována. Následuje nanesení kovové vrstvy po celém povrchu desky. Vrstva se tak dotýká polovodičového materiálu pouze v místech vyleptaných otvorů, mimo otvory je od polovodiče izolována vrstvou oxidu. Pro nanášení kovových vrstev je možné použít metodu vakuového napařování, v současnosti se však téměř výhradně používá vakuové naprašování, které přináší lepší kvalitu nanesené vrstvy. Známy jsou i další metody vytváření kovové vrstvy. Materiál, který se při přípravě vodivé propojovací sítě nanáší je hliník, dalším používaným materiálem je slitina hliníku s 1 až 2% křemíku. Obsah křemíku ve slitině snižuje problémy s vytvářením křehkých intermetalických slitin AlSi v místě kontaktu kovu s polovodičem. Dalším z používaných materiálů je slitina hliníku s mědí, omezující náchylnost hliníku k elektromigraci. Pro vysokou hustotu metalizační sítě se v posledním období namísto hliníku používá měď. Na kovovou vrstvu se opět nanese rezist a v procesu přenášení obrazců je kovová vrstva částečně odleptána a ponechána pouze v místech požadovaných pro vytvoření vodivé propojovací sítě a pro kontaktování již hotového čipu integrovaného obvodu. Alternativou k této technice je způsob přípravy vodivé sítě zvaný „lift off“. Při použití „lift off“ metody je nejdříve na oxidovou vrstvu nanesen rezist, který je litograficky zpracován tak, že pokrývá oxidovou vrstvu v místech, na kterých se nemá nacházet vodivá propojovací síť. Po celoplošném nanesení kovové vrstvy je rezist odstraněn vhodným rozpouštědlem a přitom sebou odnáší i část kovové vrstvy. Kovová vrstva zůstává v místech nepokrytých rezistem. Po vytvoření vodivé propojovací sítě je opět celá polovodičová deska pokryta oxidovou, tentokrát pasivační vrstvou, chránící povrch polovodičových součástek. V pasivační vrstvě jsou vyleptány otvory pro kontaktování čipů. 4.4.3.6 Pouzdření Následně po metalizaci jsou polovodičové desky testovány na zařízení pro hrotová měření, kdy měřicí hroty se dotýkají čipů v místech pro kontaktování. Vadné čipy jsou označeny. Následuje rozčlenění desky na jednotlivé čipy pomocí diamantového hrotu nebo diamantové pily. Při klasickém pouzdření jsou dobré čipy spodní stranou vlepeny nebo zapájeny do podložky pouzdra, obr.4.22. Kontaktování čipu k souboru vývodů pouzdra se provádí zlatým vodičem o průměru řádově desítky µm termokompresí nebo hliníkovým vodičem pomocí ultrazvuku.

Obrázek 4.22 Vlepený a kontaktovaný čip v podložce pouzdra Následuje uzavření pouzder, konečné testování hotových integrovaných obvodů a potisk pouzder.


71

4.4.3.7 Problematika výroby integrovaných obvodů Uvedený přehled výrobních operací dává pouze základní představu o problematice výroby integrovaných obvodů. Moderní integrované obvody se vyznačují rostoucí hustotou jednotlivých oblastí na ploše čipu, složitostí obvodů a tím i rostoucí plochou jednotlivých čipů. Pro litografii s využitím krátkovlnného ultrafialového záření (DUV litografie) se v současnosti minimální rozměr realizovaných detailů blíží 0,2 µm, ještě menších rozměrů lze dosáhnout při použití metody rentgenové nebo elektronové litografie. Plocha čipu dosahuje rozměrů kolem 400 mm2. Používaný průměr polovodičových desek 200 mm se má v následujícím období zvětšit dvojnásobně. Neustále roste i počet vrstev vytvářených ve vertikálním směru, včetně materiálů používaných při výrobě těchto vrstev. Složitost obvodů vyžaduje využití vícevrstvé vodivé propojovací sítě. Při výrobě integrovaných obvodů se používají další technologie označované jako CVD – chemické nanášení z par, které může být při atmosférickém tlaku nebo při sníženém tlaku (LP CVD), chemické nanášení při použití plazmy (PE CVD), molekulární svazková epitaxe (MBE) a řada dalších.

72


5 Dielektrické materiály 5.1 Struktura a vlastnosti izolantů 5.1.1

Fyzikální jevy v izolantech

Základní fyzikální jevy v izolantech po vložení do elektrického pole • dielektrická polarizace (pohyb vázaných elektrických nábojů) • elektrická vodivost (pohyb volných elektrických nábojů) • dielektrické ztráty • elektrický výboj A. Odkaz Elektronické texty

„Materiály a technická dokumentace“ Část „Materiály v elektrotechnice“ Kapitoly 5.1 ÷ 5. 5

B. Doplňky I. Dielektrická polarizace Základní vztahy

µi = α El

(5.1)

P = n µi = n α El

(5.2)

n … koncentrace polarizovatelných částic α … polarizovatelnost El … intenzita vnitřního (lokálního) elektrického pole El ≠ E E … intenzita vnějšího (makroskopického) elektrického pole +Q0, -Q0 … volné náboje na deskách kondenzátoru ve vakuu + Qv, -Qv … vázané náboje na hraničních plochách dielektrika

(m-3) (F m2) (V m-1) (V m-1) (C) (C); Q = Q0, + Qv

Q0 = C0 U

(5.3)

D0 = ε 0 E

(5.4)

C = ε ´ C0

(5.5)

D = ε ´ε 0 E = ε ´D0

(5.6)

ε ´=

Q C Q Q0 + Qv = = = 1+ v C0 Q0 Q0 Q0

D = D0 + P = ε 0 E + P

(5.7) (5.8)


73

Obrázek 5.1 Nabíjení vakuového a technického kondenzátoru Lokální (vnitřní, efektivní) elektrické pole • • • •

elektrické pole, bezprostředně působící na polarizovatelnou částici intenzita El > E (pro plyny El E) model Lorentzovy koule lokální elektrické pole působící na molekulu dielektrika (A) El = E + E1 + E2 E… E1…

intenzita elektrického pole, je-li dielektrikem vakuum intenzita elektrického pole, které vytváří polarizované prostředí vně koule následkem vázaného náboje, který na povrchu kulové dutiny vytvoří konce řetězců polarizovaných molekul vně koule

E1 = E2 … E2

(5.9)

P 3ε 0

(5.10)

intenzita elektrického pole od všech polarizovaných molekul uvnitř koule (s výjimkou sledované molekuly A) 0

Poznámka: Neplatí v silně polárních látkách El =

ε ´+2 E 3

(intenzita Mosottiho pole)

(5.11)

74


Obrázek 5.2 Model Lorentzovy koule Clausiova-Mosottiho rovnice

ε ´−1 n α = =p ε ´+2 3ε 0 p…

ε ´= n=

měrná polarizace

(5.12) (-)

1+ 2 p 1− p

(5.13)

N A ρh

(5.14)

M

NA … Avogadrova konstanta M … molekulová hmotnost ρh … hustota (měrná hmotnost) látky

(6,025.1026 kmol-1) (kg kmol-1) (kg m-3)

ε ´−1 M N A α = =π ε ´+2 ρ h 3ε 0 π … •

molární polarizace

(m3 kmol-1)

obecně platí

ε * −1 M N A α = =π ε * + 2 ρh 3ε 0 •

(5.15)

(5.16)

index lomu světla homogenního izotropního prostředí (z Maxwellovy elektromagnetické teorie světla) nD = ε * . µ *

µ* …

komplexní permeabilita

(5.17)

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy nD2 − 1 M N A α = =π nD2 + 2 ρ h 3ε 0

75

(molární refrakce)

(5.18)

Polarizační mechanismy a. Polarizace elektronová • • • •

vyskytuje se u všech dielektrik probíhá beze ztrát,nezávisí na teplotě doba ustavení: 10-16 – 10-14 s elektronová polarizovatelnost: α e = 4πε 0 R 3 R…

• •

poloměr atomu, resp. iontu

synonyma: polarizace deformační, atomová, optická ε∞ … ε´ pro f → ∞ optická permitivita

b. Polarizace iontová • • • •

vyskytuje se u iontových krystalů probíhá beze ztrát, je závislá na teplotě doba ustavení : 10-13 – 10-12 s q2 αi = iontová polarizovatelnost :

ν… •

ν součinitel pružné vazby mezi ionty

synonyma: polarizace infračervená

c. Polarizace dipólová • • •

vyskytuje se u polárních látek je provázena ztrátami energie v dielektriku, je závislá na teplotě a na kmitočtu doba ustavení: 10-12 – 10-8 s u látek nízkomolekulárních; u makromolekulárních látek o mnoho řádů vyšší

•

dipólová polarizovatelnost

•

k… Boltzmannova konstanta synonyma: polarizace dipólová tepelná, orientační

αd =

µ2 3kT

d. Polarisace iontová - relaxační • • • •

vyskytuje se v iontových látkách s netěsným uložením iontů (anorganická skla, keramika) je provázena ztrátami energie v dielektriku, je závislá na teplotě a na kmitočtu doba ustavení: 10-12 – 10-8 s q2 2 l polarizovatelnost iontová-relaxační α ir = 12kT l… vzdálenost vysunutí iontu

II. Elektrická vodivost Model dvojité potenciálové jámy •

Mechanismus pohybu iontů v kapalinách: přeskokový mezi rovnovážnými polohami, oddělenými potenciálovými bariérami - viz model dvojité potenciálové jámy.

76


•

Silná závislost konduktivity kapaliny na teplotě je vyvolána především výraznou teplotní změnou driftové pohyblivosti iontů. Vyjádření µ = F(T) vyplývá z řešení modelu dvojité potenciálové jámy za předpokladu, že působící elektrické pole není příliš silné.

•

Model dvojité potenciálové jámy a matematické vyjádření:

Obrázek 5.3 Model dvojité potenciálové jámy A. V nepřítomnosti elektrického pole: Pravděpodobnosti přeskoku iontu p(A - B) = p(B - A) Koncentrace iontů přemísťujících se v 1 s n0 f 0  W exp  − 6  kT

nAB =

  = nBA 

(5.19)

B. V přítomnosti stejnosměrného elektrického pole v intenzitě E: Pravděpodobnosti přeskoku iontu p´(A - B) > p´(B - A) Koncentrace iontů přemísťujících se v 1 s n´AB =

n0 f 0  W − ∆W  exp  −  kT  6 

(5.20)

n´BA =

n0 f 0  W + ∆W  exp  −  kT  6 

(5.21)

n0

...

6

...

f0

...

∆W … n f0 0 … 6

 W exp  −  kT

koncentrace slabě vázaných iontů (předpoklad - nemění se s teplotou) (m-3) dosazeno za zjednodušujícího předpokladu, že ionty kmitají ve směru os x, y, z kmitočet vlastních tepelných kmitů okolo rovnovážných poloh (~1013 Hz) v místě lokálního minima (Hz) energie elektrostatického pole (= q l E/2) (J) vyjadřuje počet pokusů přeskočit potenciálovou přehradu W (protože f0 krát za 1 s se kmitající iont pohybuje ve směru +x)   … vyjadřuje pravděpodobnost účasti iontu na pohybu ve směru +x 


77

Za předpokladu ∆W << kT a po úpravách je driftová pohyblivost

µ= •

A1  W  exp  −  T  kT 

(5.22)

Teplotní závislost konduktivity je následně

γ=

A2  W  exp  −  T  kT 

Za úvahy:

A2 T

A

 b γ = A exp  −   T

je

(5.23)

W  b =  k  

(5.24)

A, A1, A2, b … materiálové konstanty III. Komplexní permitivita A. Případ: jedna relaxační doba τ (Debyeho teorie) •

matematická formulace

ε * = ε∞ + εs … ε∞ … •

εs − ε∞ 1 + jωτ

(5.25)

statická permitivita (pro f → 0) optická permitivita (pro f → ∞)

grafické vyjádření Coleho – Coleho kruhový diagram se středem na ose ε´

B. Případ: distribuce relaxačních dob τ (s nejpravděpodobnější hodnotou τ0) B.a. Přístup: Debye – Cole-Cole •


ε * = ε∞ +

εs − ε∞ 1 + ( jωτ 0 )1−α

(5.26)

α ∈ 0,1 je činitel, vyjadřující rozložení relaxačních dob. •

grafické vyjádření Coleho – Coleho kruhový diagram se středem pod osou ε´

B.b. Přístup: Cole - Davidson •


ε * = ε∞ +

εs − ε∞ (1 + jωτ 0 ) β

β … distribuční činitel •

grafické vyjádření Coleho – Davidsonův asymetrický diagram

(5.27)

78

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně B.c. Přístup: Havriliak – Negami •


ε * = ε∞ + •

εs − ε∞ 1 + ( jωτ 0 )1−α 

(5.28)

β

grafické vyjádření Havriliakův – Negamiho asymetrický diagram H avrialiakùv -N egam iho diagram pro kauèuk 0,7 0,6 ε´´ ( − )

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

ε´ ( − )

Obrázek 5.4 Závislost ε ´´ = F(ε´) podle Havriliaka a Negamiho Kontrolní otázky 1) Uveďte, event. rozveďte fenomény feroelektrického stavu látky. Co vyjadřuje CurieůvWeissův vztah? 2) Graficky vyjádřete teplotní průběh permitivity titaničitanu barnatého a naznačte vliv působení posouvačů a zplošťovačů. 3) Proveďte analýzu sériové a paralelní náhrady kondenzátoru s technickým dielektrikem. 4) Matematicky a graficky vyjádřete kmitočtovou závislost složek komplexní permitivity. Příklady 1)

Elektronová polarizovatelnost αe atomu argonu je 1,43 . 10-40 F m2. Určete relativní permitivitu argonu při normálních fyzikálních podmínkách. Řešení Claussiova rovnice je dána vztahem ε ´−1 n α = =p ε ´+2 3ε 0 nα Pro plyny (ε´ → 1) lze psát ε ´= 1 + ,

ε0

(5.12) (5.12a)


79

6, 023.1023 = 2, 688.1025 m −3 −3 22, 4.10 (Loschmidtovo číslo), což vyplývá ze skutečnosti, že 1 mol plynu zaujímá za normálních atmosférických podmínek objem 22,414 l. Dosazením do vztahu (5.12a) dostaneme n.α 2, 688.1025.1, 43.10−40 εr = 1+ = 1+ = 1, 000434 ε0 8,854.10−12 kde

2)

n … je koncentrace molekul v 1 m3 plynu n =

Relativní permitivita εrs dielektrika složeného ze dvou vzájemně nereagujících látek o permitivitách ε r1 a ε r2 se často určuje Lichteneckerovým mocninovým vztahem

ε rs k = v1ε r1 k + v2ε r 2 k , v němž v1 a v2 jsou poměrné objemové podíly obou látek a k je empirická konstanta. Hodnota konstanty k se mění v rozsahu < -1; +1 > podle tvaru a rozložení částic obou látek; při chaotickém uspořádání částic k → 0. Ukažte, že v tomto případě přechází mocninový vztah ve vztah logaritmický: log ε rs = v1 log ε r1 + v2 log ε r 2 . Řešení Všechny členy ε rk za podmínek k ≺ ∞, ε r

0 rozvineme v nekonečnou řadu

k .ln ε r k 2 .ln ε r2 + + ... 1! 2! pro k << 1 (k → 0 – dle zadání) jsou třetí a další členy řady zanedbatelně malé; můžeme tedy psát ε rk 1 + k .ln ε r Po dosazení do rovnice (2) dostaneme 1 + k .ln ε r = v1 (1 + k .ln ε r ) + v2 (1 + k .ln ε r ) Po dosazení v1 + v2 = 1 k .ln ε r = v1.k .ln ε r + v2 .k .ln ε r Obě strany rovnice můžeme při splnění podmínky k ≠ 0 dělit konstantou k a dostaneme ln ε r = v1.ln ε r + v2 .ln ε r Protože platí, že ln x = 2,3.log x , lze psát log ε r = v1.log ε r + v2 .log ε r , což jsme měli dokázat.

ε rk = 1 +

3)

Mezi elektrodami deskového kondenzátoru o rozměrech 7 x 12 cm a vzdálenosti elektrod 5 mm je vložena destička z polystyrénu o tloušťce 3 mm. Zbytek prostoru mezi elektrodami je vyplněn vzduchem za normálních atmosférických podmínek. Vypočtěte kapacitu tohoto kondenzátoru, je-li relativní permitivita polystyrenu při teplotě 20 °C rovna 2,3. Jak se změní kapacita kondenzátoru, je-li celý prostor mezi elektrodami vyplněn pěnovým polystyrénem, v němž je objemový podíl polystyrenu a vzduchu stejný jako v prvém případě?

80

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Řešení a) Polystyrénová destička Sériové řazení kondenzátorů - platí 1 1 1 3 1 2 1 k = -1 ⇒ = v1 + v2 = . + . ⇒ ε r = 1,513 εr ε r1 ε r 2 5 2,3 5 1 Tomu odpovídající kapacitu vypočteme ze vztahu S 7.10−2.12.10−2 C = ε 0 .ε r . = 8,854.10−12.1,513. = 22,5.10−12 F = 22, 5 pF −3 h 5.10 b) Pěnový polystyrén Chaotické uspořádání částic jednotlivých složek 3 2 k → 0 platí log ε rs = v1.log ε r1 + v2 .log ε r 2 = log 2,3 + log1 ⇒ ε rs = 1, 649 5 5 Tomu odpovídající kapacita bude S 7.10−2.12.10−2 C = ε 0 .ε rs . = 8,854.10−12.1, 649. = 24,5.10−12 F = 24,5 pF h 5.10−3

4)

Rezistivitu elektroizolačních kapalin ρv lze v závislosti na teplotě vyjádřit vztahem B

ρ = A . eT

v němž A (Ω m) a B (K) jsou materiálové konstanty; teplota T je udána v K. Kabelový impregnant složený z minerálního oleje s přídavkem 25 % (hmotnostních) rafinované kalafuny má při teplotě 20 °C rezistivitu 2 . 1010 Ω m. Stanovte rezistivitu tohoto impregnantu při teplotách 50 °C a 80 °C, je-li součinitel B roven 7 . 103 K. Výsledky

ρv50 = 2,17 . 109 Ωm; 5)

ρv80 = 3,45 . 108 Ωm

Měřením dynamické viskozity transformátorového oleje BTS 2 na Höpplerově viskozimetru byly při několika teplotách zjištěny údaje uvedené v tabulce. Stanovte rezistivitu tohoto oleje při teplotách 50 °C a 85 °C, je-li hodnota rezistivity při teplotě 20 °C rovna 3 . 1011 Ω m. Při výpočtu předpokládejte, že při změně teploty se nemění koncentrace volných iontů v oleji. Tabulka

υ ( °C)

20

40

60

80

100

η (N s m-2)

4,35 . 10-2

1,21 . 10-2

3,95 . 10–3

1,46 . 10-3

6,01 . 10-4

Řešení Výsledky

ρv50 = 4,70 . 1010 Ωm; ρv50 = 8,00 . 109 Ωm; 6)

V obvodu střídavého elektrického proudu je zapojen kondenzátor, jehož dielektrikum vykazuje ztráty. Chování tohoto kondenzátoru lze za předpokladu, že pochody v dielektriku jsou lineární, vyšetřit sledováním ekvivalentního dvouprvkového


81

náhradního zapojení kondenzátoru s ideálním, bezztrátovým dielektrikem a odporu představujícího ztráty. Uvažujte, že kondenzátor s ideálním dielektrikem o kapacitě Cp a odpor Rp jsou v náhradním zapojení spojeny paralelně a že je na uvedenou soustavu připojeno napětí U. Nakreslete pro tento případ fázorový diagram napětí a proudů soustavy a určete ztrátový činitel, celkovou impedanci a celkové ztráty energie v soustavě. Řešení

7) Ve smyslu zadání úlohy č. 6) uvažujte sériové zapojení odporu Rs a kondenzátoru s ideálním dielektrikem Cs. K soustavě obou prvků nechť je přiloženo napětí U. Nakreslete fázorový diagram napětí a proudů soustavy, určete ztrátový činitel, celkovou impedanci a celkové ztráty energie v soustavě. Řešení

8) Vyjděte z výsledků řešení úloh č. 7) a 8) stanovte za předpokladu ekvivalence sériového a paralelního náhradního zapojení prvků R, C vztah mezi kapacitami Cp a Cs a mezi odpory Rp a Rs obou náhradních obvodů. Řešení Paralelní a sériový náhradní obvod dielektrika musí být ekvivalentní. Musí platit ∧

∧

Z p = Zs

a

tgδ p = tgδ s Pzp = Pzs

Po dosazení podle výsledků příkladů 5) a 6) dostáváme R p (1 − jω C p R p ) 1 1 = Rs − j a = ω Cs Rs 2 2 2 ω Cs 1 + ω C p Rp ωC p Rp

82

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně U 2 U 2ω 2Cs2 Rs = R p 1 + ω 2Cs2 Rs2 Řešení vycházející z rovnosti impedancí obou náhradních obvodů: Porovnáním reálných částí Rp = Rs 1 + ω 2C p2 R p2 Zavedením

1 1 = 2 dostaneme ω C p R p tg δ

Rp tg 2δ = Rs ⇒ Rs = R p 1 1 + tg 2δ 1+ 2 tg δ Porovnáním imaginárních částí ω C p R p2 1 = 2 2 2 1 + ω C p R p ω Cs 1 Cs 2 2 tg 2δ C p ω C p R p Cs =1⇒ = 1 ⇒ Cs = C p (1 + tg 2δ ) 1 1 1+ 2 1+ 2 tg δ tg δ 9) Určete ztrátový činitel vzduchu za normálních fyzikálních podmínek a při kmitočtu 50 Hz, má-li rozhodující vliv na velikost ztrát elektrická vodivost vzduchu. Relativní permitivita vzduchu je za normálních fyzikálních podmínek rovna 1,000584, rezistivita je za stejných podmínek 1016 Ω m. Řešení tg δ =

1 1 1 = = S h 2π f .ε 0ε r .ρ ω CR 2π f .ε ε .ρ 0 r h S

Výsledek tg δ = 3,59 . 10-8 10) Komplexní permitivita ε* dielektrika je definována vztahem ε* = ε´ - jε´´. V závislosti na kmitočtu lze podle Debyeho vyjádřit komplexní permitivitu rovnic

ε * = ε∞ +

εs − ε∞ , 1 + jωτ

v níž εs značí relativní (statickou) permitivitu dielektrika určenou při kmitočtu f → 0, ε∞ relativní (optickou) permitivitu určenou při velmi vysokých kmitočtech; τ je relaxační doba, která je mimo jiné i funkcí teploty. Vyjděte z obou uvedených vztahů a určete reálnou část ε´ a imaginární část ε´´ komplexní permitivity. Řešení Rozdělením rovnice (5) na reálnou a imaginární složku dostaneme


83

εs − ε∞ ε − ε 1 − jωτ ε −ε ωτ (ε s − ε ∞ ) = ε∞ + s ∞ . = ε ∞ + s 2 ∞2 − j . 1 + jωτ 1 + jωτ 1 − jωτ 1+ ω τ 1 + ω 2τ 2 Srovnáním s rovnicí ε* = ε´ - jε´´ dostáváme ε −ε ε + ε ω 2τ 2 ε ´= ε ∞ + s 2 ∞2 = s ∞ 2 2 a 1+ ω τ 1+ ω τ ωτ (ε s − ε ∞ ) ε ´´= 1 + ω 2τ 2 ε * = ε∞ +

11) Ztrátový činitel tgδ dielektrika je ve vztahu k oběma složkám komplexní permitivity definován poměrem její imaginární části ε´´ k reálné části ε´. Stanovte ztrátový činitel tgδ jako funkci tgδ = F(ω)υ=konst.. Vypočtěte, při jakém kmitočtu dosáhne imaginární část komplexní permitivity svojí maximální hodnoty? Vypočtěte, při jakém kmitočtu dosáhne ztrátový činitel svojí maximální hodnoty? Řešení Určení ztrátového činitele v závislosti na kmitočtu vychází z definičního vztahu ε ´´ tg δ = . ε´ Po dosazení za reálnou a imaginární složku z příkladu 10) dostáváme ωτ (ε s − ε ∞ ) tg δ = . ε s + ε ∞ω 2τ 2 Extrém funkce stanovíme pomocí první derivace funkce 2 2 2 d tg δ τ (ε s − ε ∞ ) ( ε s + ε ∞ω τ ) − ωτ (ε s − ε ∞ )2ε ∞ωτ = 2 dω (ε s + ε ∞ω 2τ 2 ) První derivaci funkce položíme rovnu nule. Zlomek bude roven nule, bude-li čitatel roven nule. Dostaneme τ (ε s − ε ∞ ) (ε s + ε ∞ω 2τ 2 ) − ωτ (ε s − ε ∞ )2ε ∞ωτ 2 = 0 ⇒

τ (ε s − ε ∞ ) (ε s + ε ∞ω 2τ 2 − 2ε ∞ω 2τ 2 ) = 0

τ ≠ 0, (ε s − ε ∞ ) ≠ 0 a ( ε s + ε ∞ω 2τ 2 − 2ε ∞ω 2τ 2 ) = 0 ⇒ ε s − ε ∞ω 2τ 2 = 0 ⇒ ω = ±

1 εs

τ ε∞ Zda se jedná o maximum nebo minimum funkce, rozhodneme z druhé derivace funkce. d 2tg δ Bude-li ≺ 0 , jedná se o maximální hodnotu funkce, v opačném případě jde o její dω 2 minimum. Maximální hodnota funkce tg δ je dána vztahem 1 εs .τ ( ε s − ε ∞ ) τ ε∞ εs εs − ε∞ tg δ max = = . 1 εs 2 2ε s ε ∞ εs + ε∞ 2 τ τ ε∞ Obdobně stanovíme kruhový kmitočet odpovídající extrému funkce vyjadřující kmitočtovou závislost imaginární složky komplexní permitivity.

84

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Výsledek 1 ω =± ;

τ

ε ´´max =

ε s − ε max 2

12) Vyjděte ze zadání příkladu 10) a dokažte, že geometrickým místem koncových bodů ε −ε vektoru komplexní permitivity je kružnice o poloměru R = s ∞ , jejíž střed má 2 ε +ε  souřadnice S  s ∞ ;0  .  2  Řešení Vyloučením součinu ωτ ze vztahů pro reálnou a imaginární složku komplexní permitivity  ε s + ε ∞ω 2τ 2 ωτ (ε s − ε ∞ )  ε ´ = ; ε ´´=   dostaneme 2 2 1+ ω τ 1 + ω 2τ 2  

ε ´´2 = ( ε s − ε ´)( ε ´−ε ∞ ) . Úpravou tohoto vztahu získáme výslednou rovnici kružnice 2

2

  ε s + ε ∞   εs − ε∞  2 ε ´−  2   + ε ´´ =  2  .      5.1.2

Zvláštní polarizační jevy

A. Zvláštní polarizační jevy • • •

Elektrostrikce Pyroelektrický jev Piezoelektrický jev

A.1 Elektrostrikce •

Elektrostrikce - mechanické deformace, tj. změny geometrických rozměrů dielektrického tělesa následkem polarizace. Působí-li elektrické pole na jakékoli dielektrikum, dochází k jeho deformaci tím, že se polarizací v jeho molekulách indukují elektrické dipóly, které se ve směru působení pole vzájemně elektrostaticky přitahují a tím se přibližují. Tomuto přibližování brání síly pružnosti materiálu, takže přitahování molekul ustane v okamžiku, jakmile nastane rovnováha mezi oběma silami - elektrostatickými a pružnostními.

A.2 Pyroelektrický jev •

Pyroelektrický jev se vyskytuje u všech přirozených krystalických elektretů, tj. u některých krystalů bez středové souměrnosti, spontánně polarizovaných , takže na jejich koncových povrchových plochách jsou permanentní vázané náboje. Pyroelektrický jev spočívá v tom, že zahřátím nebo ochlazením krystalu se změní vzdálenost mezi atomy a tím se změní polarizace uvnitř krystalu. To se projeví tím, že se změní polarita obou konců krystalu; byl-li v chladném stavu jeden konec krystalu nabit kladně a druhý záporně, je tomu po zahřátí naopak.

•

Následkem vázaných elektrických nábojů by měl být krystal trvale elektricky nabit. To se však v normálním stavu neprojevuje, poněvadž na povrchu krystalu je vlhkost a nečistoty, jimiž je náboj neutralizován. Teprve zahřátím nebo ochlazením krystalu se


85

tento rovnovážný stav nábojů poruší a na obou koncích krystalu se objeví příslušné náboje. Pyroelektriky jsou všechny látky se spontánní polarizací. A.3 Piezoelektrický jev •

Piezoelektrický jev spočívá v schopnosti některých krystalických dielektrik, že se mechanickou deformací (namáháním tlakem, tahem, ohybem nebo kroucením) elektricky polarizují, čímž na jejich povrchu vzniknou elektrické náboje. Tento jev tzv. přímý piezoelektrický jev, provázený vznikem piezoelektřiny - se vyskytuje jen v krystalech s anizotropními vlastnostmi, které nemají střed souměrnosti (jsou středově nesouměrné, acentrické). Takové látky se nazývají piezoelektriky (křemen, turmalín, boritokřemičitan Al-Mg-Ca a četné látky keramické.

•

Piezoelektřinou se nazývá i tzv. obrácený (reciproký) piezoelektrický jev - tj. schopnost deformace (změny rozměrů nebo tvaru krystalu) působením vnějšího elektrického pole (E), přičemž tato změna rozměrů je intenzitě elektrického pole přímo úměrná.

•

Poněvadž se tento jev často chybně zaměňuje s elektrostrikcí, je třeba uvést rozdíly mezi oběma jevy: elektrostrikce se vyskytuje u všech dielektrik bez výjimky, tedy i u těch, která nejsou piezoelektriky; elektrostrikce je úměrná energii elektrického pole, akumulované v krystalu; je tedy elektrostrikce úměrná E2 a nikoli E jako jev piezoelektrický.

•

Piezoelektrické vlastnosti mají všechny látky feroelektrické; existuje však mnoho piezoelektrických látek, které nejsou feroelektriky.

B. Látky s nenulovou polarizací bez současné přítomnosti vnějšího pole • • • •

Elektrety Piezoelektrika Pyroelektrika Feroelektrika

B.1 Elektrety •

Polarizace je u nich sice vyvolána předchozím dlouhodobě existuje i po jeho vypnutí.

•

Elektretem se nazývá dielektrické těleso, které je schopno po předchozí polarizaci vytvářet ve svém okolí po dlouhou dobu elektrické pole.

•

Elektretový stav je možno vyvolat celou řadou způsobů, podle nichž se elektrety rozdělují na:

působením vnějšího pole, ale

a) termoelektrety polarizace v elektrickém poli za současného ochlazení z vyšší teploty b) fotoelektrety polarizace v elektrickém poli za současného osvětlení (dielektrika vyznačující se fotovodivostí) c) elektroelektrety polarizace v elektrickém poli za pokojové teploty d) magnetoelektrety

86

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně ochlazení roztavené látky v silném magnetickém poli e) pseudoelektrety vytvoření prostorového náboje v dielektriku orientovaným ozářením β - nebo -γ paprsky f) chemoelektrety polarizace aktivací iontů ve vodivých kapalinách •

Klasifikace elektretů podle druhu nosičů nábojů I.

Dipólové elektrety Elektretový jev je vyvolán uspořádáním dipólů dielektrika nebo dipólů příměsí (plastifikátory, vulkanizátory). Dipóly se uspořádají zahřátím na teplotu tání v elektrickém poli a ochlazením za stálého působení pole o intenzitě cca 106 V m-1. Tyto elektrety patří do kategorie termoelektretů.

II.

Elektrety s vnitřním prostorovým nábojem Elektretový jev je vyvolán různými nosiči náboje, jako jsou ionty nečistot, ionty vody, cizími mikroskopickými částicemi s nábojem, mikrokrystaly s piezoelektrickými nebo pyroelektrickými vlastnostmi. Při zahřátí dielektrika klesne viskozita matrice natolik, že se nabité částice zorientují a začnou putovat k přiloženým elektrodám. Po ochlazení stoupne viskozita matrice natolik, že je zabráněno zpětné migraci nosičů prostorového náboje. V tomto případě nemusí mít dielektrikum elektricky aktivní molekuly. Tento druh elektretů patří rovněž do skupiny termoelektretů.

III.

Elektrety s injektovanými náboji Elektretový jev je vyvolán ionty, které se do dielektrika dostanou z okolního prostředí působením elektrod přiložených za studena k dielektriku. Jde o ionty pocházející ze vzduchu nebo ionty předané přímo elektrodám. Někdy se provádí aktivace ve vodivých kapalinách (roztok NaOH, HCl, etylalkohol), které jsou vydatnými zdroji iontů. Tento druh elektretů patří do skupiny chemoelektretů.

IV. Elektrety s deponovanými náboji Elektretový jev je vyvolán cizími ionty nebo elektrony, které se do dielektrika dostanou plazmatickým výbojem na vzduchu nebo elektronovým bombardováním ve vakuu. Volí se taková rychlost nábojů, aby zůstaly v maximálním množství zachyceny v dielektriku. Obvykle se volí energie elektronů v rozmezí 10 až 50 keV. •

Elektrety s vlastními nosiči nábojů (dipólové elektrety a elektrety s vnitřním prostorovým nábojem) mají menší stabilitu v závislosti na čase a na teplotě než elektrety s deponovanými náboji.

B.2 Piezoelektrika •

Polarizace je u nich vyvolána působením vnějších mechanických sil. Piezoelektřina může existovat pouze na krystalech. Z celkového počtu 32 krystalografických tříd se piezoelektrický jev vyskytuje ve 20 třídách. Jsou to všechno třídy bez středu symetrie.


87

B.3 Pyroelektrika B.4 Feroelektrika •

Feroelektrikum je látkou spontánně polarizovanou, jejíž polarizaci lze otočit přiloženým elektrickým polem. Obrácení směru vektoru spontánní polarizace se nazývají přepolarizací.

•

Z hlediska krystalové struktury se feroelektrika vyznačují tzv. pseudosymetrií. Pseudosymetrická struktura je charakterizována tím, že její mřížkové parametry se jen velmi málo liší od mřížkových parametrů struktury s vyšší symetrií. Tak např. u tetragonální symetrie platí pro délky krystalových os a b c. Vyšší symetrií je krychlová, pro niž platí a = b = c. Feroelektrický titaničitan barnatý BaTiO3 krystalizuje při normální teplotě v symetrii tetragonální, u níž poměr délek os c : a = 1,01. Liší se od jedničky tedy pouze o 1%, tudíž nepatrně od symetrie krychlové (kubické). Proto se BaTiO3 označuje jako tetragonální pseudokubický.

•

Se základní charakteristikou feroelektrik, tj. s možností otočení směru spontánní polarizace, úzce souvisí tyto charakteristické fenomény feroelektrického stavu: hysterezní smyčka, teplotní interval existence feroelektrického stavu, který je shora omezen tzv. Curieho teplotou, závislost materiálových veličin na intenzitě elektrického pole, vysoká hodnota permitivity a její charakteristický teplotní průběh s maximem v Curieho bodu, doménová struktura, piezoelektrický jev.

•

Feroelektrické látky se často označují jako látky seignettoelektrické. Název je odvozen od Seignettovy soli (vinan sodnodraselný), na níž byly feroelektrické vlastnosti poprvé zjištěny.

•

U pyroelektrik a feroelektrik existuje polarizace samovolně, spontánně bez jakéhokoli předchozího vnějšího působení a nazývá se proto polarisací spontánní. Může existovat pouze na krystalech, a to jenom u 10 ze 32 krystalografických tříd. Všechny tyto třídy jsou obsaženy ve dvaceti třídách, u nichž se vyskytuje piezoelektřina. Vyznačují se tzv. polární osou. Polární osa neotočí svůj směr při žádné z příslušných operací symetrie. Z uvedené skutečnosti vyplývá, že všechna pyroelektrika a feroelektrika jsou vždy současně i piezoelektriky.

•

Rozdíl mezi pyroelektriky a feroelektriky spočívá v tom, že u feroelektrik lze vektor spontánní polarizace otočit přiložením vnějšího elektrického pole, u pyroelektrik nikoliv. Tento rozdíl lze však pokládat za víceméně formální, protože lze předpokládat, že i u pyroelektrik by bylo možné obrátit vektor spontánní polarizace dostatečně vysokým polem, jehož hodnota je však větší, než elektrická pevnost tuhé látky. Dříve než k přepolarizaci, dojde k elektrickému průrazu.

•

U pyroelektrik i feroelektrik existuje tedy spontánní polarizace. Její velikost se však u obou skupin výrazně liší. U feroelektrik má hodnotu řádově 100 až 102 µC cm-2, u pyroelektrik naproti tomu jen 10-2 µC cm-2, tedy podstatně menší. Tak malé hodnoty se experimentálně velmi obtížně zjišťují, protože elektrostatické pole buzené polarizačním nábojem přitahuje volné náboje vždy přítomné v látce samé i v okolním prostředí, které spontánní polarizaci kompenzují. V praxi je proto u pyroelektrik možné měřit pouze změny spontánní polarizace, dříve než dojde ke kompenzaci. Tyto

88

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně změny spontánní polarizace se nejsnáze dosáhnou změnou teploty; takto byly také objeveny a odtud pochází název pyroelektřina.

5.1.3

Struktura křemičitanů

Struktura křemičitanů •

základ struktury: kostra Si-O iontů s velmi pevnými vazbami

•

vazba Si-O je polární (částečně kovalentní, částečně iontová; kovalentní dipólová); poněvadž iontové vazby rozhodují o vlastnostech a chování krystalů, počítají se křemičitany (silikáty) v prvém přiblížení k iontovým krystalům

•

kyslík …

Z=8

K – 2,

L- 6

k nasycení (vytvoření oktetu) chybí dva elektrony, aby vznikl aniont O2křemík … Z = 14

K – 2,

L – 8,

M–4

může tvořit čtyři vazby: Si předá svoje valenční elektrony čtyřem sousedním atomům O a získá tak konfiguraci oktetu •

ionty kyslíku jsou poměrně velké v porovnání s ionty křemíku ; protože síla vazby Si-O je velká, rozloží se ionty kyslíku ve vrcholech pravidelného čtyřstěnu (tetraedru), takže tím malý iont Si4+ zcela obklopí

•

tvorba tetraedrů – základní stavební princip pro všechny krystalické křemičitany [ SiO4]

•

tetraedr [ SiO4] není valenčně nasycen; k nasycení chybí každému iontu kyslíku ještě jeden elektron, aby vznikl aniont O2-; tento chybějící elektron mu může dodat buď atom kovu, s nímž kyslík vytvoří iontovou vazbu nebo k nasycení dojde tím, že iont kyslíku vytvoří vazbu s dalším iontem křemíku; ve druhém případě je O2- společně sdílen dvěma ionty křemíku (můstkový, nemůstkový kyslík)

•

rozmanité tvary spojení [ SiO4] - různá seskupení tetraedrů; o typu spojení tetraedrů rozhoduje poměr O : Si ⇒ podle toho různé struktury silikátů.

Struktury křemičitanů (silikátů) 1. Struktura ostrůvková samostatné tetraedry nebo dvojtetraedry forsterit Mg2[ SiO4], olivín (Mg, Fe)2[ SiO4], zirkon Zr[ SiO4] 2. Struktura skupinová kruhově uspořádané tetraedry – trojčlenný, čtyřčlenný nebo šestičlenný kruh 3. Struktura řetězová nekonečné řetězy tetraedrů pyroxeny – minerály zastoupené ve vyvřelých horninách, jako enstatit Mg2[ Si2O6], spodumen LiAl[ Si2O6], β-wollastonit Ca2[ Si2O6] 4. Struktura pásová nekonečný dvojitý řetěz aniontů [ Si2O6]4minerály skupiny amfibolů – amfibolové azbesty


89

5. Struktura plošná nekonečná dvojrozměrná vrstva tetraedrů [ SiO4] slída, jílové minerály typu kaolinit, vermikulit; mastek 6. Struktura prostorová souvislá trojrozměrná síť - mříž různé modifikace SiO2, živce, zeolity – použití jako iontoměničů 1. Struktury ostrůvkové

2. Struktury skupinové

Obrázek 5.5 Ostrůvkové a skupinové struktury křemičitanů Kontrolní otázky 1) Uveďte pozitiva a negativa anorganických izolantů. Jak se zpravidla klasifikují anorganické izolanty? 2) Uveďte charakteristické vlastnosti amorfních, krystalických a keramických látek. 3) Uveďte a graficky vyjádřete známé typy struktur silikátů. Co je základem těchto struktur a jaké chemické vazby se v nich vyskytují? Příklady 1) Základní strukturní jednotkou křemičitanů je pravidelný čtyřstěn (SiO4), v němž atom křemíku zaujímá centrální polohu. Stanovte objem čtyřstěnu, polohu atomu křemíku a vzdálenost (Si - O) za předpokladu, že délka hrany čtyřstěnu je a. Jaká bude číselná hodnota délky hrany, uvažuje-li se vzdálenost (Si - O) rovná 162 . 10-12 m? 2) Stanovte podíly jednotlivých složek minerálů MgO . Al2O3 2MgO . SiO2 2SiO2 . 3Al2O3

spinel forsterit mullit

90

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně CaO . Al2O3 . 2SiO2 BaO . Al2O3 . 2SiO2 2MgO . Al2O3 . 5SiO2

anortit celsian kordierit

v molárních a hmotnostních procentech. Potřebné údaje o poměrných atomových hmotnostech převezměte z chemických a fyzikálních tabulek. Řešení Stanovíme počty molů jednotlivých složek. x Molární procento i-té složky X i = i .100 ∑ xi

(%) ,

i

kde

xi

je počet molů i-té složky.

Hmotnostní procento i-té složky

Gi =

X i .Gi .100 ∑ ( X i .Gi )

(%) ,

i

kde

Mi

je molekulová hmotnost i-té složky.

Výsledky Xi (%) MgO CaO BaO 50,00 66,67 25,00 -

minerál MgO . Al2O3 2MgO . SiO2 2SiO2 . 3Al2O3 CaO . Al2O3 . 2SiO2

SiO2 33,33 40,00 50,00

BaO . Al2O3 . 2SiO2 2MgO . Al2O3 . 5SiO2

50,00 25,00 55,56 22,22 22,22

5.1.4

Al2O3 50,00 60,00 25,00

-

SiO2 42,70 28,21 43,19

Al2O3 71,67 71,19 36,65

Gi (%) MgO CaO BaO 28,33 57,30 20,16 -

25,00 32,00 27,16 51,36 34,86 13,78

-

Struktura a vlastnosti makromolekulárních látek

Makromolekulární látky •

Makromolekulární (vysokomolekulární) látky – chemické sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností, zpravidla vyšší než 5 000, většinou v rozsahu 104 – 107.

•

Základní klasifikace

1. Anorganické makromolekulární sloučeniny (polymerní oxid křemičitý [SiO2]n nebo hlinitý [Al2O3]n; řada vysokomolekulárních křemičitanů, rozšířených převážně v zemské kůře) 2. Organické makromolekulární sloučeniny 2.1 Přírodní (celuloza, škrob, bílkoviny, přírodní kaučuk) 2.2 Syntetické (plasty) •

Výstavba a struktura organických makromolekulárních látek Zatímco nízkomolekulární látky vznikají slučováním jednoduchých látek, je syntéza makromolekulárních látek založena na polyreakcích nenasycených nebo cyklických sloučenin. Podmínkou reakcí je, aby výchozí látka (monomer) byla alespoň bifunkční. Základními chemickými reakcemi jsou polymerace, polykondenzace a polyadice. Polyadiční reakce jsou méně časté; kromě toho bývají někdy nesprávně zařazovány k reakcím polykondenzačním.

40,84 -


91

Makromolekuly jsou složeny z velkého počtu základních stavebních jednotek. Počet těchto jednotek v makromolekule udává tzv. polymerační stupeň makromolekuly. Průměrný polymerační stupeň je řádově 102 – 104. Příznačná je polydisperznost – jednotlivé molekuly makromolekulární látky jsou různě velké. •

Na vlastnosti makromolekulární látky má významný vliv chemické složení, molekulová hmotnost, tvar a struktura makromolekuly. Podle tvaru a uspořádání makromolekuly se rozlišují látky s lineární, s lineární a následně zesíťovanou a s prostorovou strukturou.

Typy makromolekul •

Lineární makromolekuly vznikají postupným připojováním výchozí nízkomolekulární látky v jednom směru. Makromolekuly tvoří v podstatě dlouhý řetězec, délky řádově 10-7 m. Kratším úsekem řetězců se segment (obsahuje 10 – 20 atomů základního řetězce). Ten je kineticky samostatný a koná tepelné pohyby jako molekuly látek nízkomolekulárních. Určitá volnost pohybu úseků řetězové molekuly má svůj důsledek v ohebnosti lineárních makromolekul. Naproti tomu vnitřní otáčivost kolem kovalentních vazeb není volná, neboť ji omezují vztahy k sousedním atomům nebo skupinám atomů. Ohebnost molekul závisí tedy na interakci. V reálných makromolekulárních látkách nejsou lineární řetězce rovné, ale různě zkroucené, svinuté či vzájemně propletené. Některé řetězce jsou navíc rozvětvené, což je nejčastěji vyvoláno tím, že některá základní molekula je trifunkční. Pohyblivost rozvětvených řetězců je pochopitelně menší než u lineárních. Lineární makromolekulární látky tvoří podstatu termoplastů, které jsou rozpustné a tavitelné.

•

V lineárních řetězcích, které obsahují asymetrický uhlík, mohou vznikat podle podmínek polymerace různé stereospecifické polymery. Jsou-li atomy, resp. skupiny atomů stejného druhu ( R ) vázány vždy na téže straně lineárního řetězce, tvoří se izotaktický polymer, H H H H ‫׀‬ ‫׀ ׀‬ ‫׀‬ - C - C - C - C ‫׀‬ ‫׀ ׀‬ ‫׀‬ H R H R při pravidelném střídavém rozmístění – syndiotaktický polymer, H H H R ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ - C - C - C - C ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ H R H H a při nepravidelném rozmístění – ataktický polymer. Polymery s pravidelným prostorovým uspořádáním mají výhodnější fyzikální a chemické vlastnosti než ataktické.

•

Zesíťované makromolekuly vznikají propojením lineárních řetězců příčnými vazbami. Děj se nazývá zesíťováním nebo vulkanizací. Nejznámější je vulkanizace kaučuku sírou, kdy dochází k vytvoření můstků složených z atomů síry, které spojují navzájem jednotlivé lineární řetězce. Dalšími vulkanizačními činidly jsou peroxidy, speciální epoxidové nebo formaldehydové pryskyřice.

92

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Výhodou dodatečného zesíťování lineárních molekul je možnost řízení hustoty zesíťování a tím i ovlivňování vlastností vznikajících produktů. Při slabém zesítění se charakteristické vlastnosti příliš neliší od látek s lineární strukturou, až na to, že látky jsou nerozpustné a netavitelné. Při silném zesíťování nabývají látky vlastností látek s prostorovými molekulami.

•

Prostorové makromolekuly vznikají narůstáním molekuly do prostoru ve všech směrech. Mohou vznikat z výchozích látek, které mají tři tzv. funkční (reaktivní) skupiny, schopné tvořit chemické vazby. Důsledkem je velká pevnost makromolekuly, malá rozpustnost a netavitelnost.

Vazební síly •

V makromolekulárních látkách působí síly přitažlivé a odpudivé. Důsledkem jejich působení je konkrétní vzdálenost atomů nebo částí molekul. O vlastnostech makromolekulárních látek rozhodují primární (hlavní) vazební síly sekundární (vedlejší) vazební síly.

•

Primární (hlavní) je kovalentní vazba. Nasycená primární kovalentní vazba poutá atomy v molekule. Její energie je při pokojové teplotě 200 – 800 kJ mol-1 při vzdálenosti (0,75 – 3).10-10 m. Jde o poměrně pevnou vazbu.

•

Sekundární (vedlejší) jsou van der Waalsovy síly (disperzní, orientačně-dipólové, indukční), resp. vazba vodíkovým můstkem. Působí jen na nepatrnou vzdálenost. Energie vazby je 2 – 40 kJ . mol-1 při vzdálenosti (3 – 10) . 10-10 m.

Krystalická a amorfní fáze •

Rentgenograficky se zjistilo, že látky s lineární strukturou mohou existovat v orientovaném i v neorientovaném stavu. Tomu v polymeru odpovídá krystalický a amorfní podíl. Krystalické oblasti polymeru se označují jako krystality. Jsou to zóny, v nichž jsou polymerní molekuly uspořádány v určitém pořádku ve třech prostorových směrech. Od pravých krystalů se liší tím, že nemají formu charakterizovanou ostrými hranami krystalu. Krystalický podíl ovlivňuje mechanickou pevnost látky. Pro strukturu je příznačné, že řetězce lineárních makromolekul jsou statisticky neuspořádané. Příčinami amorfního stavu jsou prostorové zábrany, které omezují sklon ke krystalizaci tím, že při polymeraci vznikají nepravidelnosti makromolekul různým vzájemným uspořádáním monomerních molekul, neuspořádaný růst řetězců, složité boční skupiny nebo atomy o velkém poloměru, které se v řetězci opakují v nestejných vzdálenostech.

•

V řadě polymerů se vyskytuje částečně krystalická struktura s jistými podíly amorfní a krystalické fáze. Krystalický podíl propůjčuje látce velkou mechanickou pevnost, tvrdost, odolnost proti rozpouštědlům a chemickým činitelům. Amorfní oblasti zajišťují látce pružnost, houževnatost, odolnost proti nárazu, ohebnost, lepší tekutost za zpracovatelských teplot.

Poznámka: Amorfní a chemicky. •

krystalické

oblasti

Stupeň krystalinity lze ovlivnit třemi činiteli:

nelze

od

sebe

oddělit

fyzikálně

ani


93

1. dobou krystalizace – dlouhodobým zahříváním pod oblastí tavení krystalitů se stupeň krystalinity zvětšuje; 2. teplotou – rychlým ochlazením polymeru zahřátého nad oblast tavení krystalitů se získá čistě amorfní látka; 3. mechanickým namáháním (protažením) polymeru, zahřátého pod oblast tavení krystalitů, přičemž vzniká tzv. orientovaná struktura. Klasifikace organických makromolekulárních látek A. Klasifikace podle chování při zahřívání 1. Termoplasty •

Působením tepla měknou a ochlazením opět tuhnou. Vlastnosti se při zahřívání mění vratně (PE, PVC, PMMA, PS, PA).

•

K termoplastům patří převážně látky vzniklé polymerací.

2. Reaktoplasty •

Působením tepla se chemickou reakcí vytvrzují a přecházejí nevratně do netavitelného a nerozpustného stavu (PF, trojrozměrné PUR).

•

Do této skupiny patří většinou makromolekulární látky vzniklé polykondenzací.

B. Klasifikace podle výchozích surovin 1. Látky vznikající zušlechtěním z přírodních makromolekulárních látek (estery, celulosy – CA, CN). 2. Látky vyráběné synteticky z jednoduchých nízkomolekulárních sloučenin (PE, PVC, PMMA, PF, SI). C. Klasifikace podle technických vlastností 1. Elastomery •

Vykazují velkou pružnost v širokých mezích protažení (PIB, BR).

2. Plastomery •

Termoplasty, reaktoplasty

D. Klasifikace podle chemické struktury hlavního řetězce 1. Látky, v nichž se základní řetězec skládá ze stejných atomů – C – C – C – C – nebo aromatických kruhů (přírodní kaučuk – makromolekulární uhlíkové sloučeniny nasycené, nenasycené a aromatické) 2. Látky, u nichž se základní řetězec skládá ze dvou nebo většího počtu různých atomů – polymery s heterogenním řetězcem (bílkoviny, celuloza; PA, PUR, PES, MF, UF) karboxyplasty karbazoplasty karbothioplasty silikony

-C–O- C – N -, příp. - C – N – O - C – S -, příp. - C – S – O - Si – O -

E. Klasifikace podle druhu chemických reakcí, kterými vznikly 1. Polykondenzáty 2. Polymery

94

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 3. Polyadukty 4. Modifikované plasty získané • • •

mechanickým hnětením s jinými plasty (rázuvzdorný PS a PVC) roubováním ozařováním paprsky γ

Procesy přípravy organických makromolekulárních látek Polyadice •

Reakce, při níž vzniká makromolekulární produkt adicí výchozích látek, které mají vhodné funkční skupiny, při čemž nevzniká vedlejší nízkomolekulární sloučenina. Příkladem je vznik PUR z diizokyanátů a glykolů.

•

Složení konečného produktu se při polyadici neliší od výchozí směsi.

•

Polyadiční reakce se podobají polymeračním v tom, že při nich rovněž nevzniká nízkomolekulární látka; jinak se tyto reakce více podobají polykondenzačním.

Polykondenzace •

Reakce, při níž reagují molekuly jedné nebo několika různých nízkomolekulárních látek a vytvářejí makromolekulární produkt. Zároveň vznikají vedlejší jednoduché sloučeniny (voda, halogenvodíky). Podle počtu funkčních skupin výchozích látek mohou vznikat polykondenzační produkty buď se strukturou lineární nebo prostorovou: dvě funkční skupiny – látky s lineární strukturou (PA typu Nylon) tři funkční skupiny

– látky s prostorovou strukturou (PF).

•

Při polykondenzaci se chemické složení konečného produktu liší od výchozích látek.

•

K nejdůležitějším polykondenzačním reakcím patří polyesterifikace, tj. kondenzace dikarbonových kyselin a glykolů, polyamidace, tj. kondenzace dikarbonových kyselin s diaminy, kondenzace formaldehydu s fenoly a s aminy, vznik polykarbonátů – kondenzací dianů (skupiny dihydroxysloučenin) s fosgenem, vznik epoxidových pryskyřic – kondenzací epichlorhydrinu s diany.

•

Hlavními činiteli, které mají vliv na konečný polykondenzační produkt, jsou: chemické složení a struktura výchozích látek, reakční podmínky (teplota), poměr výchozích složek, přítomnost a druh katalyzátorů a způsob odstraňování vedlejších zplodin.

•

Podle technologie výroby polykondenzačních produktů lze uskutečnit a) polykondenzaci v tavenině (v tom případě, kdy výchozí látky jsou stálé při bodu tání; uskutečňuje se při 200 – 300 °C v inertní atmosféře s dokončením ve vakuu, aby bylo možno odstranit vznikající nízkomolekulární látku) b) polykondenzaci v roztoku (lze ji uskutečnit při nízkých teplotách, ale používá se zřídka) c) polykondenzaci na mezifázovém rozhraní


95

(podstata – výchozí látky se rozpustí v navzájem nemísitelných rozpouštědlech, takže se polykondenzát může tvořit jen na mezifázovém rozhraní). •

Průběh polykondenzace se podstatně odlišuje od polymerace. Při polykondenzaci narůstají makromolekuly postupně, tj. postupně narůstá molekulová hmotnost. U polymerace jde o řetězovou reakci, molekulová hmotnost narůstá lavinovitě. Polykondenzace je reakce probíhající jen do určitého stavu rovnováhy mezi látkami, které do reakce vstupují a z ní vystupují. Při dosažení rovnováhy se reakce přeruší a růst řetězce se zastaví.

Polymerace •

Reakce, při níž spojováním molekul vzniká polymerní produkt, který má stejné chemické složení jako monomer. Jde o řetězovou reakci, typickou pro sloučeniny, obsahující násobné vazby. Průběh polymerace lze rozdělit do jednotlivých dílčích reakcí: 1. vznik řetězce – iniciace 2. růst řetězce – propagace 3. ukončení růstu řetězce – terminace.

•

Iniciace řetězce znamená otevření násobné vazby; iniciace může být vyvolána přítomností radikálů (polymerace radikálová) nebo iontů (polymerace iontová). Radikály mohou vznikat buď přímo z monomeru nebo jako radikály vystupují látky, které se k monomeru přidávají (chemická iniciace). Vznik radikálů z monomerů se uskutečňuje buď působením tepla (termická polymerace) nebo působením světla (fotochemická polymerace) nebo ozářením o dostatečně vysokých energiích. Otevření násobné vazby bude tím snazší, čím bude tato vazba polárnější. Ježto je mírou polarity dipólový moment, lze podle velikosti tohoto momentu usuzovat na vhodnost pro tvorbu polymeru.

•

Propagace probíhá tak, že se na vzniklý radikál připojují další molekuly monomeru. Tato reakce se velmi rychle opakuje.

•

Terminace nastává nejčastěji tak, že se setkají dva radikály, které se spolu sloučí. Poznámka: Radikál – skupina atomů, z nichž jeden má jeden nespárovaný elektron. Elektricky je neutrální, neboť součet nábojů jader souhlasí s počtem elektronů.

•

Technologické procesy polymerace Bloková polymerace probíhá v prostředí samotného monomeru. Výhodou je, že polymer neobsahuje žádné vedlejší příměsi; ovládání polymerace je však obtížnější, neboť reakční teplo, které se uvolňuje při polymeraci, se špatně odvádí. Prakticky se využívá při výrobě PS a PMMA. Suspenzní polymerace (perličková) probíhá ve vodní suspenzi s přídavkem iniciátorů rozpustných v monomeru. Polymer se získává ve formě hrubého prášku nebo perliček. Výhodou je snadná ovladatelnost polymeračního pochodu a skutečnost, že neobsahuje zbytky emulgátorů. Emulzní polymerace se provádí ve vodním prostředí za přítomnosti emulgátoru. Jako emulgátory se používají látky, které s vodou vytvářejí koloidní roztoky. Polymerace je iniciována iniciátorem rozpustným ve vodě. Polymerace je dobře ovladatelná, avšak produkty obsahují zbytky emulgátoru, které způsobují mléčné zabarvení (PVC). Roztoková polymerace probíhá v prostředí rozpouštědla, v němž se rozpouští monomer a v němž zůstává rozpuštěn i polymer. Při tomto způsobu výroby se

96

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně vytvářejí pouze látky o menší molekulové hmotnosti (v důsledku působení rozpouštědla jako přenašeče řetězce).

Kopolymerace •

Pochod, při němž probíhá současně polymerace dvou nebo více monomerů. Složení kopolymeru závisí na reaktivitě jednotlivých monomerů, na jejich poměrném zastoupení a na mechanismu polymerace. Při výrobě mohou vzniknout 1. kopolymery blokové

– Ax – By – Az – Bq –

2. kopolymery sledové a) se střídavým sledem

–A–B–A–B-

b) s náhodným sledem

– A–B–B–A–A–A–

3. kopolymery roubované – v tomto případě vytvářejí monomerní jednotky druhého polymeru větve, naroubované na kmen vytvořený základním polymerem –A–A–A–A–… ‫׀ ׀‬ B B ‫׀ ׀‬ B B ‫׀ ׀‬ U roubovaných kopolymerů ovlivňuje vyšší stupeň strukturálního uspořádání jednotlivých složek charakter polymeru, takže vlastnosti výsledného polymeru jsou spíše součtem vlastností obou složek než jejich průměrem. •

Značná část metod příprav roubovaných polymerů spočívá ve vytváření volných radikálů na řetězci základního polymeru, se kterým se přitom nechá reagovat jiný polymer. Podmínky pro vznik roubovaných polymerů možno vyvolat např. působením ionizačního záření na polymery, intenzivním mechanickým mícháním směsi polymerů na hnětacím stroji a za nepřítomnosti kyslíku nebo rozkladem polymerních peroxidů.

Elektrické vlastnosti makromolekulárních látek •

Většinou vykazují velmi dobré elektroizolační vlastnost.

•

Permitivita a ztrátový činitel souvisejí s chemickou výstavbou (počet polárních skupin, jejich rozložení v makromolekule a dipólový moment) a pohyblivostí iontů.

Relace: strukturní jednotka – elektrické a fyzikální vlastnosti Strukturní jednotka

H R1 ‫׀‬ ‫׀‬ –C – C– ‫׀‬ ‫׀‬ H R2


97

polárnost

krystalinita

µ[D]

polymer

R1

R2

polyetylen (vysokotlaký)

H

H

N

K

0

polypropylen (ataktický)

H

CH3

N

A

0,35

polypropylen (izotaktický)

H

CH3

N

K

polyizobutylen

CH3 CH3

N

A

polystyren

H

C6H5

N

A

0,37

polyvinylchlorid

H

Cl

P

A

1,44

polymetylmetakrylát

CH3 COOCH3

P

A

•

Úroveň elektrické vodivosti je malá (γv < 10-8 S m-1); je vyvolána především ionty nízkomolekulárních složek; v nepatrné míře se uplatňuje i vlastní vodivost, která se přisuzuje volným elektronům a ionizaci účinkem tepla. Cizí ionty pocházejí hlavně z výrobního procesu: jde o katalyzátory, zbytky nízkomolekulárních výchozích látek či nízkomolekulárních reakčních zplodin.

•

V silných elektrických polích se může vyskytnout čistě elektrický průraz, podmíněný elektronovým mechanismem (nárazová ionizace nebo emise elektronů účinkem pole), uskutečňující se v rozmezí <µs; s> tepelný průraz s dobou rozvinutí řádově sekund až minut.

Destrukce makromolekul •

Destrukce mohou způsobovat činidla chemická (atmosférická oxidace, voda, kyseliny, alkoholy) fyzikální (působení světla – UV, jiných druhů záření – rtg., tepla, částečných nebo povrchových výbojů, opakované sorpce a desorpce vody), mechanické síly, průmyslové exhalace; někdy se přidružují i vlivy mikrobiální.

Kontrolní otázky 1) Uveďte základní typy makromolekul. Které vazebné síly působí v makromolekulárních látkách? 2) Jak se projevuje amorfní a krystalická struktura ve vlastnostech a jak lze ovlivnit stupeň krystalinity syntetických makromolekulárních látek? 3) Uveďte detailní klasifikaci organických makromolekulárních látek z hlediska složení makromolekulárního řetězce. 4) Jak se klasifikují syntetické makromolekulární látky z hlediska: chemické reakce při jejich vzniku, chování při zahřívání a z hlediska technických vlastností ? 5) V čem spočívají společné rysy a odlišnosti mezi polyadukty a polykondenzáty a mezi polyadukty a polymery ? 6) Charakterizujte proces polykondenzace a uveďte nejdůležitější polykondenzační reakce. 7) Co jsou to kopolymery a jaké jsou jejich základní typy ?

98


5.2 Klasifikace izolantů 1. Plynné izolanty 1.1 Obecné plyny 1.2 Vzácné (inertní) plyny 1.3 Elektronegativní plyny

N, H, O, CO2 Ne, Kr, Ar, Xe SF6, CCl2F2

2. Kapalné izolanty 2.1 Minerální oleje 2.2 Rostlinné oleje 2.3. Syntetické izolační kapaliny

a. - parafinické, naftenické, olefinické b. - transformátorové, kabelové, kondensátorové lněný, dřevný, ricinový olej chlorované a fluorované uhlovodíky (difenyly), organické étery, kapalné silikony

3. Tuhé izolanty 3.1 Organické tuhé izolanty 3.1.1 Přírodní nízkomolekulární látky 3.1.1.1 Vosky 3.1.1.2 Asfalty, bitumeny

parafin, ceresin, včelí vosk, zemní vosk (ozokerit)

3.1.2 Přírodní makromolekulární látky 3.1.2.1 Přírodní pryskyřice šelak, kalafuna, kopály, jantar 3.1.2.2 Vláknité látky na podstatě celulózy papír, lepenka, textilní izolanty 3.1.2.3 Přírodní kaučuk, pryž 3.1.3 Syntetické makromolekulární látky 3.1.3.1 Termoplasty

polyetylen, polypropylen, polystyren, polyvinylchlorid, polyizobutylen, polymetylmetakrylát, polytetrafluoretylen, polychlortrifluoretylen, polyformaldehyd, polyamidy, linární polyuretany, linární polyestery, polykarbonáty

3.1.3.2 Reaktoplasty

fenoplasty, aminoplasty, nenasycené polyestery, prostorové polyuretany, epoxidy

3.1.3.3 Elastomery

izoprénový, butadienový, chloroprenový, silikonový kaučuk, pryž

3.1.3.4 Teplovzdorné plasty

silikony, polyfenylénoxid, polysulfony, polyimidy

3.2 Anorganické tuhé izolanty 3.2.1 Anorganické přírodní izolanty křemen, azbest, slída 3.2.2 Sklo

křemičitá skla, křemenné sklo, fosfátové sklo, bezkyslíkatá skla (halogenidová, chalkogenidová)

3.2.3 Keramika 3.2.3.1 Křemičitá (silikátová) keramika


99

porcelán, kamenina, steatitová, forsteritová, spodumenová, kordieritová, mullitová, celziánová, korundová keramika 3.2.3.2 Oxidová (kysličníková) keramika slinutý korund, titaničitá keramika 3.2.3.3 Bezkyslíkatá keramika boridy, nitridy, karbidy

5.3 Přírodní anorganické izolanty Anorganické izolanty - dielektrika •

Součást anorganického světa, světa minerálů – složeného převážně z makromolekulárních sloučenin.

•

Makromolekulární látkou je nesporně SiO2, který tvoří velmi stálé trojrozměrné molekuly. Zvlášť rozšířenou modifikací SiO2 je křemen – hlavní složka většiny hornin a písků.

•

Také hlinité látky se skládají pravděpodobně z makromolekulárních křemičitanů hlinitých (alumosilikáty) proměnlivé stavby.

•

Za makromolekulární křemičitany (silikáty) složité struktury se považují minerály slída a azbest.

•

Přednosti, výhody vysoká odolnost proti působení vyšších teplot (teplotní třída C, mezní teploty > 180 °C); nehořlavost v převážné většině případů malá hygroskopičnost velmi dobré elektrické vlastnosti výborná odolnost proti působení elektrických výbojů dosti dobré mechanické vlastnosti značná stabilita, tj. neměnnost charakteristických vlastností s časem.

•

•

Negativní vlastnosti, nevýhody malá mechanická pevnost při rázovém namáhání lámavost, křehkost. Anorganická dielektrika ve velké většině představují iontová spojení (vazba iontová – určující; vazba kovalentní dipólová) a vyskytují se v monokrystalické, polykrystalické a amorfní podobě.

Klasifikace anorganických dielektrik A. Klasifikace z hlediska struktury, povahy a) látky amorfní (anorganická skla) •

izotropie vlastností

•

schopnost přecházet z tuhého skupenství do kapalného postupně, bez přesně určené teploty tání (tavení)

•

struktura: zcela nepravidelné uspořádání částic; v podstatě přechlazená kapalina, tj. kapalina, jejíž viskozita vzrostla na velmi vysokou hodnotu, ale zachovala si svoje vnitřní uspořádání

100

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně •

oproti krystalům vykazují určitý přebytek vnitřní energie ⇒ jsou méně stálé; je možný samostatný přechod z amorfního stavu do krystalického

•

reálně nekrystalické tuhé látky – amorfnímu stavu se více méně přibližují; vykazují určitý malý stupeň pravidelnosti uspořádání částic (sklo … skelná struktura)

b) látky krystalické (azbest, slída, SiO2, Al2O3, vinany) •

anizotropie vlastností

•

přesně určená teplota tání (tavení)

•

reálné krystalické látky; poruchy

c) látky keramické •

keramický sloh: fáze krystalická, fáze amorfní, fáze plynná

B. Klasifikace podle chemického složení (křemičitany, hlinitany, hořečnany, titaničitany) a) Soustava

Al2O3 – SiO2 sillimanit kaolinit mullit

b) Soustava

MgO – SiO2 enstatit (klino-) forsterit steatit

c) Soustava

MgO . Al2O3

MgO- Al2O3 – SiO2 kordierit

e) Soustava

MgO . SiO2 2MgO . SiO2 3MgO . 4SiO2 . H2O

MgO – Al2O3 spinel

d) Soustava

Al2O3 . SiO2 Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O 3Al2O3 . 2SiO2

2MgO . 2Al2O3 . 5SiO2

MgO – TiO2 periklas MgO titaničitan hořečnatý (meta-) MgO . TiO2 rutil TiO2 anatas TiO2 brookit TiO2

f) Soustava

Li2O - Al2O3 – SiO2 spodumen

g) Soustava

LiO2 . Al2O3 . 4SiO2

ZrO2 – SiO2 zirkon

h) Soustava

R2O - Al2O3 – SiO2 ortoklas (živec draselný) albit (živec sodný)

i) Soustava

ZrO2 . SiO2

RO- Al2O3 – SiO2

K2O . Al2O3 . 6SiO2 Na2O . Al2O3 . 6SiO2

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy anorthit (živec vápenatý) Minerály - SiO2 CaCO3 MgCO3 BaSO4 Al2O3 5.3.1

101 CaO . Al2O3 . 2SiO2

cristobalit, tridymit vápenec magnezit baryt (těživec) korund

Azbestové izolanty

•

Makrostruktura azbestu: vláknitá (silikátová struktura pásová)

•

Základní mineralogická klasifikace azbestů

•

1. Azbesty serpentinové (hadcové) - chrysotil 2. Azbesty amfibolové – krokydolit Charakteristické vlastnosti:

nehořlavost, možnost spřádání •

V elektrotechnice se používá: chryzotil

•

3MgO . 2SiO2 . 2H2O

- kalcinační teplota - teplota tavení Elektrické vlastnosti:

ρv •

400 °C 150 °C 108 – 1010 Ωm

Použití v elektrotechnice – ve formě a) dlouhých vláken příze a tkaniny b) krátkých vláken azbestový papír, azbestová lepenka c) velmi krátkých vláken azbestocementové výrobky (spolu s cementem a azbestovou moučkou) d) azbestové moučky

5.3.2

Slídové izolanty

•

Makrostruktura slídy: vrstevnatá (silikátová struktura plošná)

•

Základní mineralogická klasifikace slíd skupina muskovitu (muskovit)

skupina biotitu (flogopit, biotit) skupina slíd lithných (lepidolit) •

Charakteristické vlastnosti: štípatelnost, v tenkých lístcích ohebnost, pružnost, nehořlavost, chemická odolnost

Poznámka: slída odolává oleji chemicky, olej však slídu rozrušuje mechanicky; proto nelze slídu a slídové výrobky používat v přítomnosti oleje. •

V elektrotechnice se používá:

102

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně muskovit (Ruby) kalcinační teplota: flogopit (Amber) kalcinační teplota:

•

Elektrické vlastnosti: anizotropní

ε´ tg δ ρv Ep •

K2O . 3Al2O3 . 6SiO2 . 2H2O 600 °C K2O . 6MgO . Al2O3 . 6SiO2 . 2H2O 900 °C

5 – 7,7 10-3 – 4.10-4 1012 – 1014 Ωm (40 – 60).106 V m-1 (1 mm, 50 Hz)

Obchodní druhy slídy bloková či tabulková slída (0,15; 0,80 mm) kalibrovaná slída (tolerance setin mm – pro vakuovou techniku tolerance tisícin mm – pro kondenzátorovou techniku) štípaná slída (splitting) (15; 25 µm) mletá slída mikromletá slída

•

Klasifikace slídových výrobků 1. Výrobky z čisté slídy 2. Slídové izolanty vrstvené s pojivem 2.1 Tuhé slídové vrstvené izolanty s pojivem – mikanity 2.2 Svitkové vrstvené izolanty ohebné 2.2.1 Mikafólium 2.2.2 Slídová páska 3. Mikalex 4. Slídové izolanty na podkladě upravené slídy 5. Mletá a mikromletá slída

•

Výrobky z čisté slídy podložky, drážky a rozpěrky (vakuová technika), vložky komutátorů, kondenzátory nn, vn, vf

•

Mikanity vrstvená složená soustava: papír – slídové lístky – pryskyřičné pojivo vlastnosti ovlivňuje: druh pojiva (šelak, fenolformaldehydová pryskyřice, modifikovaný alkyd, epoxidová pryskyřice, asfaltové laky), obsah pojiva, teplota formován, tlak při formování druhy

•

-

broušený, nebroušený

-

komutátorový, topný, prokládací, ohebný, k formování

Mikafólium vrstvená složená soustava: papír – slídové lístky – pryskyřičné pojivo ohebný výrobek (muskovit) – tvarované izolace


103

Slídová páska vrstvená složená soustava: papír, resp. tenká tkanina (hedvábná nebo skelná) – slídové lístky - pojivo

•

Mikalex složená soustav: mletá slída (60 % hm.) – sklo (nízkoztrátové, 40 % hm.) lisování za teploty měknutí skla (cca 600 °C) a za tlaku 50 – 70 MPa možnost opracování anizotropní vlastnosti, necitlivost vůči elektrickému oblouku

•

Upravená slída zpracování slídového odpadu výrobní cyklus 1. etapa – rozštěpení slídových lístků 2. etapa – vytvoření ohebných fólií 3. etapa – zpracování fólií technologie štěpení slídových lístků 1. způsob tepelně chemický 1.1 Bardetův způsob 1.2 alternativní Bardetův způsob (lázeň chloridu amonného) 1.3 kvasný způsob 2. způsob mechanický tuzemské materiály: remika, remikanit, remikafólium, foremika přednosti upravené slídy -

•

možnost dokonalého proimpregnování v důsledku pórovitosti fólie možnost mechanizace výroby rovnoměrná tloušťka rovnoměrné rozložení pojiva, tím i rovnoměrné vlastnosti elektrické i mechanické ekonomizace výroby

Syntetická slída slída flogopitového typu, vypěstovaná z taveniny - bez krystalicky vázané vody; namísto skupin OH obsahuje F

Kontrolní otázky 1) Co vyjadřuje kalcinační teplota a jaká je jejich přibližná výše u azbestů a slíd? Jak se projeví překročení této teploty ve vlastnostech materiálů? 2) Předložte základní klasifikaci slídy a slídových výrobků. 3) Co znamenají pojmy: „muskovit“, „flogopit“, „splitting“, „mikanit“, „mikafólium“, „mikalex“. 4) Popište makrostrukturu a uveďte druhy mikanitů. 5) V čem spočívá rozdíl mezi „upravenou“ a „syntetickou“ slídou? 6) Které technologické přístupy vedou k výrobě upravené slídy.

104


5.4 Anorganická skla Základní charakteristika anorganického skla •

Z fyzikálního hlediska je anorganické sklo podchlazená kapalina, u níž při tuhnutí nedochází k vytvoření krystalické struktury, neboť její viskozita s klesající teplotou velmi rychle vzrůstá. Skupiny molekul „zamrznou“ a zůstávají po ztuhnutí v tuhém stavu jako v kapalině.

•

Základem převážné většiny anorganických skel je síť Si-O iontů. V křemenném skle jsou skupiny Si-O vázány podobně jako v případě krystalického křemene, avšak jejich stavba je oproti stavbě křemene nepravidelná a nesymetrická. V případě technických skel jsou volné prostory ve stavbě sítě zaplněny ionty modifikátorů.

•

Sklo je termodynamicky nestabilní a má sklon k odskelnění, tj. k vytvoření termostabilních krystalů, a to tehdy, je-li udržováno dostatečně dlouhou dobu na dostatečně vysoké teplotě (devitrifikace < = > skelně krystalické látky).

•

Z technického hlediska je sklo anorganická, chemicky těžko napadnutelná tavenina oxidů, která je po ztuhnutí tvrdá, křehká, obvykle průhledná, prakticky nepropustná pro plyny a lasturovitého lomu.

Definice skla podle ČSN •

Sklo je látka ve skelném stavu.

•

Skelný stav je amorfní nekrystalický stav látek ze teplot pod transformačním intervalem.

•

Transformační interval teplot je rozmezí teplot, ve kterém při ochlazování taveniny přechází tavenina do skelného stavu.

Poznámka: Definice se vztahuje na skla připravovaná tradičním způsobem; existují však i netradiční způsoby, např. napařování, slinování gelů. Základní pojmy a definice •

Sklo: obecně všechny látky, které jsou ve skelném stavu. V užším slova smyslu se názvem sklo obvykle označují anorganické látky ve skelném stavu.

•

Sklovina: roztavené sklo (tavenina) za teplot nad transformačním intervalem (např. při tavení, čeření, tvarování).

•

Skelný stav: amorfní (reálně nekrystalický) stav látek za teploty pod transformačním intervalem.

•

Skelně krystalická látka: látka podobná keramice, ale vyráběná tavením skla s následnou řízenou krystalizací.

Fyzikální podstata skla Typy kapalin 1. Kapaliny Frenkelova typu •

málo viskózní kapaliny vznikající jako tavenina většiny anorganických látek (H2O, LiCl, Na, Zn, Fe: η ∼ 10-3 Pa s)

•

při ochlazování proběhne za teploty tání rychlá krystalizace


105

při velmi rychlém ochlazení je možné přechlazení i o několik stupňů Celsia pod bod tuhnutí; tento stav však nelze udržet neomezeně dlouho a proběhne krystalizace

2. Kapaliny Bernalova typu •

vysoce viskózní kapaliny, vznikající jako tavenina některých látek (As2O3, B2O3, GeO2, SiO2, BeF2: η = 104 – 106 Pa s)

•

při pomalém ochlazování kapalina alespoň částečně zkrystalizuje

•

při rychlém ochlazování krystalizace neproběhne

3. Kapaliny Stewartova typu •

taveniny některých organických látek

•

v okolí bodu tání jeví anizotropii vlastností (dvojlom)

•

při ochlazování se mohou chovat jako kapaliny Bernalova typu

Obrázek 5.6 Změna objemu při tuhnutí kapaliny s krystalizací (F) a při tvorbě skla (B) Tg [K]/Tt[K]

2/3

(F) … platí pro kapaliny Frenkelova typu (B) … platí pro kapaliny Bernalova typu Transformační interval •

Transformační interval teplot (interval zeskelnění) rozmezí teplot, ve kterém při ochlazování kapaliny (taveniny) přechází přechlazená kapalina (tavenina) do skelného stavu.

•

Transformační teplota (Tg) teplota, při které nastává změna směru křivky v závislosti objemu na teplotě.

Sklotvornost, krystalizace •

Schopnost převedení kapaliny (taveniny) do skelného stavu je podmíněna: -

rychlostí ochlazování nukleační rychlostí

106


•

krystalizační rychlostí polohou teplotních oblastí nukleace a krystalizace

Nukleační rychlost −W1

−W2

I = C.e RT .e RT •

(5.29)

Krystalizační rychlost −W3 W4   u = K .e RT 1 − e RT   

(5.30)

R… plynová konstanta (R = 8,314.103 J kmol-1 K-1) W1, W2, W3, W4 … energie charakterizující průběhy I a u (J kmol-1) C, K … materiálové konstanty

Obrázek 5.7 Nukleační a krystalizační proces sklotvorné látky H … růst na krystalech zanesených zvenčí S … optimální podmínky samovolné krystalizace η … dynamická viskozita Chemická podstata skla Empirická pravidla •

Sklotvornost je závislá na periodických vlastnostech prvků.

•

Prvky VI. skupiny periodické soustavy mají schopnost samy o sobě tvořit tzv. jednoprvková skla, sestávající z atomů jediného prvku.

•

Prvky VI. skupiny periodické soustavy si podrží sklotvornost, jsou-li spolu sloučeny, tj. mohou tvořit tzv. dvojprvková skla (skla obsahující dva různé prvky VI. skupiny).

•

Prvky VI. skupiny (za určitých podmínek i prvky VII. skupiny) mají zásadní význam pro tvorbu skla. Bez jejich přítomnosti nemůže vznikat ani dvojprvkové sklo, ani vícesložkové sklo.

•

Prvky VI. skupiny vytvářejí dvojprvková skla s prvky III., IV. a V. skupiny.


107

•

Prvky III., IV. a V. skupiny spolupůsobí při tvorbě chemicky složitějších skel, ale samy o sobě netvoří jednoprvková skla.

•

Prvky VII. skupiny mohou být za určitých podmínek významné z hlediska sklotvornosti. Samy o sobě tyto prvky však netvoří jednoprvková skla.

Systematika sklotvorných látek a soustav 1. Jednoprvková skla 2. Dvojprvková skla 2.1 Oxidová skla 2.2 Bezkyslíkatá skla 2.2.1 2.2.2

Halogenidová skla Chalkogenidová skla

3. Vícesložková skla 3.1 Oxidová skla 3.2 Bezkyslíkatá skla 3.2.1 3.2.2

Halogenidová skla Chalkogenidová skla

3.3 Směsná skla 3.3.1 3.3.2 3.3.3

Halogenido-oxidová skla Chalkogenido-oxidová skla Halogenido-chalkogenidová skla

4. Pseudoskla Příklady: •

Jednoprvková skla prvky ve skelném stavu (S, Se)

•

Dvojprvková skla základní sklotvorné sloučeniny (SiO2, B2O3, P2O5, ZnCl2, As2O3)

•

Vícesložková skla chemicky složitější soustavy, kde jako jedna složka je vždy dvojprvkové sklo

•

Pseudoskla jiné sklotvorné, resp. sklu podobné látky (Si3N4, slitiny Au – Si)

5.4.1

Křemičitá skla

Struktura oxidových skel Strukturní hypotézy skelného stavu •

hypotéza ideálně neuspořádané mřížky (Zachariasenova – Warrenova hypotéza)

•

hypotézy reálně neuspořádané mřížky polymero-krystalitová hypotéza hypotéza amorfní diferencované struktury

108

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně hypotéza o mikroheterogenní podstatě skla

Struktura oxidových skel •

skelná síť – aperiodická mřížka, viz obr. 5.8

Obrázek 5.8 Struktura křemenného a křemičitého skla (rovinný řez) Typy oxidů skel 1. Sklotvorné oxidy (síťotvořiče) 1.1 vysloveně sklotvorné oxidy – velmi snadno tvoří skla samy o sobě (dvojprvková skla) a jsou základními sklotvornými složkami vícesložkových oxidových skel (SiO2, B2O3, GeO2, As2O3) 1.2 podmíněně sklotvorné oxidy – samotné nemají schopnost vytvořit dvojprvková skla (resp. tvoří dvojprvková skla jen velmi nesnadno - Bi2O3), ale představují základní sklotvorné složky vícesložkových skel (Al2O3, TiO2, MoO3, WO3, V2O5) 2. Pozměňovače sítě (modifikátory) – oxidy, především alkalické oxidy a oxidy alkalických zemin; jsou náhodně rozmístěny ve volných prostorách základní skelné sítě (Na2O, K2O, Li2O, CaO )


109

3. Síťobytné (mřížkobytné) oxidy - pozměňovače sítě, které mohou za vhodných podmínek nebo při vhodném chemickém složení v omezené míře vstupovat do skelné sítě (BeO, Fe2O3, ZnO, CdO, PbO) Výroba oxidových skel Oxidová skla obsahují zpravidla jako základ oxid – SiO2 -

křeměnné sklo SiO2 křemičitá skla SiO2 + Li2O, Na2O, K2O, CaO, ZnO, BaO, MgO, PbO, B2O3, Al2O3, P2O5 boritokřemičitá skla

Oxidy

- dodány formou minerálních látek

SiO2 - sklářský tavný písek – víceméně čistý křemen Na2O - bezvodá soda Na2CO3 K2O - potaš K2CO3, draselný živec – ortoklas, dusičnan draselný KNO3 (ledek draselný) CaO - vápenec CaCO3 MgO - dolomit MgCO3.CaCO3, magnesit MgCO3 PbO - suřík – minium Pb3O4 B2O3 - kyselina boritá H3BO3 nebo borax (tetraboritan sodný) Al2O3 - živec, kaolin, hydratovaný oxid hlinitý Al2O3 . 3H2O Základní pojmy •

práškové suroviny – předepsaný hmotnostní poměr – homogenizovaná směs → sklářský kmen

•

sklářský kmen (2/3) + drcené skleněné střepy (1/3) → vsázka

Pomocné látky •

Urychlovače tavení urychlují tavicí nebo čeřicí proces borax, kyselina boritá, fluoridy, křemičitan sodný

•

Čeřiva k odstranění plynů ze skloviny; za vysoké teploty uvolňují plyny, které snadno difundují taveninou k povrchu, přičemž s sebou strhávají bubliny – z hladiny se bubliny snadno odstraní síran sodný, směs arseniku As2O3 s draselným ledkem KNO3

•

Barviva při barvení lze rozeznat dva případy 1. barvivo se ve skle rozpouští, ať již je v něm nositelem zbarvení iont nebo molekula -

iontová barviva molekulární barviva

2. barvivo je přítomno jako koloidní částice -

koloidní barviva

110 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Odbarviva k dosažení čirosti, průzračnosti arsenik, ledek, burel MnO2

•

Kaliva způsobují zákal skla (opalescenci), příčinou je difúzní odraz způsobený rozptýlenými částicemi s jiným indexem lomu než má základní látka kryolit Na3AlF6

Výrobní proces •

Příprava sklářského kmene a vsázky

•

Tavení vsázky v tavicí peci – přetváření ve sklovinu, tavení při teplotách nad Tg procesy při tavení -

chemické reakce složek v tuhé fázi (vznik křemičitanů) rozklad minerálů na oxidy fyzikální pochody (tavení, rozpouštění) spojené se vznikem homogenní skloviny

etapy tavení I. II. III.

vlastní tavení čeření homogenizace (rozpouštění zbytků tuhých látek, zvláště SiO2)

tavicí pece -

•

vanové pece pracují nepřetržitě; při hromadné strojní výrobě pánvové pece menší, méně výkonné a méně hospodárné; výroba poměrně malých množství se speciálními vlastnostmi (pro elektrotechniku)

Tvarování sklovině ochlazené na pracovní teplotu se udílí žádaný tvar skleněného výrobku -

•

foukání lisování tažení válcování (tabule se zalisovanou drátěnou vložkou) lití (zvláště odstředivé – obrazovky) slinování zpracování sklofoukačským způsobem na kahanu

Chlazení řízený tepelný pochod, jímž se odstraňuje nepřípustné vnitřní pnutí nebo se zabraňuje jeho vzniku

Viskozita a povrchové napětí •

Technologie výroby a zpracování skla spočívá na dvou fyzikálních vlastnostech skloviny na viskozitě na povrchovém napětí

•

Viskozita, viskozitní křivka


111

log η = F (T ) Vogelova – Fulcherova – Tamannova rovnice log η = A +

B T − T0

(5.31)

A, B, T0 … konstanty Viskozitní body -

vyjadřují dekadický logaritmus dynamické viskozity η (Pa s)

-

13,5 12,3 12,0 7,0 3,0 1,0

dolní chladicí teplota (η = 2.1012Pa s) transformační bod horní chladicí teplota dolní teplota tvarování horní teplota tvarování teplota tavení

Ts Tg Ta

transformační interval

Ta teplota, při níž se pnutí ve skle (způsobené nestejným chlazením) odstraní za 15 minut, až na výši 10 % (není již pro zpracování podstatně důležité) -

Klasifikace skel podle polohy bodu Ta Ta < 380 – 450 °C > měkká skla < 450 – 500 °C > středně tvrdá skla > 500 °C tvrdá skla

η < 103; 107 Pa s >: důležité pro zpracování – odpovídá zpracování na sklářském plameni -

Klasifikace skel podle relace η < 103; 107 Pa s > / ∆T ▪ ▪

•

dlouhé sklo široký rozsah teplot (vhodné pro ruční zpracování) krátké sklo nízký rozsah teplot s prudkým poklesem η v průběhu zpracování – (pro zpracování na sklářských automatech, kde je možno teplotu přesně nastavit)

Povrchové napětí při zpracování má stejný význam jako viskozita roztavené sklo má poměrně velké povrchové napětí, málo závislé na teplotě při čeření se snížením povrchového napětí usnadní únik bublin při tvarování je povrchové napětí příčinou snahy skla stahovat povrch výrobků: -

příznivý vliv vyrovnání případných nerovností povrchu při tvarování nepříznivý vliv zaoblení hran a rohů, které mají zůstat ostré; zúžení tažených trubic, prohnutí tabulí.

Vady skla •

Kamínky zbytky neprotavených tuhých součástí (ze sklářských surovin, úlomky vyzdívky pecí)

•

Šlíry

112

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně skelné nestejnorodosti, projevující se jako proudy nebo provazce ve skle (nedostatečné promísení vsázky)

•

Bubliny mj. znečistěním střepů prachem

•

Vrstevnatost těžší složky při tavení segregují od lehčích

Vlastnosti skel •

Mechanické vlastnosti pevnost v tlaku vysoká (na úrovni kovů) pevnost v tahu nízká (cca 10 % pevnosti v tlaku) tvrdost: 5 – 7,5 podle Mohse

•

Teplotní roztažnost teplotní součinitel délkové roztažnosti: 0,55 – 12,8 . 10-6 K-1 -

0,55 . 10-6 K-1 3,0 – 5,0 . 10-6 K-1 8,5 – 11,0 . 10-6 K-1

křemenné sklo tvrdá skla měkká skla

odolnost skel proti náhlým změnám teplot •

křemenné sklo boritokřemičitá skla alkalická skla

1 200 K 200 – 250 K 150 K

Elektrické vlastnosti permitivita -

dominantní polarizace: iontová relaxační rozsah permitivit < 3,7; 35 > ε´ 2,2 ρh (hustota)

vnitřní rezistivita -

iontový charakter vodivosti rozsah vnitřních rezistivit 109 – 1015 Ω m Raschova – Hinrichsenova rovnice b

ρ v = A.e T -

(5.32)

bod TK 100: teplota, při níž ρv = 100 Ω m …106 Ω m (v rozmezí teplot 150 – 550 °C)

povrchová rezistivita -

vliv tenké povrchové vodní vrstvy

ztrátový činitel -

druhy ztrát ▪ ▪

ztráty vodivostní ztráty relaxační

(modifikátory) (modifikátory)

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy ▪ ▪

ztráty vibrační ztráty deformační

113

(modifikátory) (skelná síť)

Obrázek 5.9 Kmitočtová závislost tg δ Kmitočtová závislost tg δ (X) se složkou vodivostní (1), relaxační (2), vibrační (3) a deformační (4) -

druhy iontů ▪ ▪ ▪

-

(Li+, Na+) (K+, Mg++) (Pb++, Ba++)

přístupy ke snížení dielektrických ztrát ▪ ▪ ▪

-

lehce pohyblivé ionty špatně pohyblivé nepohyblivé ionty

kombinace pohyblivých a nepohyblivých iontů vzájemné působení dvou druhů pohyblivých iontů (Na+, Li+) částečná náhrada vazeb Si-O silnějšími vazbami B-O

nízkoztrátová skla ▪ ▪

olovnatá skla boritokřemičitá skla

(ε´ ∼ 7 – 8) (ε´ ∼ 4 – 5)

elektrická pevnost •

převážně tepelný průraz

Optické vlastnosti křemičitá skla: propustnost ve viditelné části spektra křemenné sklo, fosfátové sklo: propustnost i v ultrafialové části spektra

Klasifikace skel Hlediska klasifikace •

poloha viskozitních bodů A. skla měkká středně tvrdá tvrdá

114


B. skla dlouhá krátká •

chemické složení alkalická alkalicko – olovnatá (vysoký index lomu světla) alkalicko – vápenatá (vysoký lesk) hlinito – vápenatá boritá hlinito – boritá fosfátová

•

použití v elektrotechnice nízkoztrátová skla zátavová skla skla odolná proti kovovým parám skla eutektická

Nízkoztrátová skla • • • •

křemenné sklo vycor (96 % SiO2 + malé množství alkálií) boritokřemičitá skla – eutal (sklo E) olovnatá skla

Zátavová skla •

tvrdá

•

měkká - olovnatá

- MoKa (Mo-Kavalier) WoKa kovarové sklo Pyrex (obd. Simax) v podstatě boritokřemičitan s malým obsahem alkálií

Příklady 3) Sledováním změn dynamické viskozity při chladnutí vybraných druhů skel byly zjištěny údaje podle tabulky. Uvedených údajů použijte ke stanovení konstant VogelovyFulcherovy-Tamannovy rovnice. Stanovte, která z uvedených skel jsou tvrdá, středně tvrdá a měkká. Tabulka

log η druh skla sklo olovnaté sklo pro televizní obrazovky I. sklo pro televizní obrazovky II. kříšťálové sklo I. kříšťálové sklo II. boritokřemičité sklo I. boritokřemičité sklo II. Poznámka - η (Pa . s)

12 437 456 450 530 545 556 568

6,6 υ (°C) 605 658 681 718 735 767 798

3,9 795 882 914 908 935 997 1112


115

4) Při experimentálním sledování dynamických viskozit skel byly zjištěny tyto údaje η1 = 4,46 MPa . s a η2 = 9,35 MPa . s. Vyjádřete uvedené údaje ve tvaru mocnin desíti. Které body viskozitní křivky odpovídají těmto údajům? 5.4.2

Halogenidová a chalkogenidová skla

Skla na bázi chalkogenidů •

V souladu s empirickými pravidly pro tvorbu skla byla prokázána sklotvornost sloučenin zejména v soustavách: skupiny prvků

dvojprvková skla v soustavě

VI – VI V – VI IV – VI III – VI

Se – S P – Se, As – Se, As – S Ge – Se Tl v soustavě As – Se – Tl

Tato dvojprvková skla jsou základem pro další vícesložková skla s jinými sulfidy nebo pro směsná skla s oxidy nebo halogenidy. •

Mnohá chalkogenidová skla v důsledku svých výhodných vlastností našla praktické uplatnění v optice. V elektronice se uplatňují jako pasivní, ale zejména jako aktivní komponenty. Příklady použití chalkogenidových skel As – S -

skla složením blízká As2S3 jsou propustná pro infračervené záření slouží pro infračervenou optiku z tohoto skla lze připravit i vlákna pro infračervenou vláknovou optiku

As – S – Se -

sklo z této soustavy může sloužit jako nízkotající izolátor pro hermetizaci diod, které nesnášejí působení vyšších teplot

As – Te – J -

skla jsou uvažována pro spínací a paměťové prvky

As – Se – Te -

sklo lze aplikovat pro fotovodivé prvky

As – Ge – Si – Te •

sklo je propustné pro infračervené záření a je stálé za vysokých teplot.

Na bázi chalkogenidů byla vypracována i skla pro elektroniku tenkých vrstev. Počet dvojprvkých chalkogenidových skel je v současnosti značný a přesahuje počet klasických dvojprvkových oxidových skel. Jejich příprava tavením v uzavřených trubicích je však velmi náročná s ohledem na nezbytnou čistotu. Skla jsou neklasická svým složením, jejich příprava je v podstatě klasická – tj. tavení, avšak za specifických podmínek.

116


5.4.3

Speciální skla

Speciální skla pro elektrotechniku a elektroniku A. Křemenné sklo B. Skleněná vlákna C. Slinovaná skla D. Zátavová skla E. Skelné pájky F. Skleněné průchodky G. Skla pro výrobu elektronek a obrazovek H. Skla pro výrobu polovodičových součástek I. Skleněná vlákna pro optické vlnovody. A. Křemenné sklo •

Křemenné sklo k použití ke speciálním účelům a ve vakuové technice sestává z čistého SiO2 a získává se většinou tavením kříšťálu. Podobně jako křemičitá skla lze i křemenné sklo považovat za podchlazenou kapalinu pod transformačním intervalem teplot.

•

Křemenné sklo začíná být plastické až při teplotách nad 1 500 °C. Viskozitní bod Tsoft (107,6 Pa) leží při cca 1 650 °C.

•

Termoplastické zpracování je možné pouze pomocí H/O plamene nebo v elektrickém oblouku. Teploty zpracování jsou okolo 1 800 - 2 000 °C. Poněvadž při těchto teplotách dochází již ke značnému odpařování, je nutno dodržovat důkladná hygienická opatření (nebezpečí silikózy).

•

Křemenné sklo má řadu vlastností, které nelze dosáhnout u žádných jiných materiálů:

ρh (2,0 - 2,3) .103 kg m-3 tvrdost podle Mohse 5 - 7 maximální pracovní teploty 1 000 °C, krátkodobě 1 300 °C. αl 0,55.10-6 K-1 (činí obtíže při zátavech; zátav lze provést prakticky jen tak,že se použije fóliových zátavů z molybdénu či tantalu). •

Vysoká odolnost proti náhlým změnám teplot vyplývá především z nízké hodnoty αl, přispívá k ní však také velmi dobrá tepelná vodivost, jež je větší než u ostatních křemičitých skel.

•

Chemická odolnost je poměrně vysoká. Kyselina HF a fosforečná, alkálie a soli obsahující alkálie reagují s SiO2 hlavně při vyšších teplotách.

•

Elektrické vlastnosti:

ε´ 3,7 6 2.10-4 tg δ (10 Hz) ρv 1016 Ωm(x) bod TK100 600 °C Ep 40.106 Vm-1 Poznámka: (x) leží výše než u nejlepších skel •

Optické vlastnosti

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy propustnost pro UV při 300 nm •

117

120 - 180 nm 98 %

Použití v elektrotechnice: trubice pro UV výbojky vf vysílací elektronky (tepelně vysoce zatížené) difuzní skleněné vývěvy baňky fotobuněk stavební díly v klasických Hg usměrňovačích kapiláry pro přesné teploměry trubice pro zónovou rafinaci

Poznámka: Křemenné sklo se v úzkých trubicích Hg - nízkotlakých výbojek zbarvuje v důsledku absorpce + Hg iontů.Tyto jsou při průchodu stěnou neutralizovány a nemohou pro svůj velký průměr stěnu znovu opustit. •

Vychází-li se při přípravě skla z křemenného písku, získá se tzv. křemenina. Je to materiál mléčně bíle zakalený, neprůhledný, obsahující značný počet bublin o cca 3 - 4 % objemu. (Ani při teplotě 2 000 °C není viskozita roztaveného křemenného písku postačující natolik , aby bubliny mohly uniknout - naproti tomu dochází při vyšších teplotách již ke značnému odpařování křemene.)

•

Odhlédne-li se od vzduchových bublin a eventuálně menšího počtu znečištěnin, není mezi křemenným sklem a křemeninou chemický ani fyzikální rozdíl.

B. Skleněná vlákna •

Výroba vychází z eutektických skel (mají nejnižší bod tavení ze všech možných kombinací soustavy těchto skel; vyznačují se zpravidla vysokým obsahem Al2O3 ).

•

Zpravidla se vyrábějí vlákna o průměru 5 - 6 µm z nealkalického skla.

•

Z Pt-Rh trysek se vytahuje 100 až 200 vláken naráz. Pro stálost průtahu se udržuje v zásobníku stejná výše hladiny skloviny automaticky vnášením skleněných kuliček.

•

Rychlost navíjení vláken je cca 2 000 m/min. K zabránění vzájemného tření a mechanického poškození se aplikuje lubrikace .

•

Pevnost v tahu a ohebnost vláken závisí na průměru: pevnost v tahu při φ 15 µm 700 MPa φ 3,5 µm 3,65.102 MPa

•

Při přetržení vláken je možné slepení acetátovou celulózou.

C. Slinovaná skla •

Skla, připravená slinováním skelných prášků při vyšších teplotách. Slinovací teploty jsou podstatně nižší než teploty při tváření hutním nebo sklofoukačským způsobem.

•

Rozdělení slinovaných skel

118

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně - skelné filtry - s kulatými dutinami - průlinčitá - pěnová skla - s hranatými dutinami (Cerkor)

- skelné smalty Slinovaná skla - vakuově těsná - slinovaná nad horní slinovací teplotu - skelné pájky

- neodskelňující - krystalizující

- slinovaná skla jednoduchá - slinovaná na horní slinovací teplotu

- slinovaná skla směsná - multiformová slinovaná skla - krystalická slinovaná skla

•

Výrobky ze slinovaných skel získají svůj konečný tvar ve formě vyhřáté na vysokou teplotu, kam se skelný prášek volně nasype. Multiformová skla Postup přípravy multiformových skel: -

skelný prášek ve směsi s vhodným organickým pojivem se lisováním vytvaruje do konečného tvaru, vytvarované předměty se vloží do pece a po vypálení pojiva se vyhřejí na slinovací teplotu.

Multiformová skla se připravují z velmi jemných prášků; v porovnání s běžnými slinovanými skly jsou téměř bílá. Přednosti multiformových skel: -

nižší slinovací teploty než u běžných slinovaných skel, protože částice skla se lisováním dostanou do těsnějšího styku, lze připravit i tvarově složité miniaturní výrobky s velmi přesnými rozměry, lze připravit naopak i výrobky o hmotnosti několika desítek kg, technologie přípravy je velmi úsporná, neboť lze skla využít téměř beze zbytku,případně je možno využít i vadné polotovary,připravené odlišnými výrobními procesy.

D. Zátavová skla •

Skla určená pro zátavy kovů do skla. Základním požadavkem pro mechanicky pevné, resp. vakuově těsné spoje je shodnost nebo velmi malé rozdíly v hodnotách teplotních součinitelů délkové roztažnosti.

•

Druhy zátavových skel: skla pro zátav s wolframem skla pro zátav s molybdenem a kovarem skla pro zátav se slitinami FeCr, FeNi, FeNiCr


119

skla pro zátav s ocelí skla pro zátav s mědí skla pro zátav s titanem. •

Plášťový drát a platina (α = 9,1 . 10-6 K-1) se zatavují do měkkého olovnatého skla (α = 9,0 . 10-6 K-1).

E. Skelné pájky •

Nízkotavitelná skla, určená pro vzájemná spájení skel, keramiky a pro spájení skel s kovy. Spájení probíhá při nižších teplotách, než jsou teploty tání spojovaných materiálů.

•

Spoje jsou vakuově těsné,mechanicky pevné a mají vysokou rezistivitu. Požadavkem je, aby teplotní součinitel délkové roztažnosti pájek byl nižší než u spojovaných dílů.

•

Skelné pájky jsou málo odolné vůči působení některých chemikálií; toho lze výhodně využít při demontáži vadných spojů.

•

Chemické složení skleněných pájek: převážně boritany s vysokým obsahem olova, resp. boritokřemičitany a fosforečnany.

•

Aplikace formou nanesení pájecí pasty, připravené z práškových polotovarů (skel).

•

Klasifikace skelných pájek: stabilní pájky, krystalické pájky, kompozitní pájky.

5.4.4

Skelně krystalické materiály

Skelně krystalické materiály (sklokeramika) •

Polykrystalické látky se zbytkovou skelnou fází, připravené utavením skla a jeho vytvarováním do výrobků, které byly podrobeny řízené krystalizaci. Pojmem řízené krystalizace skla se označuje vylučování krystalické fáze z matečné sklovité fáze ve formě malých krystalků, kde jejich počet, rychlost růstu a tedy i jejich konečná velikost jsou řízeny vhodně zvoleným tepelným zpracováním.

•

Úspěšná příprava skelně krystalických materiálů spočívá zejména v zajištění tvorby dostatečně velkého množství krystalizačních jader - nukleí, rovnoměrně rozdělených v objemu skla,která pokračují v růstu (zpravidla do velikosti 0,1 až 1,0 µm ) při zvýšené teplotě,dokud krystalická fáze nezaujímá objem mezi 50 až 100 % původního objemu skla. Výchozí skla pro přípravu skelně krystalických materiálů,tj.obvykle anorganická oxidová skla, jsou připravována nejběžnějším postupem, tj.zchlazením sklotvorné taveniny po předchozím vytvarování do požadovaného tvaru. Pro postup přípravy skelně krystalických materiálů je tedy charakteristické, že výchozím materiálem je sklo, které se při řízeném tepelném zpracování mění na jemnozrnný polykrystalický materiál požadovaných vlastností.

•

První podmínkou pro přípravu skelně krystalických materiálů je sklotvornost taveniny. Sklotvornost stejně jako vlastní krystalizace podchlazené taveniny je kontrolována dvěma základními faktory. Prvním je nukleační rychlost, tj.počet nukleí vzniklých v jednotce objemu za jednotku času, a druhým rychlost krystalového růstu, tj.rychlost posunu fázového rozhraní krystalické fáze v tavenině.

120 •


Dochází-li ke krystalizaci z nukleí rozptýlených uvnitř objemu skla,hovoří se o krystalizaci v objemu nebo objemové krystalizaci.Zajištění objemové krystalizace s vysokou hustotou nukleí je základním předpokladem pro přípravu skelně krystalických materiálů. Při objemové krystalizaci se mohou uplatnit tři typy nukleace : - homogenní nukleace, - heterogenní nukleace, - fotonukleace.

Typy nukleací A. Homogenní nukleace Nukleace vyskytující se zcela nahodile v celém systému, kde se neuplatňují preferenční místa pro vznik nukleí. Pro mateřskou fázi je tedy nutným předpokladem její chemická, strukturní a energetická homogenita bez jakýchkoliv defektů. B. Heterogenní nukleace Nukleace, vznikají-li nuklea nové fáze na již vytvořených površích fázového rozhraní. Při objemové krystalizaci je nutné, aby místa nukleace byla opět rozptýlena rovnoměrně v celém objemu výchozího skla. Poznámka: Uplatní-li se pro nukleaci fázové rozhraní mezi povrchem nádoby nebo vzduchem a sklem, postupuje krystalizace od povrchu do středu vzorku.Jde o povrchovou krystalizaci. C. Fotonukleace (nukleace vyvolaná zářením) Fotosenzitivní skla, která obsahují rovnoměrně dispergované ionty Au, Ag nebo Cu spolu se senzibilizátory (Ce3+, Sn4+ nebo soli Au,Cu) umožňují, po ozáření při určité vlnové délce (300 až 350 nm) a následujícím tepelném zpracování, vyloučení částeček kovu rozptýlených v objemu skla, jichž lze využít k heterogenní nukleaci další hlavní krystalické fáze a k přeměně skla na skelně krystalickou látku. Doplněk: U některých složení skel je obtížné dosáhnout objemové krystalizace s vysokou nukleační rychlostí.V těchto případech jsou do výchozích skel zaváděny nukleátory,látky umožňující nebo urychlující objemovou krystalizaci. Hlavní typy technických skelně krystalických materiálů: 1) 2) 3) 4) 5) 6) •

Sklokeramické materiály s nízkou nebo nulovou teplotní roztažností. Mechanicky opracovatelné skelně krystalické materiály (fluoroslídy). Chemicky opracovatelné skelně krystalické materiály (Fotoform,Fotoceram). Slinované skelně krystalické materiály. Skelně krystalické materiály s orientovanou mikrostrukturou. Bioaktivní skelně krystalické materiály.

Komerční označení významných skelně krystalických materiálů: Pyroceram, Fotoceram, Sitall, Schott-Glaskeramik, Neoceram, Kryston (ČR), Nukryst (ČR).

•

Ske1ně krystalické materiály jsou svými vlastnostmi mechanickými, tepelnými, elektrickými, chemickými a optickými schopny nejen konkurovat tradičním materiálům, ale v mnohém je i předstihnout. Mohou nahradit deficitní materiály, jako jsou barevné kovy nebo speciální slitiny, v řadě oborů umožňují vývoj zcela nových nebo


121

dokonalejších výrobků, případně umožňují i použití efektivnějších technologií. Rozmanitost v kombinaci vlastností umožňuje uplatnění skelně krystalických materiálů téměř ve všech průmyslových odvětvích, ve zdravotnictví i ve výrobcích pro domácnost. Příklady použití jsou ve vztahu k jejich vlastnostem uvedeny v tabulce 5.1. Tabulka 5.1 Kombinace vlastností skelně krystalických materiálů a jejich aplikace Vlastnosti

Příklady použití

mechanická pevnost při vysoké teplotě, tepelné výměníky, varné nádobí, vařidlové odolnost k teplotnímu rázu, optické vlastnosti desky sporáků, okna pecí a konstrukční (specifický spektrální prostup) prvky vysokoteplotních zařízení, vodoznaky, pláště zdrojů vysoké světelné a tepelné intenzity, topné panely, samočistící okna tepelných zařízení, laboratorní nádobí mechanická pevnost, odolnost k teplotnímu kryty radiolokátorů, rázu, speciální elektrické vlastnosti vakuové obaly mechanická pevnost, oděruvzdornost, chemická odolnost

elektrické

izolátory,

stavební materiál (obklady stěn, podlahy pro zvýšený provoz, dlažba, sanitární výrobky), nádoby pro roztavené kovy nebo soli, součásti čerpadel pro agresivní kapaliny, trubky a potrubí pro chemický a petrochemický průmysl, kanalizační potrubí

mechanická opracovatelnost, dielektrické elektroizolační vakuové součástky komplikovlastnosti, vakuotěsnost, stálost při zvýšené vaných tvarů, šablony, modely, lisovací nástroje, razidla pro plasty, pryž a kovy, teplotě formy tvrdost, oděruvzdornost

ložiska, ventily, břity, součástky textilních strojů, třecí misky, vrchní desky pracovních stolů

nulová teplotní roztažnost (prostup světla)

astronomická optika, zrcadla dalekohledů

snášenlivost s kostí a tkání, mechanická biokeramika (zubní protézy a plomby, pevnost náhrada kostí, např. endoprotézy kyčelního kloubu) speciá1ní elektrické vlastnosti, spojení s jiným materiálem

feromagnetismus nebo nízká elektrická vodivost

možnost mikroelektronika, izolační vrstvy pro křížení plošných spojů, povlaky pro podložky hybridních obvodů, pájky pro elektrotechniku a světelnou techniku

ferimagnetismus, vysokofrekvenční technika

Kontrolní otázky 1) Vysvětlete pojmy „transformační interval“ a „transformační bod“. 2) Kteří činitelé ovlivňují sklotvornost, resp. krystalizaci taveniny? Jak jsou závislé na teplotě?

122


3) Uveďte základní empirická pravidla sklotvornosti. Co jsou dvojprvková a vícesložková skla? 4) Předložte klasifikaci skel na podkladě chemického složení (empirických pravidel). 5) Co jsou chalkogenidová skla ? 6) V čem spočívá rozdíl mezi „křemenným“ a „křemičitým“ sklem? 7) Popište strukturu křemičitého skla. Uveďte alespoň deset oxidů podílejících se na tvorbě oxidových skel, se zařazením mezi síťotvořiče, modifikátory a síťobytné oxidy . 8) Uveďte možné klasifikace skel na podkladě významných viskozitních bodů. Jaká je matematická formulace teplotní závislosti dynamické viskozity skla? 9) Vysvětlete význam pojmů „krátké“, „dlouhé“, „měkké“ a „tvrdé“ sklo . 10) Uveďte jednotlivé fáze výroby křemičitého skla. 11) Vyjmenujte základní druhy nízkoztrátových skel. Z čeho vyplývá nízká úroveň dielektrických ztrát těchto skel? 12) Uveďte základní klasifikaci slinutých skel. Co jsou multiformová skla a jaké jsou jejich přednosti. 13) Co jsou skelně krystalické materiály a v čem spočívají jejich přednosti ? 14) Jaké jsou typy nukleací a jaké jsou hlavní druhy skelně krystalických materiálů ?

5.5 Keramické materiály Keramika je anorganický polykrystalický materiál, často se sklovitými, silikáty obsahujícími tavicími a vaznými látkami, vzniklý ze surovin vypálením za vhodné teploty. Směsi surovin jsou zpravidla po zformování plastické a svoje významné vlastnosti, zejména tuhost a pevnost, získávají výpalem. Teplota výpalu je ve výši cca 80 - 90 % teploty tavení směsi. 5.5.1

Klasifikace keramiky

A. Křemičitá (silikátová) keramika (x) 1. porcelán 1.1 tvrdý porcelán 1.2 tvrdý porcelán se zvýšeným obsahem Al2O3 1.3 zirkoničitý porcelán 1.4 nízkoztrátový porcelán (porcelit) 1.5 ultraporcelán 2. kamenina 2.1 kamenina 2.2 hořečnatá kamenina - kerit 3. hořečnatá keramika 3.1 steatit 3.2 stealit – nízkoztrátový steatit 3.3 porolit – pórovitý steatit 3.4 forsterit


123

3.5 kordieritová keramika 3.6 pyrostat – hořečnatá pórovina (hořečnatá kamenina – kerit: v podstatě kordieritová keramika silně křemičitá) 4. lithná keramika 4.1 lithná (spodumenová) keramika 5. bezalkalické alumosilikáty 5.1 celsiánová keramika 5.2 korundová keramika 5.3 mullitová keramika (nízkoztrátový porcelán – porcelit) (ultraporcelán) Poznámka (x)

Nejdůležitější druhy pro elektrotechniku

B. Oxidová (kysličníková) keramika • • • • • •

slinutý korund (Al2O3) periklasová keramika (MgO) slinutý ZrO2 slinutý BeO slinutý ThO2 keramika na podkladě TiO2 stability, rutilit, negatit, permitity

C. Bezkyslíkatá keramika • • • • • •

karbidy (SiC) nitridy (BN) boridy silicidy sulfidy fluoridy

Poznámka Keramické materiály skupiny A. a B. jsou izolanty – dielektriky. Keramika skupiny C. zahrnuje podle druhu materiály charakteru izolačního, polovodivého i vodivého. 5.5.2

Křemičitá keramika

Suroviny pro výrobu křemičité keramiky 1. Hlavní suroviny – tvoří strukturu keramických materiálů Surové keramické látky i glazury se připravují vesměs z anorganických práškových materiálů -

suroviny se jako práškové vyskytují suroviny se na prášek potřebné jemnosti a čistoty teprve postupně připravují

1.1 tvárlivé, plastické práškové suroviny -

ve spojení s vodou poskytují tvárlivou látku

124

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně -

kaoliny a jíly, za určitých předpokladů (jemné mletí) i suroviny mastkové

1.2 netvárlivé, neplastické práškové suroviny 1.2.1

přírodní netvárlivé suroviny - živce, křemen, vápenec, magnezit, dolomit

1.2.2

chemicky připravené suroviny - Al2O3, TiO2, MgO, ZnO, ZrO2, SnO2, CaCO3, BaCO3

2. Pomocné suroviny – vyžaduje technologický postup -

voda organické plastifikační látky (škrob, dextrin, polyvinylalkohol) lisovací oleje paliva

Poznámky: •

kaoliny a jíly směsi různých minerálních surovin, velmi jemnozrnných, jejichž hlavní součástí jsou jílové minerály

•

jílové minerály hlinité hydrokřemičitany, vzniklé zvětráváním vyvřelých hornin, jejichž podstatnou součástí jsou živce (kaolinit, montmorillonit, illit)

•

kaolin („porcelánová zemina“) hlavní součástí (jílovým minerálem) je kaolinit Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O; pro výrobu elektrotechnické keramiky upravený, tzv. plavený kaolin (obsahuje asi 70 % jílových minerálů)

•

jíly více či méně znečistěny zrnky křemenného písku, sloučenin Fe, Mg, Ca; pro výrobu kameniny a póroviny -

•

jíly bohaté na Fe2O3: pro obyčejné hrnčířské výrobky jíly bohaté na Fe2O3 a na písek („cihlářská hlína“): cihly, krytiny slíny (silné znečistění CaCO3 a MgCO3): nevhodné pro výrobu keramiky

mastek minerál steatit 3MgO . 4SiO2 . H2O; textura mastku je buď šupinkatá (talek) nebo zrnitá (mastek)

•

živce -

•

ortoklas K2O . Al2O3 . 6SiO2 albit Na2O . Al2O3 . 6SiO2 živec draselný: důležitá složka při výrobě porcelánu, kde působí jako tavidlo (taví se při 1 150 – 1 200 °C) a spolupůsobí při tvorbě skelné fáze porcelánového střepu

křemen čistý křemenný písek (více než 99 % SiO2); v keramické směsi působí jako ostřivo, tj. látka zmenšující velkou smrštivost při sušení a výpalu


125

Technologie výroby •

Sled výrobních operací: úprava výchozích surovin příprava surové keramické látky tváření surové keramické látky sušení polotovarů vypalování vysušených (surových) výrobků glazování polotovarů – alternativně opracování a konečná úprava výrobků – alternativně technická kontrola

•

Úprava výchozích surovin patří do oboru upravárenské techniky cíl operace -

dosažení stejnorodosti surovin zbavit je nečistot a nežádoucích příměsí

úpravárenské operace •

drcení a hrubé mletí mechanické čistění třídění proudem vzduchu magnetická separace, resp. kalcinace

Příprava surové keramické látky cíl operace: výroba surové keramické látky s vlastnostmi potřebnými k tváření základní operace: jemné mletí (umletá vsázka, tzv. kal), vibrační prosévání, magnetická separace, filtrační lisování filtračními lisy, tzv. kalolisy (kalolisy nebo pásmové vakuové lisy) mletí -

mletí za sucha, za mokra bubnový (kulový), vibrační, koloidní mlýn, mikromlýn

kalolis: umožňuje vytlačení přebytečné vody tlakem (pod 1 MPa) přes hustou pevnou bavlněnou (kepr) nebo silonovou tkaninu pásmový vakuový lis: přednosti – látka se důkladně prohněte, homogenizuje a odvzdušní obsah tzv. plastifikační vody závisí na tvárlivosti látky, druhu vyráběné keramiky, velikosti částic umleté vsázky a na zvolené technologii tváření •

Tváření surové keramické látky Technologické postupy běžné způsoby -

lití do forem obsah plastifikační vody plastické tváření – točení, tažení vlhké lisování suché lisování

15 - 40 % 18 – 25 % 15 – 20 % 4- 8%

způsoby pro žáruvzdornou (nikoli elektrotechnickou) keramiku -

polosuché lisování

8 – 15 %

126

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně speciální způsoby, vyvinuté ke zpracování málo tvárlivých nebo netvárlivých keramických látek -

hydrostatické lisování vstřikové, tzv. horké lití kvaziplastické tváření lisování v žáru

plastické tváření -

nejrozšířenější technologie při výrobě elektrotechnické keramiky (izolátory, průchodky)

vlhké lisování -

vhodné pro výrobu značně členitých tvarů výrobků

suché lisování -

•

vhodné pro hromadnou výrobu tvarově přesných výlisků jednoduchého tvaru (izolační a konstrukční součásti)

dosažitelná přesnost: točení a lití výtlačné a mokré lisování suché lisování

±3–5% ±2–3% ±1–2%

smrštění

2 ÷ 30 %

Sušení polotovarů cíl operace: odstranění přebytečné vody surový výrobek se suší na konečnou vlhkost 1 – 2 % před výpalem, aby se zamezilo znehodnocení při výpalu (popraskání) keramická látka je kapilárně porézní; voda je vázána třemi způsoby: a) fyzikálně-mechanicky jako voda plastifikační, která vyplňuje kapilární prostory mezi tuhými částicemi, kde je vázána silami povrchového napětí b) fyzikálně-chemicky následkem adsorpce na povrchu i v objemu tuhé látky c) chemicky jako voda krystalová; vazba je nejpevnější (při sušení se nerozrušuje) Při sušení (teploty 800 – 900 °C) se nejprve odstraňuje voda plastifikační za smrštění předmětu, v dalším průběhu se odstraňuje voda adsorbovaná za nepatrné smrštivosti; voda krystalová se odstraňuje až při výpalu. sušárny -

•

periodický či kontinuální proces sušení: konvektivní – proudem horkého vzduchu (nejrozšířenější) radiační – sáláním zdroje infračervených paprsků dielektrické odporové Výpal vysušených výrobků procesy probíhající při výpalu -

odstranění krystalicky vázané vody (ztráta plasticity, smrštění, zpevnění) vypálení uhlíku a síry chemické reakce ▪

dehydratace

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy ▪ ▪ -

rozklad uhličitanů vznik nových chemických sloučenin

fázové přeměny ▪ ▪

-

127

polymorfní přechody tavení složek, rozpouštění krystalů, krystalizace z taveniny

slinování ▪

za přítomnosti nebo bez přítomnosti taveniny

teploty výpalu -

běžná elektrotechnická keramika speciální druhy keramik

1 200 – 1 400 °C > 2 000 °C

technika výpalu -

druhy pecí ▪ ▪ ▪

-

předměty se vypalují ▪ ▪

-

termočlánky radiační teploměry = optické pyrometry

indikace teploty ▪

-

volně uložené (v tunelových nebo komorových pecích) v šamotových pouzdrech (v kulatých pecích – ochrana před pecní atmosférou a nečistotami z topeniště

měření teploty ▪ ▪

-

kulaté (zastaralý typ) komorové tunelové

žároměrky (Segerovy jehlance)

pecní atmosféra ▪ ▪ ▪

oxidační redukční neutrální

významné pojmy •

přežah: první výpal surových výrobků – výrobek nabývá určité mechanické pevnosti, potřebné k manipulaci ostrý výpal: druhý výpal – výrobek získává význačné technické vlastnosti střep: stěna rozpracovaného nebo hotového keramického výrobku, na kterém se určuje barva, tloušťka, nasákavost, pevnost

Glazování polotovarů cíl operace: chránit keramický střep tím, že se na něm vytvoří hutnější a stálejší povrch dokonale hladký, který zabraňuje vnikání vlhkosti do střepu a tím snižuje nasákavost, chrání povrch před usazováním nečistot a tak zabraňuje vzniku vodivých stop; vrstva zvyšuje mechanickou pevnost výrobků, zlepšuje jejich odolnost proti vlivům povětrnosti a účinkům chemických agresivních látek, zlepšuje elektrické vlastnosti a dodává výrobkům lepší vzhled

128

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně glazura -

v podstatě tavenina; svojí povahou se blíží sklu suroviny: jako pro přípravu keramiky, avšak vyšší požadavky na čistotu obsah taviv v glazuře je větší než v látce střepové důležitý požadavek: αg < αstřep, aby tenká vrstva glazury byla po ochlazení namáhána na tlak

příprava glazur -

smíchání a rozemletí surovin nerozpustných ve vodě vytvoření vodní suspenze

nanášení glazur -

ponořením (máčením) do glazovací lázně stříkáním pistolí (velké izolátory)

základní typy glazur pro elektrotechniku 1. s dielektrickými vlastnostmi 1.1. tvrdé (živcové) glazury – nanášejí se na surový nebo předžahnutý (800 – 900 °C) předmět (kapalná glazura se dobře nasakuje; po uschnutí glazury – ostrý výpal (i s výrobkem) 1.2. měkké (olovnaté, boritoolovnaté) glazury – nanášejí se na ostře vypálený střep; vypalování glazury – při podstatně nižších teplotách (900 – 1 100 °C) 2. s polovodivými vlastnostmi -

•

glazura umožňuje řízení elektrického pole u izolátorů vn ρp = 106 – 107 Ω (glazury typu 1 … 1012 – 1013 Ω) základem polovodivé glazury je tvrdá živcová glazura; polovodivou složku tvoří směs oxidů, např. ZnO – Fe2O3 – Cr2O3; polovodivé oxidy vytvářejí v tavenině nevodivé skelné fáze polovodivou rekrystalizovanou spinelovou mříž

Opracování a konečná úprava výrobků opracování -

broušení + řezání závitů (karborundové brusné nástroje; pro korundovou keramiku – diamantové nástroje) vrtání děr (ultrazvuk)

pokovování -

požadavky: kovová vrstva musí ▪ ▪ ▪

-

dobře lpět na keramickém podkladu být dobře vodivá být pájitelná (měkké a tvrdé pájky)

metody 1) vypalování nánosů suspenze jemného kovového prášku v laku nebo sloučeniny kovu; vypalování při teplotách < teplota tavení kovu; používá se téměř výhradně Ag (výjimečně Au) – výpal na vzduchu, při případném použití neušlechtilých kovů (Mo, Fe) nutno vypalovat bez přístupu vzduchu


129

2) nástřik roztaveného kovu – šopování (Cu, slitiny Al nebo Zn); nevýhoda – vzniklé povlaky jsou pórovité •

Spojování keramiky mechanické spojení tmelení lepení pájení zátavy keramiky

•

Systematika keramických materiálů 1. Křemičitá keramika 2. Oxidová keramika 3. Bezkyslíkatá keramika

•

Tvrdý porcelán soustava: K2O – Al2O3 – SiO2 obvyklé hmotnostní složení směsi surovin -

kaolin – 50 %, křemenný písek – 25 %, živec (ortoklas) – 25 %

vypalovací teploty:

I. II.

900 – 1 000 °C 1 400 – 1 440 °C

hmotnostní složení vypáleného střepu - skelná fáze ~ 2/3 - krystalická fáze ~ 1/3 5.5.3

Jednokomponentní keramika

A. Oxidová keramika •

Specifika technologického procesu suroviny se připravují synteticky plastifikace je obtížnější … mletí až na 5µm teploty výpalu: 1 800 – 2 000 °C, výjimečně i 2 200 °C možnost chemické reakce s vyzdívkou

•

Druhy oxidové keramiky slinutý korund (Al2O3) periklasová keramika (MgO) slinutý slinutý oxid zirkoničitý (ZrO2) slinutý BeO slinutý ThO2 keramika na podkladě TiO2 -

stability, rutilit, negatit, permitity

B. Bezkyslíkatá keramika •

Karbidy C + kovy IV., V. a VI. sloupce periodické tabulky: TiC, ZrC, SiC, ThC, NbC, TaC, B4C

130

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně významné postavení: SiC - polovodič -

Tt = 2 700 °C ρv > 5.10-2 Ω m žáruvzdorný materiál pro jadernou a raketovou techniku

TiC -

Tt = 3 140 °C ρv řádově 10-7 Ω m žáruvzdorný materiál pro jadernou a raketovou techniku

B4C •

Tt = 2 450 °C ρv řádově 100 Ω m ρh = 2 520 kg m-3 velká tepelná vodivost značná pohltivost neutronů snadno se obrábí a tvaruje ochranné a stínicí materiály v jaderné technice

Nitridy N s elektropozitivními prvky, zvláště kovy: BN, Si3N4 (nitrid křemičitý), TiN, ZrN významné postavení: BN -

•

Tt = 3 000 °C ρv řádově 1011 Ω m ε´ = 4,15 mimořádná tvrdost, srovnatelná s diamantem dielektrikum v indukčních vakuových pecích kondenzátory pro kosmický program součásti atomových reaktorů

Boridy B s kovy, zejména přechodovými: TiB2, ZrB2, NbB2, TaB2, CrB2 -

elektrody pro elektrolýzu tavenin konstrukční materiál při stavbě plynových turbin

CrB2 •

Tt = 3 000 °C ρv řádově 10-7 Ω m

Silicidy Si s elektropozitivními prvky, nejčastěji s kovy IV., V. a VI.skupiny: MoSi2 , NbSi2, TaSi2 významné postavení: MoSi2 -

Tt = 2 030 °C ρv = 2.10-7 Ω m topné články pro elektrické pece pracující až při teplotě 1 700 °C


Sulfidy

•

Fluoridy

131

Tabulka 5.2 Vybrané vlastnosti jednokomponentních keramik Vlastnost

Al2O3

AIN

BN(Hex) B4C

BeO

SiC

Si3N4

SiO2

hustota (kg m-3)

3 900

3 260

1 900

2 520

2 900

3 200

3 200

2 100

ZrO2 stab. 5 400

bod tání (°C)

2 030

2 300

3 000*

2 450

2 530

2 700

1 900*

1 750

2 700

teplotní součinitel délkové roztažnosti při 20 až 200 °C (K-1)

(5,5 až 8,5).10-6

(5 až 6) .10-6

(1 až 10).10-6

6.10-6

(6,5 až 6,8).10-6

(4,4 až 5).10-6

(3,1 až 3,2).10-6

0,5.10-6

11.10-6

součinitel tepelné vodivosti (W m-1 K-1)

10 až 35

140 170

až 15 až 20

60

150 250

10 až 40

0,1

1 až 3

vnitřní rezistivita (Ωm)

> 1012

108

107

4

107

1016

1011

modul pružnosti (MPa)

(300 až (300 až (60 až 3 80).103 380).103 310).10

1011 až > 5.10-2 1013 (300 až 390.103 350).103

(280 až 320).103

(70 až 72,5).103

(1500 až 200).103

8 až 9

-

5,5

7

tvrdost (Mohs) *

9

7

7

450.103

9

až 90

9

Při této teplotě dochází k rozkladu.

5.5.4

Kondenzátorová keramika

Keramika na bázi oxidu titaničitého • •

Základní typ kondenzátorové keramiky – jednokomponentní oxidová keramika na bázi TiO2. Oxid titaničitý se vyskytuje ve třech krystalických modifikacích čtverečná modifikace rutil čtverečná modifikace anatas kosočtverečná modifikace brookit

•

Rutil má při všech teplotách stabilní krystalickou formu, anatas (ε´ = 48) přechází v rutil při teplotě 900 °C, brookit (ε´ = 78) se mění v rutil při teplotě 650 °C.

• •

Při slinování keramiky se používá vždy vyšších teplot; proto keramické výrobky na bázi TiO2 vykazují vždy stabilní rutilovou formu. Rutil má anizotropní vlastnosti:

ε´ = 173 ve směru rovnoběžném s hlavní osou, ε´ = 89 ve směru kolmém na hlavní osu, ε´ = 90 - 100 ve směsi, relativně nízkou hodnotu ztrátového činitele a záporný teplotní součinitel relativní permitivity (důsledek převažujícího vlivu elektronové polarizace).

132 • • • •

•


Při výrobě je požadována čistota až 99 %. Nečistoty působí škodlivě; např.často přítomné stopy niobu přecházejí při výpalu na oxid Nb, který způsobuje prudké snížení elektrické pevnosti. Výpal keramiky se provádí při teplotách 1 315 až 1 335 °C, kdy se dosahuje nejnižší hodnoty ztrátového činitele. Výpal třeba provádět v zaručeně oxidační atmosféře; jinak se tvoří fotosenzitivní Ti2O3 (postačují již tisíciny % Ti2O3). Nepříznivou vlastností rutilové keramiky je silná závislost ztrátového činitele na kmitočtu a na teplotě. Tento nedostatek se odstraní přídavkem ZrO2. Přísadami kovových oxidů s kladným teplotním součitelem permitivity αε´ - ThO2, La2O3, MgO, ZrO2, BeO, SnO2 – lze αε´ měnit v širokém rozsahu od záporných do kladných hodnot. Klesá ovšem hodnota permitivity. Při výpočtu ε´ i αε´ lze přitom s výhodou použít Lichteneckerova logaritmického směsného vztahu. Titaničitany Ca, Sr, Ba pro všechny uvedené druhy je příznačná vysoká hodnota permitivity a značná závislost ztrátového činitele na teplotě, na kmitočtu a v případě titaničitanu barnatého i na intenzitě elektrického pole titaničitan vápenatý -

ε´(20 °C) = 160, αε´ = -1 400 . 10-6 K-1

titaničitan strontnatý -

ε´(20 °C) = 240, αε´ = -3 000 . 10-6 K-1

titaničitan barnatý (feroelektrikum) -

ε´(20 °C) = 1 200 - 6 000

Klasifikace kondenzátorových hmot rutilitové hmoty - rutilit ▪ ▪ ▪

ε´ = 90 - 100 záporný teplotní součinitel ε´ základní krystalická fáze: TiO2

titaničitanové, zirkoničitanové a cíničitanové hmoty -

stability (stabilit K, stabilit L) ▪

malá hodnota teplotního součinitele ε´

titaničitanové hmoty - negatit ▪ ▪ -

ε´ = 145 základní krystalická fáze: CaTiO3

permitity (permitit 2 000, permitit 4001, permitit 6 000) ▪ ▪

vysoká hodnota ε´ základní krystalická fáze: BaTiO3

steatitové hmoty -

nízkoztrátový steatit - stealit ▪

nevelká hodnota ε´

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy ▪

133

kladný teplotní součinitel ε´

porcelánové hmoty - nízkoztrátový porcelán - porcelit ▪ ▪ ▪ ▪ -

ultraporcelán ▪ ▪

5.5.5

nevelká hodnota ε´ kladný teplotní součinitel ε´ základní krystalická fáze: celzián BaO.Al2O3.2SiO2

nevelká hodnota ε´ kladný teplotní součinitel ε´

Speciální keramika

a) Keramické polovodiče •

Termistory Termistory NTC -

záporné hodnoty αρ materiálový základ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫

UO2 (Urdox - nestabilní) soustava UO2 - MgO Fe2O3 s přídavkem TiO2 MgO s přídavkem TiO2 Fe3O4, NiO, CuO CuO s přídavkem Li2O či Cr2O3

Termistory PTC -

kladné hodnoty αρ (v oblasti využití) materiálový základ ▫ ▫ ▫

•

BaTiO3 (feroelektrikum) rezistivita se sníží přídavkem sloučenin La, Nb, W možnost řízení polohy Curieho teploty SrTiO3, PbTiO3

Varistory -

elektrický odpor se vzrůstajícím napětím co nejrychleji klesá materiálový základ ▫

SiC

b) Ferity Technologický proces • •

příprava práškové směsi výchozích materiálů kalcinace probíhá feritizace = tvoří se zárodky feritových zrn

-

posouvačem:

134

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně teplota : 800 - 1 100 °C (předžah)

• • •

zpracování kalcinované směsi tváření výpal teplota : 900 - 1 400 °C zásyp v korundovém písku (rovnoměrné rozložení teplot)

•

chlazení potlačení mechanických pnutí

•

opracování

b) Keramické supravodiče Kontrolní otázky 1) Předložte základní klasifikaci surovin pro výrobu keramiky. Vyjádřete rozdíl v pojmech „kaolín“, „kaolinit“, „jíl“ a „jílový minerál“. 2) Uveďte sled technologických operací při výrobě keramiky. Co se postupně děje v průběhu sušení surových keramických výrobků? 3) Uveďte procesy probíhající při výpalu keramiky. 4) Uveďte podrobnou systematiku keramiky pro elektrotechniku. 5) Předložte podrobnou klasifikaci silikátové (křemičité) keramiky . 6) Vyjmenujte významné zástupce oxidové keramiky. 7) V čem spočívá rozdíl mezi „korundovou keramikou“ a „slinutým korundem“? 8) Co jsou glazury a proč se používají? Které základní požadavky musí glazury splňovat? 9) Které druhy glazur se používají při výrobě keramických dílů pro elektrotechniku? 10) Uveďte nejznámější druhy kondenzátorové keramiky. Na jaké materiálové bázi se připravují? 11) Co jsou termistory a jak se klasifikují ? Z jakých materiálů se připravují? 12) Co jsou to ferity? Uveďte rozdíly mezi magneticky měkkými a magneticky tvrdými ferity .

5.6 Plasty 5.6.1

Klasifikace plastů

Klasifikace organických makromolekulárních látek Odkaz: Kapitola 5.1.4 Kapitola 5.2

Struktura a vlastnosti makromolekulárních látek Klasifikace plastů

Plasty významné pro elektrotechniku a elektroniku Termoplasty •

Polymerační produkty

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy polyetylén polypropylén polystyrén polyvinylchlorid polymetylmetakrylát polyizobutylén polyvinylkarbazol polyvinylacetát polytetrafluoretylén polytrifluormonochloretylén polyformaldehyd (polyoxymetylén) •

PE PP PS PVC PMMA PIB PVK PVAC PTFE PCTFE POM

Polymerační (a) a polykondenzační (b) produkty polyamidy typ „Silon“ typ „Nylon“

•

135

PA (a) (b)

Polykondenzační produkty polykarbonáty lineární polyestery polyetylentereftalát

PC PET

Reaktoplasty fenoplasty aminoplasty močovinoformaldehydové pryskyřice melaminoformaldehydové pryskyřice epoxidové pryskyřice nenasycené polyestery prostorové polyuretany

PF UF MF EP UP PUR

Teplovzdorné plasty polyfenylénoxid polysulfony polyamidy silikony Označování plastů AB ABS CA CF CN CTA EC EP EVAC MF

akrylonitril/butadién akrylonitril/butadién/styrén acetát celulózy krezolformaldehydová pryskyřice nitrát celulózy (nitrocelulóza) triacetát celulózy etylcelulóza epoxid, epoxidová pryskyřice etylén/vinylacetát melaminformaldehydová pryskyřice

PPO PSU PI SI

136 PA PAEK PAI PAK PAN PAR PARA PB PBD PBT PC PE PE-HD PE-LD PE-LLD PE-MD PE-VLD PEC PEEK PEI PEK PESU PET PF PI PIB PK PMMA POM PP PP-E PP-HI PPE PPS PPSU PS PS-E PSU PTFE PUR PVAC PVAL PVB PVC PVC-U PVDC PVDF PVF PVK SB

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně polyamid polyaryléterketon polyamidoimid polyakrylát polyakrylonitril polyarylát polyarylamid polybutylén polybutadién polybutyléntereftalát polykarbonát polyetylén vysokohustotní polyetylén nízkohustotní polyetylén lineární nízkohustotní polyetylén středně nízkohustotní polyetylén polyetylén s velmi nízkou hustotou polyesterkarbonát polyéteréterketon polyéterimid polyéterketon polyétersulfon polyetyléntereftalát fenolformaldehydová pryskyřice polyimid polyizobutylén polyketon polymetylmetakrylát polyoximetylen, polyacetal, polyformaldehyd polypropylén lehčitelný (lehčený) polypropylén vysokohouževnatý polypropylén polyfenylénéter polyfenylénsulfid polyfenylénsulfon polystyrén lehčený polystyrén polysulfon polytetrafluoretylén polyuretan polyvinylacetát polyvinylalkohol polyvinylbutyral polyvinylchlorid neměkčený polyvinylchlorid polyvinylidénchlorid polyvinylidénfluorid polyvinylfluorid polyvinylkarbazol styrén/butadién

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy SI UF UP

137

silikon močovinoformaldehydová pryskyřice nenasycený polyester

5.6.2

Termoplasty

POLYETYLÉN (PE) •

Vzniká radikálovou nebo iontovou polymerací uhlovodíku etylénu C2H4. Jeho vlastnosti se mění podle stupně polymerace a způsobu přípravy polymeru.

•

V podstatě existují tři způsoby výroby: vysokotlaký středotlaký nízkotlaký (Zieglerův katalyzátor)

•

Vysokotlaký způsob představuje radikálovou polymeraci prováděnou při tlacích cca 150 MPa a teplotách 150 – 250 °C. Iniciátory jsou kyslík či peroxidy. Nízkoa středotlaký způsob výroby představuje iontovou polymeraci. Nízkotlaký polyetylén se připravuje při normálních teplotách a tlacích za přítomnosti trietylaluminia (C2H5)3Al a chloridu titaničitého TiCl4. Středotlaký polyetylén se získává při tlacích 3 - 7 MPa a teplotách 150 – 250 °C za přítomnosti některých oxidů kovů (CrO3, MoO3, NiO).

•

Vysokotlaký polyetylén: nízká hustota 910 - 920 kg m-3 krystalinita cca 65 % nízký bod měknutí cca 105 °C menší pevnost v tahu a velká průtažnost 500 %

•

Nízkotlaký a středotlaký polyetylén: vyšší hustota krystalinita bod měknutí pevnost v tahu průtažnost

do 970 kg m-3 až 100 % cca 130 °C 2 - 3 x větší než u vysokotlakého velmi malá

•

Polyetylén je prakticky bez chuti a zápachu, fyziologicky je zcela nezávadný. Odolává vodě, vodným roztokům a většině chemikálií. Propustnost pro vodu je velmi malá. V obvyklých rozpouštědlech je nerozpustný. Vnějším vzhledem (i barvou) se podobá vosku, není-li jinak barven. Matnost je důsledkem krystalinity. Rovněž dobré mechanické vlastnosti jsou podmíněny krystalinitou.

•

Pod –120 °C je polyetylén tvrdý a křehký. V širokém teplotním rozsahu je pevný, při zvýšení teploty je ohebný, tvarová stálost je asi do 100 °C. Při 115 °C se taví, při teplotách cca 280 °C dochází k tepelnému rozkladu.

•

Jeho nevýhodou je, že je hořlavý, i když je znám jeden nehořlavý druh pod označením Rulan. Stárne působením světla, tepelnou oxidací a mechanickým namáháním.

•

Elektrické vlastnosti jsou výborné: permitivita (ε´ = nD2 ) ztrátový činitel

ε´ 2,25 - 2,30 tg δ (1 - 3).10-4

138

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně vnitřní rezistivita ρv (1 - 2).1015 Ω m elektrická pevnost (0,76 mm) Ep min. 50.106 V m-1

•

Použití elektroizolační součásti, součásti a izolace kabelů, hlavně pro vf.

•

Pěnový polyetylén lepší dielektrické vlastnosti použití nadouvadla - azobutyrodinitril s bodem rozkladu 95 – 98 °C

•

Zesítěný polyetylén ozářením se v polyetylénu vytvářejí příčné vazby; vzájemným spojením se vytvoří síťová struktura, která je pevnější a vydrží vyšší teploty (některé druhy až 350 °C) je o hodně dražší než běžné druhy

•

Komerční označení vysokotlaký středotlaký nízkotlaký

- Bralen, Alkathen, Lupolen, Polyten - Marlex - Liten, Hostalen, Marlen

POLYPROPYLÉN (PP) •

Vyrábí se iontovou polymerací propylénu.

•

Podle uložení metylové skupiny CH3 - v řetězci existují tři stereospecifické konfigurace PP izotaktický PP syndiotaktický PP ataktický.

•

Při výrobě může vznikat kterýkoliv z uvedených druhů, nejčastěji vzniká izo- (krystalická forma) a a-(amorfní forma) PP.

•

Mechanické vlastnosti závisí na krystalickém podílu. Proto je převážně snaha získat izotaktický polymer. Při výrobě izotaktického polypropylénu se používá stereospecifických katalyzátorů (trietylaluminium + TiCl4, tzv. Zieglerův katalyzátor).

•

Technický polypropylén je směsí izotaktického a ataktického (méně než 10 %).

•

Nejlehčí plast s hustotou 900 kg m-3, tj.výrobky plavou na vodě. Je bezbarvý, fyziologicky nezávadný, bez zápachu.

•

Má výborné mechanické vlastnosti. Oproti polyetylénu vykazuje vyšší pevnost v tahu, větší tvrdost, vyšší tepelnou odolnost (bod měknutí je 165 °C). Odolnost proti chemikáliím je větší než u polyetylénu.

•

Vlastnosti:

ε´ (106 Hz) tg δ ρv nasákavost •

2,3 10-3 – 10-4 1015 Ω m 0,01 %

Použití pláště kabelů a vodičů, vlákna , fólie.


139

Komerční označení Hostalen

POLYSTYRÉN (PS) •

V základním uhlíkatém řetězci navázána chemická skupina C6H5 -.

•

Připravuje se blokovou, emulzní, suspenzní nebo roztokovou polymerací za pomoci peroxidů jako iniciátorů.

•

Jde o čirý, poněkud tvrdý termoplast s hustotou 1 050 kg m-3. Bod měknutí je cca 65 °C. Tvarování je možné při cca 140 °C. Je stálý vůči vodě, alkoholům, alkáliím, kyselinám a minerálním olejům. Rozpouští se v aromatických uhlovodících (benzén, toluén, xylén). - Poznámka: Roztok v benzénu se používá jako lepidla pro polystyrén.

•

Vykazuje prakticky nulovou nasákavost. Umožňuje velmi dokonalé vstřikováním.Výlisky jsou průhledné jako sklo a mají hladký povrch.

•

Vlastnosti

ε´ (106 Hz) tg δ (106 Hz) ρv amorfní polymer •

tváření

2,5 3.10-3 1014 Ω m

Použití izolace kabelů, tyče a trubky pro elektrotechniku, kalíšky pro koaxiální kabely, dielektrikum pro kondenzátory (Styroflex).

•

Komerční označení Polystyrol,Trolitul Krasten (ČR) - pro vstřikování Umapor (ČR) - lehčený polystyrén

•

Polystyrén se často používá pro výrobu kopolymerů. Upravují se tím jeho vlastnosti, zejména mechanické. Ke kopolymeraci se používá buď butadién nebo akrylonitril. ABS : akrylonitril - butadién - styrén -

Vhodně v sobě spojují výhodné vlastnosti. ABS kopolymery mají velmi dobré fyzikální vlastnosti a výborné zpracovatelské vlastnosti.

POLYVINYLCHLORID (PVC) •

Připravuje se radikálovou polymerací vinylchloridu za pomoci peroxidů jako iniciátorů. Nejčastěji se získává jako emulzní nebo suspenzní polymer ve tvaru bílého termoplastického prášku bez zápachu, fyziologicky nezávadného.

•

Má amorfní strukturu a hustotu 1 380 kg m-3. Je nerozpustný ve vodě. Odolává účinkům koncentrovaných i zředěných kyselin a alkálií i minerálních olejů. Rozpouští se však ve směsích polárních a nepolárních rozpouštědel (např. aceton + benzén).

140


•

Do teplot 40 °C je tepelně stálý, při 85 °C začíná měknout a při 150 °C je natolik plastický, že se dá dobře tvářet. Při vyšších teplotách dochází k tepelnému rozkladu, přičemž se uvolňuje chlorovodík.

•

Jeho tepelná stabilita se zvyšuje přídavkem stabilizátorů (nejčastěji stearát olovnatý). Je nehořlavý,hoří pouze v přímém plameni. Nepříznivě naň působí sluneční záření; dochází ke zhoršení mechanických vlastností.

•

Vlastnosti z hlediska elektrotechniky jde o výborný izolant typický polární izolant ε´ (50 Hz) 4 ε´ (850 Hz) 3,5 6 ε´ (10 Hz) 2,4 2.10-2 tg δ ρv 1013 – 1014 Ω m Ep (50 Hz) (40 – 50).106 V m-1

•

Použití: izolace vodičů a kabelů, akumulátory (separátory, skříňky), potrubí.

•

Polyvinylchlorid je tvrdý,který pod 0 °C křehne. Pro izolaci kabelů a vodičů se požaduje jistá ohebnost v rozmezí pracovních teplot. Proto se polyvinylchlorid změkčuje přídavkem změkčovadel. Tím se dosáhne určité ohebnosti a zároveň mrazuvzdornosti. Nejběžnější změkčovadla: dibutylftalát, dioktylftalát, trikrezylfosfát. Změkčovadla se přidávají v množství 35 - 45 % hmotnosti. Přidáním změkčovadel se mění permitivita, zhoršuje se ztrátový činitel tgδ, klesá vnitřní rezistivita ρv; klesá i chemická odolnost.

•

Komerční označení Novodur, Novoplast Igelit, Hostalit, Vinidur

POLYMETYLMETAKRYLÁT (PMMA) •

V základním uhlíkatém řetězci jsou navázány chemické skupiny CH3- a COOCH3 -.

•

Připravuje se radikálovou polymerací metylmetakrylátu v bloku. Jde o amorfní polymer s hustotou 1 190 kg m-3.

•

Propouští 90 - 92 % světelného záření (více než křemičitá skla), je netříštivý, stálý, s vysokým indexem lomu (1,49). Nárazová pevnost je 7x větší než u křemičitých skel. Nevýhoda – mechanicky měkký. Poznámka: index lomu světla - tvrdá (křemičitá) skla - olovnatá (křemičitá) skla - optická (křemičitá) skla

•

1,52 1,60 1,47 - 1,80 i více

Lze velmi dobře zpracovávat. Tvarová stálost je do 70 °C. Při 120 °C je tvárně plastický. Stálý k vodě, kyselinám, louhům, benzínu a minerálním olejům. Je rozpustný v benzénu a chlorovaných uhlovodících.


141

•

Je bez chuti a zápachu. Je hořlavý, ale těžce zápalný. Je zajímavý tím, že při působení elektrického oblouku vyvíjí větší množství plynů (CO,CO2,H2) a tím se stává způsobilým zhášet v omezeném prostoru elektrický oblouk následkem tlaku vzniklých plynů.

•

Vlastnosti:

ε´ tg δ Ep •

2,7 - 3,2 (2 - 8).10-2 (25 – 30).106 V m-1

Použití: přístrojové desky, kontrolní průzory, kryty strojů, součásti měřicích přístrojů, modely, použití při konstrukci vn vypínačů.

•

Komerční označení Umaplex, Akrylon (ČR) Plexiglas, Lucite

POLYTETRAFLUORETYLÉN (PTFE) •

Získává se emulzní radikálovou polymerací tetrafluoretylénu za přítomnosti katalyzátorů. Vyrábí se jako bílý až bělošedý prášek. Ve tvaru tělesa jeví voskovitý omak.

•

Krystalický termoplast s hustotou 2 100 až 2 300 kg m-3.

•

Má mimořádné fyzikální vlastnosti a neobyčejnou chemickou odolnost, které úzce souvisejí se symetrickou lineární strukturou a přítomností fluoru v makromolekule.

•

Z hlediska chemické odolnosti patří mezi nejlepší chemicky odolné materiály vůbec. Odolává všem, i vroucím kyselinám a louhům. Proto se hodí pro agresivní prostředí. Je napadán pouze účinkem taveniny alkalických kovů s fluorem. Fyziologicky je při normálních teplotách neškodný.

•

Jeho praktické použití je dáno teplotním rozmezím -200 až +250 °C. Při 237 °C probíhá fázová přeměna. Krystalický polymer přechází v amorfní. Polymer se pak stává průhledným. Obtížně se zpracovává. Tvářitelnost omezuje malá tekutost polymeru i za vysokých teplot nad 320 °C a blízkost bodu rozkladu. Proto se zpracovává některými způsoby práškové metalurgie.

•

Má dobré mechanické vlastnosti, nadto malý součinitel tření. Proto se používá na samomazná ložiska. Je nehořlavý, odolává působení ultrafialového záření.

•


ε´ tg δ ρv Ep nasákavost •

2,0 2.10-4 1014 Ω m 50.106 V m-1 nulová

Použití průchozí a podpěrné izolátory, koaxiální spojky a přípojky, kabelová izolace, patice elektronek

142 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Komerční označení Teflon, Ftoroplast 4, Fluon, Hostaflon

POLYTRIFLUORMONOCHLOETYLÉN (PCTFE) •

Získává se roztokovou nebo emulzní radikálovou polymerací trifluormonochloretylénu.

•

Krystalický polymer s hustotou 2 100 kg m-3 .

•

Svými fyzikálními vlastnostmi je podobný polytetrafluoretylénu, pouze jeho optimální hodnoty jsou poněkud nižší. Teplotní odolnost: -200 až +190 °C. Chemicky odolný je podobně jako polytetrafluoretylén, avšak působí na něj některá organická rozpouštědla a aromatické uhlovodíky (benzén). V malých tloušťkách je průhledný, u tlustostěnných dílců šedobílý. Výhodou je snazší zpracovatelnost.

•

Vlastnosti:

ε´ (106 Hz) ρv Ep •

2,7 1016 Ω m až 80.106 V m-1 (fólie)

Použití: izolace vodičů, lamináty.

•

Komerční označení Teflex, Ftoroplast 3, Hostafluon

POLYFORMALDEHYD (polyoxymetylén) (POM) •

Je tvořen lineární makromolekulou s opakující se skupinou - CH2 - O -. Vyrábí se polymerací formaldehydu.Jednotlivé řetězce mají cca 1 000 - 1 500 jednotek.

•

Je jedním z nejdůležitějších plastů budoucnosti pro svoje vynikající mechanické vlastnosti a hlavně nízkou cenu výchozích surovin.

•

Vysoký stupeň krystalinity mu dává některé vlastnosti kovů, jako dobrou houževnatost, odolnost proti únavě ap.

•

Teplotní odolnost do 85 °C, krátkodobě na 120 °C. Po zapálení hoří bledým namodralým plamenem.Má hustotu 1 420 kg m-3.

•

Odolává téměř všem chemikáliím, takže v tomto směru snese srovnání s polytetrafluoretylénem. Umožňuje volbu různých technologií - vstřikování, vytlačování, tažení vláken, nanášení.

•

Vlastnosti:

ε´ (106 Hz) tg δ ρv Ep nasákavost

3,7 4.10-4 1014 Ω m 20.106 V m-1 malá


143

Použití: používá se tam,kde vedle dobrých elektroizolačních vlastností se požadují velmi dobré mechanické vlastnosti.

•

Důležitou vlastností polyformaldehydu je i okolnost, že jeho elektrické parametry se jen málo mění i ve vlhkém prostředí a dokonce i při úplném ponoření do vody.

•

Komerční označení Delrin, Hostaform

POLYAMIDY (PA) •

Plasty, které vytvářejí převážně lineární makromolekuly, obsahující v řetězci skupiny NH - CO -.

•

Vznikají polykondenzací diaminů (odvozených od amoniaku) a dikarbonových kyselin (kyselina adipová), nebo polymerací kaprolaktamu v řetězové makromolekuly.

•

V prvém případě vzniká makromolekula typu - NH - (CH2)6 - NH - CO - (CH2)6 - CO -

•

(hexametyléndiamín)

(Nylon)

v druhém případě pak - NH - (CH2)5 - CO -

(Silon)

•

Plast má silně krystalický charakter, hustota je 1 130 až 1 150 kg m-3.

•

Na rozdíl od typických termoplastů při zvýšených teplotách neměknou,ale náhle se roztaví na řídkou látku (150 až 250 °C podle molekulové hmotnosti); to umožňuje výrobu fólií a vláken.

•

V tenkých vrstvách jsou průsvitné, v tlustších - nažloutlé. Mají výborné mechanické vlastnosti, závislé na obsahu krystalické fáze,a ta je opět závislá na způsobu chlazení taveniny. V roztaveném stavu za přítomnosti kyslíku se hnědě zabarvují. Jsou špatně hořlavé.

•

Jsou stálé na světle a v olejích. Vůči kyselinám a louhům nejsou příliš stálé. Nenapadají je hnilobné baktérie.

•

Nevýhodou je menší navlhavost; proto je nutné před použitím sušení ve vakuových suškách při 50 – 70 °C. Nasákavost zhoršuje elektrické vlastnosti.

•

Nejsou typickými elektroizolačními materiály. Využívá se spíše jejich mechanických vlastností.

•

Vlastnosti:

ε´ tg δ ρv Ep

4 - 25 2.10-2 108 - 1012 Ω m (10 – 50).106 V m-1

144 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Použití: ochranné pláště PVC kabelů, elektroizolační polyamidové laky, ochranné kryty, vlákna.

•

Významnou vlastností polyamidů je jejich schopnost orientace. Protahováním (dloužení, u vláken až na čtyřnásobnou délku) se řetězce polyamidů uspořádají lineárně a tím značně vzrůstá mechanická pevnost.

•

Komerční označení Silon, Silamid Perlon, Igamid, Nylon, Rilsan, Kapron

POLYKARBONÁTY (PC) •

Výroba polykarbonátů spočívá v polykondenzaci dihydroxysloučenin s fosgenem COCl2 za přítomnosti látek, které vážou vznikající chlorovodík. Polykondenzace se provádí v prostředí indiferentních rozpouštědel.

•

Při reakci se vytvářejí řetězce CH3 ‫׀‬ - O - (C6H4) - C - (C6H4) - O - C ‫׀‬ ‫׀׀‬ CH3 O Poznámka: dian - dihydroxyfenolpropan

•

Tvarová stabilita je až do 140 °C, tj. ve srovnání s jinými termoplasty dost značná. Hustota je 1 200 kg m-3. Vykazují malý sklon ke krystalizaci.

•

Jsou odolné proti kyselinám, louhy je zmýdelňují. Rozpouštějí se dobře v organických rozpouštědlech. Jsou fyziologicky nezávadné, bez chuti a zápachu. Jsou průzračné, lze je snadno barvit. Při zapálení po oddálení plamene samy zhášejí.

•

Charakter molekuly je jen velmi málo polární; proto je typická malá navlhavost.

•

Vlastnosti: elektrické vlastnosti jsou výborné ε´ (106 Hz) 2 1,3.10-3 tg δ ρv 1015 Ω m Ep 100.106 V m-1

•

Důležité je, že význačné elektrické vlastnosti si zachovávají i při zvýšené teplotě a vlhkosti. Mají výborné mechanické vlastnosti.

•

Použití: výlisky pro elektrotechniku nejrůznějšího charakteru.

•

Komerční označení Merlon, Makrolon


145

LINEÁRNÍ POLYESTERY (SP) •

Látky, které obsahují v řetězci esterovou skupinu. Připravují se dikarbonových kyselin s dihydroxysloučeninami.

•

Nejznámějším lineárním polyesterem je polyetyléntereftalát, který vzniká polykondenzací etylénglykolu (OH – CH2 – CH2 -OH) s kyselinou tereftálovou COOH – C6H4 - COOH.

•

Tepelně stálý do 175 °C, má krystalický charakter. Vyniká vysokou mechanickou pevností, stálostí tvaru a elasticitou. Významný pro výrobu fólií a vláken.

•

Odolává dobře vlivům světelného záření a povětrnosti. Velmi dobrá je chemická odolnost. Vůči olejům je stálý. Vykazuje malou propustnost pro plyny. Velmi dobré elektroizolační vlastnosti.

•

Fólie možno svařovat tepelně impulzním svářením.

•

Použití:

polykondenzací

izolace vodičů a kabelů, dielektrika pro kondenzátory, fólie pro výrobu izolačních pásek. •

Komerční označení tkaniny: vlákna: fólie:

5.6.3

Tesil Terylen, Dacron Hostafan, Mylar

Reaktoplasty

•

Reaktoplasty - makromolekulární látky tvrditelné, tj. schopné vytvářet prostorové struktury.

•

Způsoby výroby jsou prakticky výsledkem polykondenzačních, resp. polyadičních reakcí.

•

Základní makromolekuly jsou zpravidla charakterizovány velkou polaritou.Proto nejsou reaktoplasty tak dobrými elektroizolanty jako termoplasty.

•

Významnou jejich vlastností je tvarová stálost.

•

Typické reaktoplasty představují fenoplasty aminoplasty (melaminoplasty) epoxidové pryskyřice nenasycené polyesterové pryskyřice prostorové polyuretany

•

Důležitou skupinu tvrditelných látek, které však netvrdnou postupující polykondenzací, tvoří pryskyřice nenasycených polyesterů a epoxidové pryskyřice. Tyto pryskyřice se vytvrzují přidáním jiného monomeru, který jako polymerační rozpouštědlo způsobí zesíťování vláknitých makromolekul, jako u nenasycených polyesterů nebo přidáním alkalických i kyselých tvrdidel (tužidel) u pryskyřic epoxidových.

FENOPLASTY (PF) •

Reaktoplasty, vznikající polykondenzací fenolů s aldehydy.

146


•

Klasické pryskyřice - syntéza více než sto let stará. Praktická výroba nejznámějšího druhu od počátku 20. století (Baekeland – bakelit).

•

Fenoplasty patřily k nejrozšířenějším syntetickým pryskyřicím. Jejich podíl na celkové výrobě plastů však postupně klesal.

•

Nejrozšířenějším zástupcem této skupiny jsou fenolformaldehydové pryskyřice, které vznikají polykondenzací fenolu C6H5OH a formaldehydu CH2O. Místo fenolu se často používá i krezolu CH3.C6H4OH (krezolformaldehydové pryskyřice - CF).

•

Formaldehyd CH2O je plyn ve vodě rozpustný a jeho 30 %ní roztok se nazývá formalín. Pryskyřice se získá vařením fenolu nebo krezolu a formaldehydu za přítomnosti katalyzátoru při postupující polykondenzaci za současného vylučování vody.

•

Podle poměru fenolu a formaldehydu a podle použitého katalyzátoru mohou vzniknout dva druhy fenolové pryskyřice.

•

Při použití zásaditého katalyzátoru (amoniaku) a poměru 1 molu fenolu a 1,5 molu formaldehydu se získá termoreaktivní látka, zvaná bakelit, ve stadiu bakelitu A, čili rezolu, který je tavitelný a rozpustný v alkoholu. Teplota měknutí je mezi 55 až 80 °C. V tomto stadiu se užívá k impregnaci papíru a tkanin, resp. dřeva, hlavně při výrobě starších typů tvrzeného papíru. Při ohřevu na 125 °C vzniká další kondenzací bakelit B čili rezitol, který je již méně rozpustný, těstovitý a lisovatelný. Dalším ohřevem na cca 140 °C vzniká konečné stadium, bakelit C - rezit, který je nerozpustný a netavitelný. Při vyšších teplotách se již jen přemění na uhlík a shoří. V tomto konečném stadiu bakelitu C je pak používán v elektrotechnice.

•

Rezol

•

Rezit vazba na boční řetězce

•

Fenolformaldehydové pryskyřice jsou stálé do 160 oC, odolné proti organickým rozpouštědlům, kyselinám a slabým zásadám. Jsou levné, suroviny jsou dostupné. Vykazují poměrně malou navlhavost a dobrou fungicidnost. Mechanické vlastnosti se dají modifikovat plněním plnivy.

•

Pryskyřice jsou zpravidla žlutě až hnědě zbarveny, což je způsobeno oxidací fenolu během polykondenzace a vytvrzování.

•

Pro elektrické vlastnosti jsou důležité polární skupiny -OH, jejichž obsah v makromolekule ovlivňuje permitivitu a ztrátový činitel. Dipólový moment lze snížit substituenty - náhradou vodíku ve skupině -OH např.méně polární metylovou skupinou (nebo acetylovou nebo benzylovou). Tyto pryskyřice mají nižší ztráty a menší závislost na kmitočtu a na teplotě. Nevýhodou je ztížení tvrditelnosti.


147

•

Nedostatkem fenolformaldehydových pryskyřic je, že při účinku elektrických výbojů se vytvářejí na povrchu vodivé C - můstky. Nejsou rovněž dostatečně odolné proti plazivým proudům.

•


ε´ (50 Hz) tg δ ρv Ep •

5-6 řádově 10-2 108 – 1011 Ωm (10 – 20).106 V m-1

Použití: Lisovací hmoty (různá plniva) ,licí hmoty, příprava laků, výroba kartitů a textitů.

•

Faolit - fenolformaldehydová pryskyřice + anorganická plniva (azbest, grafit, písek) kyselinovzdorné materiály.

•

Použije-li se při reakci fenolu a formaldehydu kyselého katalyzátoru (slabých kyselin solné, siřičité, vinné), pak při poměru 1 molu fenolu k 0,8 molu formaldehydu vzniká termoplastická netvrditelná pryskyřice, tzv. novolak, která si uchovává tavitelnost a rozpustnost. Novolak se používá při výrobě plastů a v lakařském průmyslu.

AMINOPLASTY •

Termoreaktivní pryskyřice, vzniklé polykondenzací formaldehydu s látkami, obsahujícími reaktivní aminoskupiny.

•

Typickými představiteli aminoplastů (karbamidové) a melamínové.

•

Aminoplasty celkově jsou ve srovnání s fenoplasty odolnější vůči elektrickému oblouku (použití v konstrukci vypínačů). Kromě toho při působení elektrického oblouku uvolňují dusík a vodík,které zhášejí oblouk.

•

Nevýhodou oproti fenoplastům je menší odolnost proti vodě.

•

Vrstvené papíry s aminoplasty - umakarty.

jsou

pryskyřice

močovinoformaldehydové

KARBAMIDY (močovinoformaldehydové pryskyřice) (UF) •

Příprava: polykondenzací formaldehydu s močovinou (karbamidem) CO(NH2)2 ve slabě kyselém nebo slabě zásaditém prostředí – N – CH2 – N – CH2 – ‫׀‬ ‫׀‬ CO CO ‫׀‬ ‫׀‬

•

Karbamidy jsou ve vytvrzeném stavu průsvitné. Jsou bez zápachu a jsou zdravotně nezávadné. Jsou málo rozpustné v organických rozpouštědlech, ale dobře rozpustné ve vodě. Používají se na impregnaci papíru a tkanin. Tukům i olejům odolávají.

•

Snášejí teploty do 65 °C, krátkodobě do 90 °C. Mají dobré elektrické a mechanické vlastnosti.

•

Použití:

148

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Na výlisky, skříňky, ovládací knoflíky, konstrukční součásti; velká část součástí pro domácnost.

•

Komerční označení: Umalur Pollopas, Cibanoid

MELAMÍNY (melamínoformaldehydové pryskyřice) (MF) •

Příprava kondenzační reakcí formaldehydu s melamínem (triaminotriazin - tři reaktivní -NH2 skupiny)

•

Mají velmi dobré elektrické vlastnosti a lepší stálost k vodě a chemickým činidlům než výrobky karbamidové.

•

Použití: Výlisky.

•

Komerční označení: Ultrapas, Melapas

NENASYCENÉ POLYESTERY (UP) •

Názvem polyestery (polyesterové pryskyřice) jsou většinou míněny nenasycené polyesterové pryskyřice rozpuštěné v monomeru, který obsahuje dvojnou vazbu.

•

Nenasycené polyestery vznikají působením nenasycených dikarbonových kyselin na dvojmocné alkoholy (glykoly), které se po přidání polymeračního rozpouštědla (nejčastěji styrénu) ve směsné polymeraci (kopolymeraci) vytvrdí. Vláknité makromolekuly nenasycených polyesterů se přitom vzájemně spojují molekulami styrénu, čímž dochází k prostorovému zesíťování (ztuhnutí). Pro vytvrzování není třeba kyslíku a nevznikají žádné zplodiny.

•

Z dvojmocných alkoholů se nejčastěji používá propylén- či etylénglykol, z nenasycených kyselin pak kyselina maleinová nebo furanová či jejich anhydridy.

•

Protože však polyester na bázi nenasycených dikarbonových kyselin nemá nejvýhodnější mechanické vlastnosti, nahrazuje se část nenasycených kyselin jinou kyselinou nebo jejím anhydridem, které neobsahují dvojné vazby (kyselina ftalová nebo adipová nebo její anhydridy). Z monomerů, se kterými se mísí a se kterými probíhá kopolymerace, je vedle styrénu - metylmetakrylát nebo vinylacetát.

•

Vyrobené nenasycené polyestery jsou světle žluté až hnědě vybarvené vysoce viskózní kapaliny.


149

Použití polyesterů: výroba laminátů licí pryskyřice lisovací hmoty bezrozpouštědlové laky.

•

Licí pryskyřice jsou průhledné a mají poměrně malé smrštění (5 - 10 %). V elektrotechnice použití např.k zalévání kondenzátorů.

•

Z termoreaktivních polyesterů patří mezi nejstarší typy syntetických pryskyřic, tzv. glyptaly - jinak glycerinftalátové pryskyřice. Představují velmi důležité lakařské pryskyřice. Současné správné označení - modifikovaný alkyd. PREMIXY (náměsi) •

Lisovací hmoty - vedle dobrých mechanických vlastností mají výborné elektroizolační vlastnosti.

ε ´ (103 Hz) tg δ (103 Hz) ρv Ep

4,5 (2 - 3).10-2 1013 Ωm (13 – 17).106 V m-1

•

Dobrá odolnost proti oblouku, odolnost proti plazivým proudům, velká tvarová stálost.

•

Základní složky premixů: nenasycené polyesterové pryskyřice minerální plniva ( 30 - 60 % hm.) ( CaCO3,SiO2,kaolin) ztužující vlákna (skleněná vlákna z nízkoalkalické skloviny délky 0,5 až 2 cm)

•

Premixy se lisují při 150 - 160 °C po dobu 2 - 3 minut.

•

Použití premixů: kryty spínačů, stykačů, svorkovnice, koncovky vodičů, kabelové spojky.

BEZROZPOUŠTĚDLOVÉ LAKY •

Velmi hledané, vynikají čirostí, leskem a povrchovou tvrdostí. Šetří se rozpouštědlo.

EPOXIDOVÉ PRYSKYŘICE (EP) •

Příprava kondenzací polyfenolů (dianů) s dichlorhydrinem nebo epichlorhydrinem v alkalickém prostředí. Při pochodu probíhá současně i polyadice.

•

Výsledkem reakce je látka složitého chemického složení. Z hlediska dalšího zpracování pryskyřice je důležitá skupina na konci makromolekuly, tzv.epoxidová reaktivní skupina s příznačným kyslíkovým můstkem; při uložení na konci makromolekuly -

•

Epoxidová skupina je v dalším průběhu reakcí schopna reagování s difunkčními látkami, přičemž se vytváří trojrozměrná molekula.

•

Podle vzájemného poměru dianu a epichlorhydrinu lze získat pryskyřice s různou molekulovou hmotností. Protože při polykondenzačních a polyadičních reakcích probíhají

150


i jiné, vedlejší reakce, je prakticky část epoxidových skupin v makromolekule nahrazena hydroxylovými skupinami. •

Při vytvrzování dochází k reakci tvrdidel (tužidel) s epoxidovou skupinou. Přitom nevznikají žádné vedlejší produkty. Při vytvrzování polymeruje epoxidová pryskyřice za vzniku trojrozměrných makromolekul.

•

Tvrdidla pro vytvrzování za tepla - anhydrid kyseliny ftalové pro vytvrzování za normálních teplot - dietyléntriamín, trichloramin (3 - 8 % hm.).

•

Tvrdidla působí většinou jako adiční prostředky - tedy vytvrzování je pochodem adičním. Existuje však také celá řada tvrdidel, jež vyvolávají polymeraci epoxidové skupiny, obvykle podle iontového mechanismu - např.komplex terciárních aminů a fluoridu boritého BF3.

•

Epoxidy vynikají řadou mimořádných vlastností, zejména výtečnou adhezí ke kovům, keramice i ke skleněným vláknům.

•

Mechanická pevnost je vynikající.

•

Jsou hydrofóbními materiály. Odolnost proti působení vlhkosti je dobrá. Snášejí dlouhodobá tepelná zatížení 160 °C. Rozklad nastává při 340 - 345 °C.

•

Z chemického hlediska odolávají značnému počtu chemických reagent, neodolávají však acetonu, esterům a chlorovaným uhlovodíkům.

•

Elektrické vlastnosti jsou pozoruhodné. Jsou ovlivněny většinou polyadičním charakterem tvrdnutí bez nepříznivého odlučování prchavých vedlejších produktů, polaritou epoxidových funkčních skupin a skupin -OH. ε´ (102 Hz) 4 (108 Hz) 3,2 (102 Hz) 2 . 10-3 tg δ (108 Hz) 3 . 10-2

•

Elektrické vlastnosti jsou značnou měrou určovány druhem tvrdidla. Celkově lepší elektroizolační vlastnosti se dosahují s anhydridem kyseliny ftalové. Elektrická pevnost je vysoká, nadto je velká odolnost proti plazivým proudům.

•

Použití v elektrotechnice je mnohostranné: lepidla licí pryskyřice laky (nátěrové látky i vypalovací hmoty) lisovací hmoty vrstvené izolace (mj.tvrzené papíry a tkaniny) zalévání modulů, transformátorů, patic, elektronek.

•

Významné použití při výrobě skleněných laminátů: Sklotextit, Eponal, Epotex

•

Komerční označení: Araldit (Ciba, prvý výrobce), Epon


151

Tuzemské pryskyřice se vyrábějí v různých druzích a dodávají se buď v podobě viskózních kapalin i v tuhém stavu jako tvrdé a křehké látky: lepidla - CHS-Epoxy

1001 - tuhý stav 1200 - kapalina 1600 - kapalina

licí pryskyřice - CHS-Epoxy

2000 - tuhý stav 2100 - kapalina 2200 - kapalina 2400 - kapalina

EPROSINY •

Pasty (tmely) připravené na bázi epoxidových pryskyřic s různými plnivy (mletý křemen, Al prášek, mletý azbest, Fe prach).

EPOSTANY •

Disperze epoxidových pryskyřic ve vodě (nátěrové hmoty).

POLYURETANY (PUR) •

Představují skupinu polyadičních polymerů.

•

Základem syntézy polyuretanů jsou reakce dihydroxysloučenin s látkami, které obsahují izokyanátové skupiny - N = C = O .

•

Použijí-li se diizokyanátové skupiny, vznikají lineární termoplastické polymery, vhodné pro výrobu vláken (Igamid, Perlon).

•

Použijí-li se trikyanáty či polykyanáty a alkoholy s více než dvěma hydroxylovými skupinami (např. směs butylénglykolu s glycerinem), vznikají reaktoplastické polyuretany, schopné vytvářet prostorové zesíťované molekuly.

•

Vlastnosti vytvrzených polyuretanů závisí jednak na výchozích složkách, jednak na poměru složek.

•

Podle druhu a velikosti jejich molekul mohou být aktivní skupiny od sebe různě vzdáleny: těsně vzdáleně

•

vzniká tvrdý a houževnatý reaktoplast vzniká pružná látka, tzv.polyuretanový kaučuk

Vlastnosti:

ε´ tg δ (106 Hz) ρv nízká navlhavost

3-4 2 . 10-2 1010 – 1012 Ωm

•

Optimální mechanické a elektrické vlastnosti se dosahují při ekvivalentním poměru aktivních (složek) skupin -OH : -NCO ... 4 : 4.

•

Při přebytku - OH skupin vznikají měkčí látky. Volný přebytek – OH skupin má za následek polarita struktury, následně vnitřní rezistivita a elektrická pevnost jsou nižší.

•

Při přebytku skupin -NCO reagují volné skupiny snadno s vodou nebo kyselinou octovou a uvolňuje se CO2. Původně tvrdá látka se nadouvá, vzniká pěnový polyuretan.

152 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Použití polyuretanů v elektrotechnice: klimaticky velmi odolné laky, teplovzdorné laky, kaučukové směsi pro kabely.

5.6.4

Teplovzdorné plasty

•

Tuto skupinu tvoří plasty - polymery s trvalou tepelnou odolností vyšší než 150 °C. Často bývají vyztuženy skleněnými, uhlíkovými nebo aramidovými vlákny. Přítomnost plniv přitom dodává materiálům specifické vlastnosti. Grafit vytváří elektricky vodivé polymery, případně zlepšuje kluzné vlastnosti jako sulfid molybdeničitý, bronzový prach, nebo prášek PTFE.

•

Mezi hlavní představitele této skupiny patří: polysulfony (PSU), polyétersulfony (PES), polyfenylenoxid (PPO), polyfenylensulfid (PPS), polyimidy (PI), polyéterimidy (PEl), polyamidimidy (PAI), polyéteréterketon (PEEK), polyaryléterketon (PAEK), polyftalamid (PPA), polyaryláty (PAR), polyesterkarbonát, aramidy.

•

Materiály jsou využívány především pro mechanicky, tepelně a elektricky namáhané díly (ozubená kola, vačky, ložiska, hnací hřídelky, díly čerpadel, pístní kroužky, elektronářadí, letadlové díly, přesné díly elektronických a elektrotechnických přístrojů apod.).

•

Vyšší tepelné odolnosti polymerů lze dosáhnout opatřeními, která vedou ke zvýšení krystalinity (pravidelným uspořádáním postranních řetězců, se silnými mezimolekulárními přitažlivými silami mezi segmenty řetězců) a ke zvýšení tuhosti řetězců (následkem zabudování kruhových vazeb do řetězců makromolekul)

•

Ke zvýšení chemické odolnosti za vysokých teplot vedou taková opatření, jimiž se zabrání vzniku volných radikálů následkem destrukce vazeb C - C nebo odštěpování H2 z metylénových skupin:. náhradou poměrně slabých vazeb C - H vazbami C - F, částečnou nebo úplnou náhradou uhlíkatých atomů v řetězci jinými atomy nebo skupinami atomů (silikony), zabudováním aromatických a heterocyklických kruhů do řetězce.

POLYSULFON (PSU) •

Amorfní termoplast. Má velkou mechanickou pevnost od -100 do +150 °C, velkou tuhost, houževnatost, stálé elektrické vlastnosti do 175 °C. Je odolný proti anorganickým kyselinám, zásadám a roztokům solí. Vykazuje mírnou navlhavost, je nehořlavý a odolný proti záření beta a gama. Hodí se na tělesa a kryty domácích elektrických spotřebičů, izolační součásti v elektronice, součásti lékařských přístrojů (možnost sterilizace při 120 °C), součásti v potravinářském, farmaceutickém a chemickém průmyslu.

•

Čirý, průzračný, tvrdý, houževnatý materiál; hustota (měrná hmotnost) 1 250 kg m-3.

•

Řetězce jsou tvořeny benzénovými kruhy, spojenými třemi druhy vazeb: izopropylidénovou, éterovou a sulfonovou. Strukturou lze vysvětlit dobrou odolnost proti oxidaci (atomy síry jsou obsazeny atomy kyslíku, přičemž sulfonová skupina přitahuje elektrony ze sousedních benzénových kruhů) a odolnost proti vysokým teplotám (v důsledku přítomnosti fenylénsulfonu a fenylénoxidových skupin). Dobré mechanické vlastnosti podmíněny přítomností éterových a propylidénových skupin.


153

•

Praktické použití v rozmezí -100 až +150 °C. Měkne při 175 °C. Vyniká tvarovou stálostí. Nasákavost je 0,2 %. Je samozhášivý. Odolává kyselinám, zásadám, alifatickým uhlovodíkům a alkoholům. Je napadán chlorem a aromatickými uhlovodíky.

•

Je slabě polární. Permitivita je 3,1 při 20 °C a v rozmezí 50 - 106 Hz. Ztrátový činitel je 8.10-4 (50 Hz), 6.10-3 (106 Hz), vnitřní rezistivita – 1014 Ω m.

•

Zpracovává se vytlačováním a lisováním při 300 - 400 °C. Fólie, trubky, vodiče, kabely.

POLYÉTERSULFON (PES) •

Amorfní termoplast. Mechanicky pevný od -100 do +200 °C, má velkou tuhost, dobrou kluznost a otěruvzdornost, stálé elektrické vlastnosti od 20 do 150 °C. Použití: na mechanicky a současně tepelně namáhané součásti v automobilech a letadlech, izolační součásti v elektrotechnice, osvětlovací tělesa, sterilizovatelné lékařské přístroje.

POLYFENYLÉNSULFID (PPS) •

Semikrystalický termoplast. Pevný, tuhý a tvarově stálý za tepla. Trvalá teplotní odolnost 200 °C. Velká chemická odolnost, velká odolnost proti záření a vlivům povětrnosti. Nehořlavý. Použití: v elektronice a v elektrotechnice, pro součásti počítačů, lékařské přístroje, tělesa a oběžná kola čerpadel, ložiska, součásti ventilů, kuchyňské nádobí.

POLYIMIDY (PI) •

V polymerním řetězci jsou zabudována aromatická jádra a heterocyklické struktury. Vysoká teplotní odolnost, v inertní atmosféře stálé až do 500 °C, trvale snášejí teploty kolem 300 °C. Dobře odolávají běžným rozpouštědlům, tukům a olejům, a to až do vysokých teplot. Obecně jsou velmi odolné k různým druhům záření. Dva základní typy polyimidů: -

kondenzační polymery, které tvoří lineární řetězce, adiční polymery, které vytvářejí trojrozměrné sítě.

Využití: -

v letectví a kosmonautice: konstrukční díly, v elektrotechnice a mikroelektronice: pasivační a ochranné vrstvy integrovaných obvodů, mezivrstvová dielektrika, lepidla, izolační vrstvy v nahrávacích hlavách, desky plošných spojů, solární baterie, spojovací prvky světlovodů, materiály pro elektronovou litografii; laky, fólie, dielektrika kondenzátorů, izolace vodičů kabelů.

Nejznámější druh: -

Kapton

•

Představuje vynikající kombinaci výborných tepelných, mechanických a elektrických vlastností. Trvale snášejí 260 °C, krátkodobě cca 500 °C. Jsou mrazuvzdorné do -269 °C. Taví se při 800 °C.

•

Vynikají tvarovou stálostí za tepla, předčí i fluoroplasty. Odolávají většině chemikálií, neodolávají zásadám. Vzdorují vlivům povětrnosti, ozónu a ionizujícího záření (rychlým elektronům i gama záření). Jsou samozhášivé .

•

Jsou slabě polární. Permitivita je 3,5 při 20 °C a kmitočtech až 106 Hz. Ztrátový činitel je 3.10-3 (50 Hz), vnitřní rezistivita 1013 Ω m, elektrická pevnost (3 mm) je 20.106 V m-1.

154


•

Zpracování je obtížné. Přestože jde o termoplast (lineární struktura), nelze je zpracovat běžnými metodami s ohledem na vysokou teplotu měknutí. Proto se zpracovávají slinováním jako PTFE. Jsou proto drahé.

•

Další teplovzdorné materiály se připravují tak, že se polyimidové vazby zabudovávají do jiných polymerních řetězců, zvl. polyesterů a polyamidů; vznikají polyesterimidy, polyamidimidy.

POLYÉTERIMID (PEI) •

Amorfní termoplast. Má velkou pevnost a tuhost. Trvalá stálost za tepla 200°C, použitelnost trvale do 170°C. Konstantní dielektrické vlastnosti ve velkém rozsahu teplot a kmitočtů. Velká odolnost proti záření a vlivům povětrnosti. Nehořlavý. Chemická odolnost proti anorganickým kyselinám a zásadám, olejům a pohonným směsím, alkoholům. Použití: v automobilovém, leteckém a raketovém průmyslu, na tělesa spínačů a izolátory, součásti mikrovlnných vařičů, součásti reflektorů, zámky bezpečnostních pásů, součásti v elektrotechnice.

POLYAMIDIMID (PAI) •

Modifikovaný reaktoplast. Pevný v rozmezí -190 až +260 °C, velmi ,houževnatý, tvarově stálý za tepla až 280 °C, má nízkou teplotní roztažnost, velkou odolnost proti gama a UV záření a proti vlivům povětrnosti. Použití: pro mechanicky a vysokoteplotně namáhané součásti, například dílce pro hydraulické a pneumatické motory, vývěvy, ložiska, kluzná uložení, vačky elektrických spínačů, ochranné kryty proti elektrickému průrazu těles cívek.

POLYÉTERÉTERKETON (PEEK) •

Semikrystalický termoplast. Vysoká pevnost v tahu, tažnost 125%, teplotní odolnost 200 °C; nehořlavý. Dobrá kluznost a otěruvzdornost. Chemicky odolný proti pohonným hmotám, mazacím a hydraulickým olejům, alkoholům a rozpouštědlům. Použití: na mechanicky značně namáhané součásti při vysokých teplotách v tryskových motorech, izolační součásti v elektrotechnice a v telekomunikacích.

POLYFENYLÉNOXID (PPO) •

Vyrábí se oxidací 2, 6 – dimetylfenolu. Lineární polymer - termoplast. Výborné mechanické vlastnosti, dobré elektrické vlastnosti, hustota (měrná hmotnost) je 1 060 kg m-3.

•

Nepolární látka. Při 20 °C je permitivita 2,6 až do 106 Hz, ztrátový činitel 3.10-4 (50 Hz), 9.10-4 (106 Hz), vnitřní rezistivita 1015 Ω m, elektrická pevnost cca 20.106 V m-1. Elektrické vlastnosti se nemění mezi -180 až +180 °C.

•

Měkne při 190 °C. Trvalá odolnost je jen do 120 °C. Při vyšších teplotách poměrně brzy křehne následkem zesíťování (stává se reaktoplastem). Ke zvýšení tepelné odolnosti se přidávají stabilizátory.

•

Výborná je odolnost proti kyselinám, zásadám a horké vodě. Rozpustný v alifatických, aromatických a Cl - uhlovodících. Samozhášivý - po oddálení plamene přestane hořet. Nepatrná propustnost pro plyny a páry. Nasákavost max. 0,l %. Houževnatý materiál s malým studeným tokem. Zpracovatelný běžnými termoplastikářskými metodami (i fólie). Využití v elektrotechnice: izolační pláště, vodiče, výlisky pro radiotechniku.

•

Modifikovaný PPO - Noryl (General Electric). Elektrické vlastností obdobné jako u PPO. Mechanické a tepelné vlastnosti poněkud horší (- 40 až +90 °C) .


155

AROMATICKÉ POLYAMIDY •

Aromatické polyamidy (aramidy) - lineární polymery vzniklé spojením aromatických jader amidovými (případně také imidovými) vazbami. Makromolekulární řetězce se chovají jako tuhé tyčinky s nízkou ohebností a tendencí tvořit kapalně krystalické mezifáze. Z toho vyplývá značná odolnost aramidů proti teplotám. Většinou se netaví, ale rozkládají v teplotním intervalu 350 – 550 °C. Vysoká pevnost, tuhost, tepelná stálost, nízká hořlavost a chemická odolnost přibližuje tyto materiály anorganickým vláknům skleněným, uhlíkovým, ocelovým. Příznivá je i jejich houževnatost, odolnost proti únavě a oděru.

•

Nejznámější druhy: vlákna Kevlar (Kevlar 29, Kevlar 49: výztuže v kompozitech, výztuže pneumatik, dopravních pásů, neprůstřelné oděvy, neprůřezné rukavice, brzdová obložení), vlákna Nomex (nehořlavé textilie, filtrační a izolační materiály, ochranné oděvy).

SILIKONY (SI ) •

Organokřemičité látky - syntetické sloučeniny Si,O a uhlovodíků. Vyznačují se velkou tepelnou stálostí, dobrými elektrickými, chemickými a mechanickými vlastnostmi.

•

Všechny silikony mají za základ řetězec tvaru R R R ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ - Si – O – Si – O – Si – O ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ R R R

siloxanová skupina

R - nejčastěji metylová skupina –CH3 a fenylová skupina –C6H5. •

Vazba Si - O je podstatou teplotní odolnosti a stálosti silikonů. Její výše je ovlivněna připojenými uhlovodíky (200 až 280 °C). Organické uhlovodíky, které obklopují základní řetězec, tvoří kolem něj parafinický obal, kterým lze vysvětlit nesmáčivost vodou i chemickou stálost.

•

Výroba je náročná, silikony jsou tudíž drahé. Vychází se ze silanů (např. monosilanu SiH4 nebo metylsilanu CH3 . SiH3, následně probíhá hydrolýza silanů na silanoly, poté se kondenzací silanolů získávají siloxany.

•

Vlastnosti silikonů jsou podmíněny jejich polysiloxanovou strukturou, tj.volbou a smícháním výchozích silanů.

•

Silikonové oleje a pryže pozůstávají v podstatě z lineárních řetězců molekul. U olejů jsou to krátké řetězce s určitými konečnými skupinami, u pryží pak řetězce dlouhé. U silikonových pryskyřic jsou řetězce vzájemně propojeny vazbou O - můstků, takže vznikají vysoce polymerované sítě. R ‫׀‬ … - Si - … ‫׀‬ O ‫׀‬ … - Si - … ‫׀‬ R

156 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Silikonové látky mají vždy tyto vlastnosti: velmi dobrou elektrickou pevnost v širokém rozmezí kmitočtů, značné hydrofobizační účinky, v rozmezí -90 až +300 °C se jejich vlastnosti téměř nemění, chemicky jsou netečné, nejedovaté, jsou stálé proti účinkům záření.

Kontrolní otázky 1) V čem spočívá rozdíl mezi termoplasty a reaktoplasty ? Uveďte významné zástupce obou skupin. 2) Uveďte přehled konvenčních plastů. Které z nich jsou amorfního charakteru a proč? 3) Které z významných konvenčních plastů jsou polárního charakteru a proč? 4) Uveďte charakteristické vlastnosti polyetylénu ve vztahu ke struktuře jeho základní stavební jednotky. Které typy polyetylénu jsou k dispozici na světových trzích? 5) Co jsou fluoroplasty? Uveďte základní představitele a jejich významné vlastnosti. 6) Vysvětlete pojmy: polyamidy, polyimidy a aramidy. Uvedené plasty klasifikačně zařaďte. 7) Charakterizujte reaktoplasty a vyjmenujte jejich typické představitele. 8) V čem spočívá vytvrzování epoxidových pryskyřic a jaké jsou významné vlastnosti epoxidů? 9) Které strukturní zásahy jsou podstatou vyšší teplotní odolnosti plastů? Uveďte alespoň čtyři druhy teplovzdorných plastů. 5.6.5

Speciální úpravy plastů

A. BAREVNÉ PIGMENTY •

Dodávají plastům (pryskyřicím, nátěrovým látkám) barevný odstín, kryvost. Navíc působí jako plniva. Většinou jde o nerozpustné práškové barvy.

•

Klasifikace : anorganické pigmenty přírodní (křída, grafit, sieny, okry) syntetické (titanová a zinková běloba, chromová žluť, kadmiová červeň, ultramarin, rumělka, minium aj.), organické pigmenty (nemigrující a teplotně stálé pigmenty), práškové kovy (tzv.bronze, nátěrové látky - metalízy).

•

U pigmentů se sleduje: kryvost (krycí mohutnost), barvitost (barvicí mohutnost), textura (tvrdost pigmentu), stálost pigmentu na světle, tepelná stálost.

•

Důležitá je rovněž smáčivost, hustota a velikost, tvar a distribuce pigmentových částic.


157

B. ZMĚKČOVADLA •

Těkavé organické látky, dodávající polymerům tvárnost a ohebnost. Navíc zvětšují termoplastičnost tím, že zmenšují viskozitu taveniny.

•

Nejpoužívanější změkčovadla: estery kyseliny fosforečné (trikrezylfosfát), estery kyseliny ftalátové (dibutylftalát), estery vícesytných mastných kyselin (dibutylsebakát), polymerní změkčovadla (polyetylénglykol, vysokomolekulární estery).

C. NADOUVADLA •

Látky anorganického nebo organického složení, které se působením tepla rozkládají za vzniku plynu. Nadouvadlo se musí v polymeru snadno a dokonale dispergovat, jejich vlivem se nesmí měnit fyzikální a chemické vlastnosti plastu.

•

Lehčené plasty - pěny.

•

Nadouvadla: anorganická (uhličitany), organická (azodikarbonamid, diazoaminobenzén,močovina a její deriváty).

D. MAZIVA •

Přísady usnadňující zpracování termoplastů a zlepšující některé vlastnosti konečného výrobku (vzhled povrchu,odolnost proti korozi, tepelnou a světelnou stabilitu).

•

Rozdělení podle chemického složení: - mastné kyseliny (stearová), vyšší alkoholy (acetylstearylalkohol), uhlovodíky (parafín, polyetylén, polypropylén), organická mýdla (stearáty Ca,Ba,Pb), vosky (estery mastných kyselin , např.butylstearát, oktylstearát), vícesytné alkoholy, amidy mastných kyselin.

E. TEPELNÉ STABILISÁTORY •

Chrání plasty před degradačním účinkem tepelného působení.

•

Klasifikace: metalické stabilizátory (zpravidla anorganické, organické a zásadité soli Ba, Zn, Pb, Cd, Sr, Mg, Ca, Na aj.), organické stabilizátory (epoxidové sloučeniny, organické fosforitany, stabilizátory na bázi močoviny).

F. ANTIOXIDANTY •

K ochraně plastů, které se snadno tepelně oxidačně rozkládají (PE, PS, PP, PA) reagují se základním meziproduktem termooxidační degradace hydroperoxidem nebo peroxidickými radikály.

•

Dvě základní skupiny: antioxidanty inhibující,ukončující peroxidové radikály, antioxidanty rozkládající hydroperoxidy.

158


G. ABSORBÉRY ULTRAFIALOVÉHO ZÁŘENÍ •

Většinou absorbéry na hydroxybenzofenonových.

bázi

derivátů

kyseliny

salicylové

a

derivátů

H. ANTISTATICKÉ LÁTKY •

Podle chemického složení se rozlišují antistatické prostředky na bázi anorganických solí, organických kyselin a jejich derivátů, organických sloučenin s obsahem dusíku, hydroxylových sloučenin, organokřemičitých sloučenin, sulfonovaných organických sloučenin.

•

Povrchové antistatické prostředky Na povrchu plastu vytvářejí transparentní, homogenní a bezbarvý film o dostatečné tloušťce, aby co nejlépe odolával odírání a smývání. Vrstvy se nejčastěji nanášejí máčením, stříkáním, potíráním štětcem nebo tkaninou napuštěnou roztokem (vodní roztoky nebo emulze) antistatického prostředku.

•

Antistatické přísady do plastů Požadavky - musí být dostatečně účinné i v malých koncentracích a nesmí negativně ovlivňovat fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti výsledného materiálu.

•

Výbornou antistatickou povrchovou úpravu představují kovové povlaky (napařování kovů ve vakuu, redukování z kovových sloučenin, nanášení práškových kovů na upravený povrch). Nevýhoda: podstatné zhoršení transparentnosti.

I. RETARDÉRY HOŘENÍ •

Činidla snižující hořlavost a zamezující hoření plastů.

a. Plniva (plnicí a zhášecí účinek; kupř. kaolín, křída, křemičitany, slída, grafit, azbest). b. Anorganické soli (síran barnatý a hořečnatý, fosforečnan zinečnatý, směs hydroxidu hlinitého s oxidem hlinitým). c. Změkčovadla (trikrezylfosfát, trifenylfosfát). d. Látky rozkládající se při zvýšených teplotách (paraformaldehyd, kyselina salicylová, fosforečnan amonný, močovina). Uvolněné plyny vytvářejí pěnové, tepelně izolující vrstvy nebo přímo hasí plameny. Poznámka: Retardéry - látky zpomalující chemické reakce nebo podobné děje. 5.6.6

Aplikační kategorie plastů

Aplikační kategorie plastů v elektrotechnice a elektronice • • •

izolanty dielektrika konstrukční plasty

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy • • • • • •

159

ochranné a pouzdřicí materiály aplikace v optice aplikace v akustice elektricky vodivé, piezoelektrické a pyroelektrické plasty magnetické plasty pomocné polymery.

Poznámka: Jeden a týž materiál se může uplatnit v několika kategoriích; potom je lépe využit a aplikace je optimální. Izolanty •

Aplikační kategorie izolantů úzce souvisí s kategorií dielektrika; její kritéria nejsou ale tak přísná, takže zahrnuje téměř všechny plasty. Kromě elektrických izolačních vlastností, které vyplývají z jejich chemického složení a fyzikálního stavu, požadují se další vlastnosti, především mechanické, tepelné a klimatické. Tyto vlastnosti jsou nutné se zřetelem na spojování funkcí kategorie izolantů s funkcemi kategorie ochranných a konstrukčních materiálů.

•

Plasty se využívají zejména pro povrchovou elektrickou izolaci vodičů a vodivých součástek. Izolace zároveň tvoří ochranu proti nežádoucím účinkům vnějších vlivů teplotě, vlhkosti, prachu, exhalaci z ovzduší, chemickým výparům apod.

•

Povrchové izolační látky zasychají za normální i zvýšené teploty a zahrnují laky bezbarvé (transparentní) krycí emaily (pigmentované) silikonové oleje izolační pasty měkčené plasty.

Dielektrika •

Plasty se v kategorii dielektrik používají jako fólie tenké desky roztoky, resp.disperze speciální monomery, které polymerují na tenké vrstvy.

•

Fólie tvoří dielektrika vinutých kondenzátorů, cívek kondenzátorů apod. Významnými kritérii jsou zde kromě dielektrických parametrů ještě chemická odolnost, především při styku s kovovou vrstvou nebo drátovým vinutím. Se zřetelem na technologii navíjení se stává důležitým kritériem pevnost v tahu. Toto kritérium je kritické u velmi tenkých fólií pod 3 µm, aplikovaných v miniaturních kondenzátorech.

•

Tenké desky se uplatňují jako dielektrické vložky otočných ladicích kondenzátorů, jako dielektrika vf kondenzátorů.

•

Roztoky a disperze plastů slouží jako dielektrické impregnanty k vyplňování elektricky slabých míst vinutí a k mechanickému zpevňování drátových vinutí. Významnou podskupinu tvoří tzv. bezrozpouštědlové laky, disperze bez těkavých dispergovadel.

160 •


Tenké až velmi tenké vrstvy získané polymerizací speciálních monomerů za zvláštních podmínek jsou využívány zejména v oblasti mikroelektroniky; známé jsou polymery vycházející z p-xylénu, a to polyparaxylény, vyráběné pod označením Parylen.

Konstrukční plasty •

Představují téměř všechny formy plastů (lisovací a vstřikovací materiály, polotovary k tvarování obráběním, popř. tažením, lamináty a lepidla). Hlavními kritérii jsou mechanické vlastnosti a jejich změny vyvolané střídáním teplot, tlaku a vlhkosti. V konkrétních případech se požaduje, aby měly optimální součinitel tření, dobrou odolnost proti otěru, chemickou odolnost, malou hmotnost, malý teplotní součinitel délkové roztažnosti a nízkou cenu. Neméně důležitými požadavky jsou také kritéria technologická.

•

Obecnou vývojovou tendencí termoplastů je stálé zvyšování teplotní stálosti vlastností; např. chlorované polyétery (Penton) nemění své mechanické vlastnosti do 200 °C, výstřiky mají přesné a stálé rozměry, odolávají oděru a jsou samozhášivé.

Ochranné a pouzdřicí materiály •

Zachovávají funkční stav chráněné součástky nebo obvodu. Jsou jednou z nejdůležitějších aplikací plastů v elektrotechnice a elektronice.

•

Pro pouzdření se velmi často používají epoxidové pryskyřice, zpracovávané vstřikováním malým tlakem. Používají se pro pouzdření citlivých součástek a obvodů, polovodičových součástek. Méně citlivé součástky a obvody určené pro méně náročná prostředí se pouzdří také do lisovacích alkydových materiálů, jejichž hlavní výhodou je nízká cena.

•

K pouzdření se využívají i fólie plastů. Zhotovují se z nich pouzdra, která se vyplňují vhodnou zalévací látkou, např. epoxidovou nebo polyuretanovou. Zvláště vhodné k pouzdření součástek, které nepotřebují mechanické zpevnění, jsou fólie svařovatelné, lepicí a teplem smrštitelné. Malá hmotnost fólií, relativně minimální propustnost vlhkosti, dobré klimatické vlastnosti, malé náklady na zařízení a jednoduchá technologie jsou hlavními výhodami tohoto způsobu pouzdření.

•

K povrchové ochraně součástek a obvodů se používají také tenké vrstvy polymerů. Polymery a jejich deriváty jsou velmi dobrým pouzdřicím materiálem, neboť propustnost vody a plynů v relaci k tloušťce vrstvy je velmi malá, podstatně menší než u jiných plastů. Často se označují jako bariérové materiály.

•

Progresivním způsobem povrchové ochrany pomocí plastů je fluidní nanášení prášků. Od nanášení ve vířivém loži se přechází k elektrostatickému nanášení pistolí nebo k nanášení elektrostatickým mrakem.

•

V povrchových úpravách se často uplatňují i tzv. primery, práškové látky, které se nanášejí jako první vrstva. Výrazně zlepšují účinnost ochrany, dovolují zmenšit souhrnnou tloušťku ochranné vrstvy, zrychlit výrobní proces a snížit náklady. Pro venkovní aplikace, a tam, kde záleží i na vzhledu ochranné vrstvy, se používají chlorované akryláty, jejichž vrstvy jsou velmi kvalitní.

•

Do aplikační kategorie izolační povrchové ochrany patří také napouštění (impregnace).

Aplikace v optice •

Tato aplikační kategorie vyžaduje materiály především s dobrými optickými vlastnostmi; významné jsou však i vlastnosti dielektrické, izolační, ochranné a konstrukční.


161

•

Pro světlovody se používají materiály, které dobře vedou světlo s malým útlumem a materiály, které světlo propouštějí téměř beze ztrát a beze změny jakosti. Zhotovují se z nich kryty emisních diod, displejů nebo indikátory různých záření.

•

Předmětem zájmu jsou všechny průsvitné, čiré nebo zabarvené plasty, které vedou, popř. propouštějí světlo jako sklo, ale kromě toho jsou ohebné, snadněji se tvarují a snadněji se spojují s kovy, keramikou, sklem a plasty.

•

Speciální vlákna z polymetylmetakrylátu se využívají jako světlovody téměř rovnocenné skleněným světlovodům. Jejich výhodou je ohebnost.

Aplikace v akustice •

V této kategorii se uplatňují plasty především jako tlumicí materiály, tj. jako akustické izolanty. Jsou to především materiály nadouvané neboli lehčené.

•

Kompaktní plasty s amorfní strukturou se využívají také jako útlumové materiály, zatímco plasty s velkým podílem krystalické fáze zvukové vlny vedou téměř beze ztrát a s charakteristickým zkreslením. Proto se tyto materiály v technologickém stavu fólií nebo tenkých desek již uplatňují úspěšně ve výrobě reproduktorů nebo mikrofonů. Kromě akustických vlastností se v těchto případech požaduje, aby fólie zachovávaly své rozměry, daly se snadno tvarovat a aby byly schopné snášet kmity cívek, které se na ně nalepují.

Elektricky vodivé, piezoelektrické a pyroelektrické plasty •

Zde jsou zahrnuty především složené, heterogenní soustavy, jejichž elektricky vodivou složkou jsou kovová plniva, grafit či vodivé saze a plast je pouze pojivem. Využívají se jako vodivá lepidla k upevňování čipů na substráty, jako sítotiskové barvy k vytváření vodivých nebo odporových drah nebo k povrchové úpravě zamezující vznik a hromadění statických nábojů.

•

Do skupiny vodivých polymerů spadají i makromolekulární látky projevující skutečně elektrické vlastnosti bez pomoci vodivých plnidel. Oproti tradičním kovovým materiálům mají značnou výhodu v malé hustotě a rozměrech, ve snadnosti zpracování a poměrně nízké ceně. Další výhodou organických vodičů je možnost záměrného řízení elektrických, resp. optických vlastností pomocí molekulární struktury.

•

Feroelektrické polymery, především polarizovaný polyvinylidenfluorid, slouží svými piezoelektrickými a pyroelektrickými schopnostmi pro výrobu čidel tlaku a tahu, bezrotorových ventilátorů a vysavačů, mikrofonů, zapalovačů, reproduktorů a jiných elektroakustických měničů.

Magnetické plasty •

Uplatňují se výhradně ve složených, tj. heterogenních soustavách, jejichž magneticky aktivní složku tvoří plniva, např. železný prach, drátky, plechy nebo ferity.

•

Magneticky neaktivní složkou jsou zpravidla nenasycené polyesterové pryskyřice nebo epoxidy. Pojivem, popř.nosičem magnetik, jsou také polyamidové, polyetyléntereftalátové nebo polysulfonové fólie. Častým pojivem bývají i silikonové a uhlovodíkové kaučuky.

Pomocné polymery •

Pomocné polymery se účastní výrobních pochodů, ale netvoří součást výrobků. Jsou naprosto nezastupitelné a na jejich jakosti a správné aplikaci je závislý dobrý výsledek výrobního procesu. Jsou to např. iontoměniče pro přípravu velmi čisté vody a dalších čistých látek, separátory forem pro tvarování plastů, separační fólie při výrobě desek

162


plošných spojů, rezisty a jiné maskovací látky a silikonové, popř. jiné kapaliny pro náplně čerpadel vakuových zařízení. Kontrolní otázky 1) Jaké jsou možnosti využití plastů v elektrotechnice a elektronice („aplikační kategorie“)? Které plasty lze s výhodou využít jako dielektrika? 2) Které látky mohou být použity na speciální úpravy plastů? 3) Co jsou nadouvadla a retardéry hoření? V čem spočívá antistatická úprava plastů? 5.6.7

Plastikářské technologie

I. Procesy přípravy organických makromolekulárních látek Odkaz: Kapitola 5.1.4 Struktura a vlastnosti makromolekulárních látek II. Plasty - zpracovatelské způsoby A. Úpravy plastů před zpracováním • • • • • • •

Hnětení, míchání Plastifikace Želatinace Granulování Tabletování Aglomeráty a suché směsi Dispergace

B. Tvářecí technologie • • • • • • • • • • • • • 5.6.8

Vstřikování Lisování Vytlačování Vyfukování Kalandrování (válcování) Rotační tváření Tvarování Máčení Potírání Odlévání Nanášení Spojování Obrábění Likvidace odpadů plastů

•

Negativní aspekty praktické aplikace plastů - problémy s plastovým odpadem.

•

Plastový odpad I.

- sběrový odpad - vratný odpad

II.

- homogenní odpad - heterogenní odpad


163

Třídírny odpadu selektivní třídění vypírání (odstraňování nečistot)

•

Základní úprava odpadu lisování, pěchování a paketování drcení, mletí

•

Úprava plastového odpadu klasické drcení, kryodrcení

•

Zhodnocení plastového odpadu 1. Nedestruktivní zhodnocení A) Zpracování vratného odpadu (odpad vzniká v závodech při zpracování plastů) a) Přímá aplikace v méně náročných funkcích -

zpracování pro nové, méně náročné účely přímé zpracování granulovaného odpadu

b) Primární zhodnocení -

zpracování pro původní účely (odpad se vrací do původní výroby) • k základnímu granulátu se přidává 10 - 30 hm. % granulovaného odpadu; odpad z této směsi (odpad II. třídy n. II.jakosti) se již nepřidává k novému granulátu, ale používá se k výrobě méně důležitých součástí

c) Sekundární zhodnocení -

Odpad se využije na jiné účely

Poznámka: Technologie zpracování - vstřikování, vytlačování, válcování B) Zpracování sběrového odpadu -

Termoplastový odpad - pro výrobu různých kompozitních materiálů s regeneráty plastů a dalšími materiály. Reaktoplastový odpad - po drcení a mletí jako plniva reaktoplastů.

2. Destruktivní zpracování A) Energetické -

vysokoteplotní oxidace spalování zplyňování pyrolýza Poznámka: Pyrolýza - termické štěpení makromolekul při zachování hodnotných vazeb mezi uhlíkem a vodíkem (získává se benzin, těžký olej, plynový olej).

B) Surovinové -

depolymerace hydrolýza chemické zpracování

164

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně -

tepelné štěpení hydrogenace karbonizace pyrolýza

C) Kombinované •

Likvidace plastového odpadu 1. Likvidace odpadu podle současného stavu: Likvidace na skládkách (nejjednodušší a nejméně nákladný způsob) Likvidace degradací : -

oxidační (nejčastěji jde o spalování, nebezpečí agresivních exhalací) hydrolytickou (výhodnější, mnohdy poskytuje použitelné produkty) pyrolytickou (viz výše)

2. Použití snadno odbouratelných polymerů Perspektivní přístup, spojený s řadou problémů, které jsou prozatím obtížně řešitelné. Protichůdné požadavky: -

co nejvyšší stabilita funkčních vlastností, co nejrychlejší degradace po ukončení aplikace.

5.7 Elastomery •

Pryže důležitá skupina elektrotechnických izolačních materiálů, které se získají vhodným technologickým zpracováním kaučuků

•

Kaučuky základní stavební element pryží klasifikace: -

•

přírodní kaučuk syntetické kaučuky

Vulkanizát výrobek z pryží jakéhokoliv tvaru a velikosti

•

Vazby intermolekulární intramolekulární

•

Prostorové konfigurace cis (přírodní kaučuk) trans (gutaperča)

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 5.7.1

165

Elastomery na přírodní bázi

Přírodní kaučuk (PK, NR) •

Podstatou přírodního kaučuku jsou dlouhé řetězové makromolekuly polymerovaného uhlovodíku izoprénu (C5H8)n s prostorovou konfigurací cis. Makromolekuly, podobné stočeným pásům, lze značně deformovat. H ‫׀‬ C = C – C = C ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ H CH3 H H izoprén

H H ‫׀‬ ‫׀‬ – C – C = C – C– ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ H CH3 H H

n

polyizoprén

•

V každé strukturní jednotce je obsažena jedna dvojná vazba, která umožňuje chemickou reakci kaučuku s jinými organickými či anorganickými látkami.

•

Výchozí surovinou kaučuku je latex (kaučukovníky) - kaučukové mléko (koloidní disperze kaučuku ve vodném prostředí).

•

Zpracování latexu odpařováním vody nebo srážením (koagulací) kaučuku z vodného prostředí (kyselinou mravenčí nebo octovou)

•

Zpracování bloku kaučuku válcování, propírání, sušení

•

Standardní druhy plantážního kaučuku: uzený kaučuk světlá krepa (žlutá a hnědá krepa)

•

Vlastnosti kaučuku: při nízkých teplotách je křehký při vyšších teplotách je měkký a lepkavý rozpouští se v mnoha rozpouštědlech - benzénu, toluénu, xylénu, benzinu, chloroformu, trichloretylénu nerozpouští se v acetonu a alkoholu.

Přírodní pryž (PK, NR) •

Příprava směsí kaučuku s plnivy plniva (parafin, bitumeny, prášková plniva) - způsobují tvrdost, houževnatost, odolnost proti stárnutí prášková plniva : -

aktivní (ztužující) : ZnO, MgO, kaolin neaktivní (zpravidla zvětšují odolnost proti chemickým činidlům a zlevňují): křída, mastek pro pláště kabelů se do směsí přidávají saze, které mají ztužující účinek a zlepšují světelnou stabilitu vulkanizátů.

166 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Zpracování kaučukových směsí na šnekových a hnětacích strojích: vlivem mechanických, tepelných a oxidačních vlivů dochází k částečné destrukci makromolekul kaučuku, která umožňuje vhodnou plastičnost při vmíchání přídavných látek.

•

Vulkanizace sírou (při 140 – 150 °C) vulkanizace je fyzikálně-chemický pochod, při němž působením vulkanizačních činidel a energie dochází ke strukturálním změnám, které mění plastickou kaučukovou směs v pryž, která má zpravidla elastický charakter: uvolňují se dvojné vazby v molekulách, molekuly se spojují v prostorové makromolekuly důsledkem je ztuhnutí, odolnost proti změnám teploty i proti rozpouštědlům jako síra působí podobně Te, Se a sloučeniny obsahující S, kupř. tiuram = tetrametyltiuramdisulfid vlastnosti vulkanizátu závisí na druhu a množství kaučuku ve směsi, na druhu a množství vulkanizačních činidel, aktivátorů, plniv, antioxidantů, ztužovadel, změkčovadel, době a způsobu vulkanizace.

•

Druhy pryže: měkká pryž : -

elastické vlastnosti, schopnost vratné deformace

polotvrdá pryž: tvrdá pryž (ebonit): •

6 až 20 % hm.síry 20 až 45 % hm.síry

tvrdá, nemá elastické vlastnosti

Elektrické vlastnosti přírodní pryže: permitivita (50 Hz) ztrátový činitel vnitřní rezistivita elektrická pevnost

•

2 až 10 % hm.síry

2,84 řádově 10-2 1013 Ωm 2,7.107 V m-1

Nedostatky přírodní pryže: při teplotách cca 70 °C pryž stárne a praská (stárnutí je urychlováno ozónem, proto není možné použití při vn) není odolná vůči minerálním olejům (bobtná) volná síra z pryže působí na měď (cínování, papírový obal)

•

Použití v elektrotechnice: izolace kabelů a vodičů, elektroizolační pásky s textilní vložkou, průchodky, výlisky, koberce, rukavice.

5.7.2

Syntetické elastomery

Syntetické kaučuky •

Klasifikace podle chemického složení: izoprénový, butadiénový, styrénbutadiénový,


167

butadién - akrylonitrilový, chloroprénový, silikonový, izobutylénstyrénový, uretanový a další. Izoprénový kaučuk •

Chemické složení: nenasycený uhlovodík izoprén C5H8. H H ‫׀‬ ‫׀‬ C = C – C = C ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ H CH3 H H

•

Vyrábí se polymerací synteticky připraveného izoprénu. Polymerace se provádí v roztoku za přítomnosti buď lithium- nebo anorgolithné sloučeniny nebo katalyzátoru Zieglerova typu (trietylalumium + TiCl4).

•

Chemicky náhrada přírodního kaučuku, od něhož se svojí mikrostrukturou, fyzikálně mechanickými vlastnostmi, ani technologickými vlastnostmi prakticky neliší. Vykazuje však o něco lepší odolnost vůči oxidaci a zvýšeným teplotám.

Butadiénový kaučuk •

Chemické složení: nenasycený uhlovodík butadién C4H6. H H ‫׀‬ ‫׀‬ C = C – C = C ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ H H H H

•

Polymerace může probíhat samovolně teplem pod tlakem, ale průmyslově je prováděna za přítomnosti Na jako katalyzátoru (Buna). Výrazného zlepšení (elastické vlastnosti, odolnost proti nízkým teplotám) se dosáhne použitím stereospecifických katalyzátorů.

•

Používá se jako náhrada přírodního kaučuku, přičemž je možno jej používat až do – 40 °C. Je nepolární, amorfní.

•

Vlivem teploty 190 – 200 °C probíhá v butadiénovém kaučuku vulkanizace bez síry, tzv. termická vulkanizace. Termický rozklad začíná při 220 °C.

•

Zahříváním až na 300 °C nastává další polymerace a vzniká elektroizolační materiál eskapon, jehož vlastnosti jsou podobné ebonitu.

•

Elektrické vlastnosti: permitivita ztrátový činitel vnitřní rezistivita

2,7 - 3 5 . 10-4 1014 Ωm

Butadién - styrénový kaučuk •

Vedle Buny existuje celá řada dalších kaučuků získaných polymerací různých odvozenin butadiénu, které polymerují buďto vzájemně nebo v kopolymeraci

168


s jinými monomery. Známý je Buna-S, vyrobený styrénem.

emulzní polymerací butadiénu se

Butadién - akrylonitrilový kaučuk •

Syntetický kaučuk butadién-akrylonitrilový (Perbunan) je kopolymer butadiénu s nitrilem kyseliny akrylové. Je odolný proti působení minerálních olejů a benzinu. Kaučuky tohoto typu se kvalitativně rozlišují podle obsahu akrylonitrilu.

•

Vyšší podíl akrylonitrilu vede ke zvětšení odolnosti vůči současně se ale zhoršuje zpracovatelnost a mrazuvzdornost.

•

Vlivem silně polárních nitrilových skupin dochází ke zhoršení vlastností: permitivita ztrátový činitel vnitřní rezistivita elektrická pevnost

olejům a rozpouštědlům, elektroizolačních

10 - 20 řádově 10-1 106 – 108 Ωm (4 – 12) .106 V m-1

Chloroprénový kaučuk •

Chemické složení: H H ‫׀‬ ‫׀‬ C = C – C = C ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ H Cl H H

•

Je polymerem chloroprénu, získaným v emulzním prostředí Perbunan C). Svojí strukturou je velmi blízký přírodnímu kaučuku.

•

Obsahuje až 36 hm. % chloru, je samozhášivý. Má velkou odolnost proti atmosférickému stárnutí, lepší než kaučuk přírodní, butadiénový nebo butadién - akrylonitrilový.

(Neopren,

Silikonový kaučuk •

Předností silikonů se výhodně využilo i při přípravě kaučuků a pryží. Specifické vlastnosti jednotlivých druhů jsou závislé na radikálových skupinách,vázaných na polysiloxanových řetězcích.

•

Podle chemického složení se zpravidla vyrábějí tyto druhy silikonových kaučuků: 1. dimetylsiloxanové polymery (pro běžná použití, pracovní teploty -55 až +180 °C, velmi dobré elektrické vlastnosti, malá odolnost proti tlaku), 2. metylvinylsiloxanové polymery (velká odolnost proti tlaku), pracovní teploty - 55 až +180 °C, snáze zpracovatelné a vulkanizovatelné), 3. vinylfenylsiloxanové polymery ( pracovní teploty - 90 až + 180 °C, při vyšším obsahu fenylových skupin - nehořlavé), 4. speciální druhy, obsahující jako radikály nitrilové nebo fluorové skupiny (pro agresivní prostředí).

•

Obecně vykazují velmi dobrou odolnost proti vodě, velmi dobrou odolnost proti povětrnostním vlivům. Jsou nezávadné, fungistatické. Permitivita a ztrátový činitel závisí na druhu radikálových skupin.


169

Použití v elektrotechnice: izolace vodičů a kabelů, elektroizolační trubičky a pásky.

Uretanové kaučuky •

Použití v elektrotechnice: pro výrobu kabelů.

Butylkaučuk •

Kopolymer izobutylénu s izoprénem nebo butadiénem. Dlouhodobě stálý do 85 až 90 °C, krátkodobě do 160 °C. Poznámka:

Samotný polyizobutylén není vulkanizovatelný.

Regenerace kaučuků a pryží •

Regenerace je otázkou národohospodářského významu. Při regeneraci se účinkem tepla, kyslíku a regeneračních činidel (oleje, peptizátory) rozrušuje zesíťovaná struktura. Získá se plastický produkt, který se dá znovu zpracovat a vulkanizovat.

5.7.3

Termoplastické eleastomery

•

Termoplastické elastomery - polymerní materiály, které mají při pokojové teplotě vlastnosti elastomeru, resp. pryže, ale dají se zpracovávat jako termoplasty. Ve srovnání s pryžemi u nich odpadá vulkanizace, při zachování užitných vlastností. V podstatě jde o polymerní materiál, který obsahuje tvrdé a měkké domény, charakterizované různými teplotami zeskelnění nebo tání.

•

Obecně si tyto polymerní materiály zachovávají elasticitu v širokém rozsahu teplot včetně záporných, mají příznivý průběh hysterezní křivky pružnosti, širokou škálu tvrdosti, příznivý pevnostně hmotnostní poměr, odolnost vůči únavě, útlumové schopnosti, chemickou odolnost, elektroizolační vlastnosti nebo v případě vhodných plniv naopak dobrou vodivost, barvitelnost. Jejich odpad lze recyklovat.

•

Značného technického významu dosáhly termoplastické elastomery na bázi polyuretanů, lineárních polyesterů a polyimidů.

•

Aplikace: těsnění, spojkové elementy, manžety, membrány, tlumicí elementy, unašeče transportních systémů, oplášťování drátových pružin apod.

5.8 Přírodní organické tuhé izolanty 5.8.1

Asfalty, bitumeny

Bitumen (živice) •

Složitá směs uhlovodíků původu přírodního či pyrogenního, skupenství plynného, kapalného nebo tuhého, rozpustných buď úplně nebo z velké části v sirouhlíku nebo v benzénu.

170


Asfalt •

Název se vztahuje na užší skupinu bitumenů - amorfní živičné tmavohnědé barvy, za normálních teplot tuhé nebo polotuhé.

•

Složení: směsi uhlovodíků parafinických, naftenických i aromatických, v nichž je různým způsobem vázán O, N a S.

•

Při zahřátí postupně měknou a posléze přecházejí do kapalného stavu.

•

Klasifikace podle původu:

látky černé nebo

přírodní ropné •

Obecné vlastnosti: výborné elektroizolační vlastnosti prakticky nehygroskopické, nepatrně propouštějí plyny vynikají chemickou stálostí, prakticky nestárnou laciné hustota je 1 010 - 1 090 kg m-3

•

Elektrické vlastnosti: slabě polární látky permitivita ztrátový činitel vnitřní rezistivita

•

2,5 - 3 (5 - 10).10-3 1013 – 1014 Ωm

Použití v elektrotechnice k přípravě kompaundů a laků.

5.8.2 •

Vosky

Obecná charakteristika Látky rostlinného, živočišného, minerálního nebo syntetického původu, vyznačující se malou mechanickou pevností, poměrně nízkou teplotou tavení a krystalickou strukturou. Celá řada barevných odstínů, převládá bílá až žlutá barva. Malá navlhavost a malá propustnost vodních par. Nedostatkem je velké smrštění při tuhnutí (15 - 20 % obj.). Možný důsledek - trhliny (impregnace není dostatečně účinná).

•

Základní klasifikace vosků: 1. 2. 3. 4. 5.

•

vlastní vosky minerální vosky směsi tuhých uhlovodíků syntetické vosky (chlorované naftalény) mastné kyseliny

Klasifikace vosků z hlediska polárnosti: nepolární (parafin, cerezín) slabě polární (včelí vosk, karnaubský vosk, rostlinné vosky) polární (chlorovaný naftalén, olejovosk)


171

Použití vosků v elektrotechnice: impregnace vláknitých izolantů součást zalévacích látek přísady do elektroizolačních laků

Vlastní vosky •

Slabě polární látky složité chemické struktury.

•

Klasifikace: vosky živočišné - včelí vosk směs jednosytných kyselin a alkoholů a jejich esterů elektrické vlastnosti: permitivita 2,8 - 2,9 ztrátový činitel 5 . 10-3 – 3 . 10-2 Poznámka: Ester - derivát organických nebo anorganických kyselin, odvozený náhradou H v karboxylové skupině COOH skupinou radikálu alkoholu vosky rostlinné - karnaubský vosk světle žlutý až zelenohnědý vosk z karnaubské palmy permitivita 2,3 - 2,8

Minerální vosky •

Směsi tuhých uhlovodíků řady parafinové teplota tavení je 65 až 95 °C, teplotně poměrně stálé až do teplot cca 120 °C označení: zemní vosk - ozokerit

Směsi tuhých uhlovodíků Parafin •

směs nasycených uhlovodíků a jejich izomerů (počet atomů uhlíku v řetězci je 20 - 30)

•

podle teploty tavení se rozlišuje parafin měkký s nízkou teplotou tavení a parafin tvrdý s bodem tavení 50 – 55 °C (pro elektrotechniku) Poznámka: bod tavení vzrůstá se zvětšující se molekulou uhlovodíku

•

charakteristické vlastnosti: bílá barva, bez chuti a zápachu za normální teploty je chemicky velmi stálý, při vyšších teplotách se však oxiduje (podstatně se sníží vnitřní rezistivita) jako nasycený uhlovodík je nerozpustný ve vodě a v lihu, rozpouští se jen v kapalných uhlovodících hustota: 850 až 900 kg m-3

•

elektrické vlastnosti: nepolární látka

172

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně permitivita ztrátový činitel vnitřní rezistivita elektrická pevnost

1,9 - 2,2 (3 - 7) . 10-4 cca 1014 Ωm až 2,5 . 107 V m-1

Cerezín •

směs tuhých uhlovodíků, avšak jeho molekula se ve srovnání s parafinem větší (počet atomů uhlíku je 40 - 50), přičemž řetězce uhlíkových atomů jsou silně rozvětvené

•

charakteristické vlastnosti: barva světle žlutá oproti parafinu má vyšší bod tavení - až 80 °C, větší rezistivitu a proti oxidaci je stálejší

Syntetické vosky Chlorovaný naftalén (halovosk) •

získá se zahříváním naftalénu C10H8 pod tlakem s chlorem, za přítomnosti katalyzátorů, kdy molekula naftalénu přijme 3 - 4 atomy chloru

•

oproti parafinu a cerezínu je nehořlavý a prakticky i při zvýšené teplotě neoxiduje, tavicí teplota je mezi 90 – 120 °C

•

elektrické vlastnosti: polární látka permitivita vnitřní rezistivita elektrická pevnost

cca 5 1011 – 1014 Ωm (8 - 10) . 106 V m-1

Olejovosk (Opalwax) •

získá se hydrogenizací ricinového oleje

•

teplota tavení je cca 80 °C

•

elektrické vlastnosti: polární látka permitivita ztrátový činitel

5.8.3

15 - 35 5.10-2 (50 Hz)

Přírodní pryskyřice

Šelak •

Přírodní pryskyřice, kterou vyměšuje hmyz žijící na tropických stromech. Na trhu ve formě tenkých, křehkých šupinek žluté, oranžové až červenohnědé barvy.

•

Složení : makromolekulární estery mastných kyselin + 3 až 6 hm. % vosku.

•

Termoplastické vlastnosti s teplotou měknutí 50 – 60 °C. Působí-li se na něj delší dobu při vyšších teplotách, stává se reaktoplastem a přechází do nerozpustného a netavitelného stavu.

•

Vykazuje výbornou lepivost - používal se zvláště jako pojivo při výrobě slídových izolantů. Dobře se rozpouští v líhu.


173

Elektrické vlastnosti: polární látka permitivita (50 Hz)

při 30 °C při 80 °C

ztrátový činitel vnitřní rezistivita

3,5 - 3,9 7,8 řádově 10-2 1013 – 1014 Ωm

Kalafuna •

Tuhá přírodní pryskyřice. Získává se ze smol jehličnatých stromů po oddestilování tekutých složek terpentýnem.

•

Chemické složení : převážně kyselina abietová C20H30O3 a její izomery.

•

Rozpustná v líhu, a rostlinných olejích.

•


benzínu,

benzenu,

terpentýnu,

acetonu

a

minerálních

polární látka s typickým teplotním průběhem ztrátového činitele s výrazným maximem při cca 60 °C permitivita menší než 3 vnitřní rezistivita 1013 – 1015 Ωm elektrická pevnost (1,0 - 1,5) . 107 V m-1 •

Použití v elektrotechnice: v kabelářském průmyslu, kdy se kalafunou rozpuštěnou v minerálních olejích napouští papírová izolace kabelů při přípravě zalévacích látek při přípravě neaktivních - nekorozivních pájecích prostředků

Kopál •

Přírodní pryskyřice, vzniklá rozkladem smolných stromů. Na trh přichází kopál jako prášek a drobné kousky bílé až černé barvy.

•

Náleží mezi suroviny lakařského průmyslu, v němž se používá jako přísada k olejovým lakům pro vytvrzení lakového filmu.

•

Chemické složení: pryskyřičné kyseliny, étery a alkoholy.

•

Elektrické vlastnosti: permitivita ztrátový činitel řádově vnitřní rezistivita

2,5 - 2,7 10-3 – 10-2 1013 – 1015 Ωm

Jantar •

Fosilní pryskyřice s typickým světle žlutým až tmavohnědým zbarvením.

•

Není rozpustný v žádném rozpouštědle (tavený jantar je rozpustný v terpentýnu, benzínu, sirouhlíku a olejích).

•

Elektrické vlastnosti: patří mezi izolanty s největší vnitřní rezistivitou vnitřní rezistivita 1015 – 1017 Ωm

174

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně permitivita ztrátový činitel

5.8.4

2,65 - 2,9 (5 - 15).10-4

Izolanty na bázi celulózy

Organické vláknité materiály •

Organické vláknité izolanty v elektrotechnice: pozitivní vlastnosti - dobré elektrické a mechanické vlastnosti - snadná zpracovatelnost - možnost zpracování navíjením negativní vlastnosti - hygroskopičnost, způsobená velkou pórovitostí - značnou pórovitostí a tím přítomností vzduchu mezi vlákny se snižuje jejich elektrická pevnost - nízká teplovzdornost (při teplotách vyšších než 110 °C se již porušují)

•

Základní klasifikace: A) Přírodní vláknité materiály -

dřevo, bavlna, juta, len, konopí

B) Upravené vláknité materiály -

papír, karton, lepenka modifikované izolanty na bázi celulózy tvrzený papír a textil

Poznámka: papír: karton: lepenka: •

plošná hmotnost menší než 150 g m-2 150 - 250 g m-2 větší než 250 g m-2

Mikro- a makrostruktura vláken Základní surovinou pro výrobu vláknitých izolačních materiálů je převážně rostlinné vlákno. Podstatou rostlinných vláken je celulóza. Poznámka: buničina - technická celulóza Celulóza je polymerní látka o chemickém složení (C6H10O5)n. V každé strukturní jednotce celulózy jsou tři hydroxylové skupiny -OH, které vyvolávají polárnost celulózy. Proto je u celulózy vysoká (relativní) permitivita (6,5 – 7) i větší ztrátový činitel (0,005 - 0,01). Svazky molekulárních řetězců celulózy se nazývají micely. Tyto pak tvoří elementární vlákna, zvaná fibrily. Mezery se vyskytují jak mezi molekulami, které tvoří micely, tak i mezi fibrilami, čímž je podmíněna pórovitost rostlinného vlákna. Pórovitost je mezi molekulami submikroskopická, mezi fibrilami mikroskopická a mezi jednotlivými vlákny makroskopická. Napouštěním těchto pórovitých látek organickými napouštěcími látkami (olejem, vosky, pryskyřicemi) se nezabrání úplně zvlhnutí, nýbrž toto se jen zpomalí. Je to dáno tím, že napouštěcí látky mají velké molekuly, které se nemohou dostat do


175

mikroskopických pórů vláknitých molekul velikosti (5 - 10) . 10-10 m, kdežto voda o velmi malé molekule o velikosti 2,7.10-10 m do zmíněných mezer snadno pronikne. •

Kromě celulózy jsou v rostlinných vláknech obsaženy i látky doprovodné, jako lignin, vosk, tuky, pryskyřice.

Papír •

Papír lze vyrábět z různých rostlinných vláken, která musí vyhovovat požadavkům pružnosti, pevnosti, stejnorodosti při dostatečné délce a jemnosti.

•

Při technologických pochodech výroby papíru se z vláken odstraňují přídavné látky, které by měly nepříznivý vliv na vlastnosti výsledného výrobku. Z těchto látek je nejnebezpečnější lignin. Pro snížení jeho obsahu se zpracovávají suroviny buď v louhovém prostředí (sulfátová buničina; předchůdcem byl způsob nátronový) nebo v kyselinovém prostředí (sulfitová buničina).

•

Technologie výroby papíru: mletí buničiny v holandrech nebo kotoučových či kuželových mlýnech, po mletí - rozředění papíroviny vodou + míchání ( 99 % vody - 1 % vláken), odvodnění suspenze na vibrujícím sítě papírenského stroje (nekonečný drátěný pás; na 1 tunu papíru spotřeba 150 tun vody), průchod vrstvy vláken lisovou, sušicí a hladicí částí stroje, průchod vrstvy papíru chladicími válci a následně vlhčicím navíjecím a řezacím zařízením.

•

Z hlediska elektrických vlastností je papír typické směsné dielektrikum s dvojicí hlavních složek - celulózy a vzduchu. Vzhledem k uložení vláken ve vrstvě papíru lze s jistou přibližností nahradit papír sériovým zapojením dvou kondenzátorů - kondenzátorem se vzduchovým dielektrikem a kondenzátorem, jehož dielektrikum představuje celulóza.

•

Elektrické vlastnosti vysušeného papíru: permitivita (50 Hz) 2,2 - 2,8 ztrátový činitel řádově 10-3 vnitřní rezistivita (20 °C) 5.1015 Ωm (120 °C) 4.1012 Ωm elektrická pevnost závisí na struktuře papíru, hustotě a tloušťce, příp. povrchu; lesklé papíry, např. lesklé kondenzátorové papíry vykazují až 4 . 107 V m-1.

•

Vzhledem k navlhavosti není možno papíru v elektrotechnice použít samotného v elektrické izolaci, ale je potřeba vzduch nahradit tuhou, resp. kapalnou látkou. Cesty: impregnace, tvrzený papír.

•

Impregnační látky: A) nepolární - parafín, cerezín, kondenzátorové oleje, polyizobutylén, silikonové oleje, B) polární - halovosk (chlorovaný naftalén), olejovosk, ricinový olej, pentachlordifenyl.

•

Impregnační látky způsobují: 1. podstatné zvýšení elektrické pevnosti, 2. zvýšení permitivity, tj. i kapacity kondenzátoru, 3. omezení ionizace v pórech, tj. zmenšení ztrátového činitele, zvláště při vn,

176


4. zvýšení tepelné vodivosti dielektrika, tj. zintenzivnění chlazení a následně zvýšení životnosti, 5. mechanické zpevnění. •

V elektrotechnice se používají následující druhy papíru: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

kondenzátorový, kabelový, napouštěcí (pro výrobu tvrzeného papíru v deskách), navinovací (pro výrobu tvrzených papírových válců), mikafóliový, polepovací (na izolace dynamových plechů).

Lepenka •

Lepenka pro elektrotechniku představuje houževnatý, pevný materiál, slisovaný do rovnoměrné struktury. Podle způsobu výroby má povrch matný či lesklý.

•

Hlavní druhy pro elektrotechniku: 1. 2. 3. 4.

elektroizolační lepenka obyčejná lesklá lepenka pro elektrotechniku drážková lepenka transformátorová lepenka

Modifikované izolanty na bázi celulózy •

Izolanty, vycházející z celulózy (C6H10O5)n. Protože každá strukturní jednotka celulózy obsahuje tři skupiny -OH (hydroxylové), lze provést éterifikaci nebo esterifikaci.

•

Hlavní druhy: fíbr estery celulózy: nitrát celulózy (CN) (celuloid - tuhý roztok CN v kafru), acetát celulózy, acetobutyrát celulózy, xantogenát celulózy (dispergovaný xantogenát celulózy ve zředěném NaOH - viskóza, možnost zpracování na viskózová vlákna a na viskózové fólie - celofán). étery celulózy: propylcelulóza, benzylcelulóza, etylcelulóza Poznámka:

éterifikace - reakce, při níž vznikají étery étery - organické sloučeniny typu R - O - R° R, R°- uhlovodíkové zbytky (C6H5 -, CH3 - ...)

Tvrzené materiály I. Tvrzený papír •

K výrobě tvrzeného papíru se používá papír sulfátový, který je dobře nasákavý. Pojidlem je vytvrzovatelná pryskyřice (fenol-, resp. krezolformaldehydová, epoxidová).

•

Vytvrzování se provádí v etážových lisech při vyšších teplotách podle druhu pryskyřice a po dobu, závislou na tloušťce desek. Pro slisování je třeba tlaku 10 - 15 MPa. V lisu jsou desky papíru uloženy nad sebou a odděleny ocelovými vytápěnými mezideskami. Po slisování se nechají vytvrzené desky ve stroji vychladnout.

•

Hlavní druhy tvrzených papírů: konstrukční a elektrotechnický pro účely silnoproudé elektrotechniky, elektrotechnický, razitelný v tenkých deskách,


177

tropický, málo navlhavý, silně proimpregnovaný, speciální - pro sdělovací a vf přístroje. •

Vlastnosti desek z tvrzeného papíru jsou anizotropní. Napříč pevnost vysoká, podél vrstev je pak vysoká pevnost v tahu.

•

Tvrzený papír je dosti tepelně stálý, je stálý v oleji a dobře zpracovatelný frézováním, soustružením, vrtáním i řezáním.

•

Komerční označení

vrstvám je elektrická

Kartit II. Tvrzená tkanina •

Proti tvrzenému papíru má tvrzená tkanina větší rázovou pevnost. I ve smyku ve směru vrstev je pevnější než tvrzený papír a daleko více vzdoruje štěpení mezi vrstvami. V elektrických vlastnostech se však tvrzenému papíru nevyrovná, obzvláště ve směru kolmém na vrstvy tkaniny.

•

Komerční označení Textit, Sklotextit.

Apendix Textilní izolační materiály •

V elektrotechnice se mohou uplatnit: příze tkaniny

•

Příze lze uplatnit na izolace vodičů, buď opletením nebo opředením. Příze je stáčena z vláken rostlinných (bavlna) živočišných (vlna, přírodní hedvábí) syntetických anorganických

•

Tkaniny Mají dně pravoúhle se křížící soustavy nití, v podélném směru je osnova, kolmo k ní je útek. Vázání osnovy s útkem se nazývá vazbou.

Kontrolní otázkx 1) V čem spočívá rozdíl v pojmech „kaučuk“ a „pryž“? Uveďte hlavní druhy syntetických kaučuků a pryží. 2) Předložte základní klasifikaci látek na podkladě celulózy a uveďte konkrétní představitele.

5.9 Kompozity •

Kompozity jsou složené materiály představující soustavu – složenou soustavu, směsnou soustavu – tvořenou makroskopickými útvary dvou či více materiálových složek. Složeným materiálem lze nazvat soustavu, která vyhovuje těmto kritériím: A) Složená soustava musí být tvořena člověkem.

178

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně B) Soustavu tvoří spojení dvou či více materiálů rozdílného chemického složení se zřetelnou hranicí mezi geometrickými útvary jednotlivých složek. C) Geometrické útvary jednotlivých složek jsou v soustavě spojeny v celém, příp. téměř celém objemu. D) Složená soustava musí mít vlastnosti odlišné od vlastností složek. Ke složeným materiálům nepatří tedy přírodní materiály jako je např. dřevo, i když mají výrazně charakter složené soustavy.

•

Použitím složených matriálů namísto jednoduchých se zpravidla sleduje některé z těchto hledisek: a) dosažení výhodnějších mechanických vlastností 1. 2. 3. 4. 5. 6.

zvýšení pevnosti v tahu zvýšení pevnosti v ohybu zvýšení modulu pružnosti v tahu zvýšení pevnosti v ohybu rázem zvýšení tuhosti zvýšení tvrdosti

b) dosažení vyšší tvarové stability c) dosažení výhodnějších tepelných vlastností 1. 2. 3. 4. 5. d) e) f) g) h) i) j) •

omezení hořlavosti zvýšení chemické odolnosti zmenšení smrštění a zamezení vzniku dutin a prasklin zmenšení nasákavosti zlepšení vzhledu povrchu, zejména u výlisků snížení výrobních nákladů modifikace elektrických (dielektrických) či magnetických vlastností.

Míra požadovaných vlastností složených materiálů je v prvé řadě závislá na vlastnostech materiálů složek; výrazně je však ovlivňována množstvím jednotlivých složek v soustavě, geometrickým tvarem částic složek, jejich orientací, uspořádáním a rozložením v soustavě. Dále má podstatný vliv, zvláště na mechanické vlastnosti, otázka případných chemických či fyzikálních pochodů na hranicích složek, k nimž může docházet buď při výrobě složeného materiálu nebo při jeho využívání.

5.9.1 •

zvýšení tepelné vodivosti zvýšení trvalé tepelné odolnosti zvýšení odolnosti proti žáru zvýšení odolnosti proti tepelným rázům modifikace délkové a objemové roztažnosti

Klasifikace kompozitů

Matriční a statistické kompozity - složené soustavy V přístupu k teoretickému zkoumání složených materiálů hraje významnou úlohu způsob vzájemného uspořádání či rozdělení částic jednotlivých složek v soustavě. Z tohoto hlediska se rozlišují: a) matriční složené soustavy - kompozity matričního typu b) statistické složené soustavy - kompozity statistického typu


179

a) b) Obrázek 5.10 Matriční (a) a statistická (b) složená soustava (v řezu) •

Kompozity - složené materiály a geometrický tvar částic Podle převažujícího tvaru částic tvořících složenou soustavu je účelné rozlišovat: 1. vrstevnaté kompozity a) s objemově uloženými vrstvami b) s povrchově uloženými vrstvami 2. kompozity s vláknitými plnivy a) s nekonečnými (dlouhými) vlákny b) s přerušovanými (krátkými) vlákny 3. kompozity tvořené, resp. plněné částicemi a) s částicemi o velikosti řádu 1 µm a větší b) s částicemi o velikosti řádu 1 µm a menší

•

Izotropní a anizotropní soustavy Směrovost vlastností složených soustav je nutno podle okolností buď zvýraznit nebo naopak potlačit. Je to možné volbou druhu soustavy, materiálů složek, geometrického tvaru částic v soustavě.

a) b) c) Obrázek 5.11 Kompozity s anizotropními vlastnostmi a) plátované materiály b) vrstvené materiály s rovnoměrně uspořádanými vlákny c) složené materiály plněné krátkými vlákny s přednostní orientací materiál (1) •

materiál (2)

Kompozity a zpevnění složené soustavy Jsou-li základním hlediskem při vytváření a využití kompozitů mechanické vlastnosti, je účelné rozlišovat tři základní typy kompozitů:

180

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně a) disperzně zpevněné materiály b) materiály zpevněné částicemi a c) materiály zpevněné vlákny. Posledně uváděný typ zahrnuje ještě cc) materiály zpevněné vlákny a s mezivláknovým plnivem. Zpevňující částice a vlákna, plniva -

-

Pojem plniv zahrnuje velmi jemné, jemnozrnné, hrubozrnné i vláknité částice materiálů o různých pravidelných či nepravidelných tvarech, které jako dispergovaná složka modifikují vlastnosti matrice v kompozitech. Plniva jsou připravována synteticky nebo úpravou přírodních surovin, jsou organického či anorganického původu. Z hlediska ovlivňování mechanických vlastností matrice soustavy se rozlišují: a) plniva vyztužující (zpevňující) a b) plniva nevyztužující.

5.9.2

Plniva kaučuků se tradičně dělí na plniva aktivní a neaktivní.

Kompozity v elektrotechnice

a) Zpevňující částice a vlákna – plniva •

Anorganická prášková plniva vlastnosti práškových plniv - izotropní mletý křemen, mastek, živec, mletá slída a břidlice, křemenná a mramorová moučka, kaolin, bentonit, křída, hydratovaný oxid hlinitý, srážený uhličitan vápenatý při zvláštních požadavcích: titaničitan barnatý, křemičitan zirkoničitý, mleté ferity, saze, kovové prášky (karbonylové železo, hliník)

•

Organická prášková plniva částicová plniva na bázi celulózy (zhoršují hořlavost)

•

Anorganické přírodní vláknité materiály azbestová vlákna chryzotilového nebo krokydolitového typu

•

Organické přírodní vláknité materiály vlákna na bázi celulózy (zhoršují hořlavost)

•

Anorganické vláknité monokrystaly whiskry (vousy) - jehlovité či niťovité mechanicky vysoce pevné monokrystaly anorganických látek o poměru délky k průměru v rozmezí 150 až 2 500 - délka vláken je řádově 10-3 m, průměr obnáší zpravidla několik mikrometrů monokrystaly karbidu křemíku (SiC) a safíru (α- Al2O3)

•

Anorganická polykrystalická vlákna synteticky vyráběná vlákna sestávající z krystalitů, jejichž rozměry jsou značně menší než průřez vlákna

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy -

181

mají strukturu dobře slinuté nepórovité keramiky s neorientovanými zrny připravují se ponejvíce z pevných, těžkotavitelných a chemicky i mechanicky odolných látek

oxid hlinitý, spinel, oxid hlinitý s oxidem lithným, zirkon (křemičitan zirkoničitý), oxid zirkoničitý, nitrid bóru, uhlík, grafit •

Organické syntetické vláknité materiály plastová vlákna

•

Skleněná vlákna vlákna většinou kruhového průřezu, ale existují i profilovaná vlákna základem je sklo E (Eutal) - bezalkalické hlinitoboritokřemičité sklo druhy vláken -

velejemné průměr 0,2 - 1,5 µm středně jemné 2,5 - 3,5 µm jemné 4,0 - 10 µm hrubé (izolační) cca 15 µm tlusté 25 - 250 µm

při výrobě vláken aplikace lubrikantů •

emulze škrobu, minerálního oleje

Uhlíková a borová vlákna uhlíková vlákna -

•

získávají se z vláken viskózových nebo polyakrylonitrilových pyrolýzou při teplotách 1 600 - 3 000 °C za současného slabého tažení

Kovová vlákna

b) Hlavní druhy kompozitů pro elektrotechniku •

Plasty a elastomery s anorganickými práškovými plnivy matrice -

termoplastová reaktoplastová ▫ ▫ ▫

•

fenoplasty, aminoplasty epoxidové a polyesterové pryskyřice silikony

elastomerní

Plasty zpevněné anorganickými vlákny termoplasty zpevněné anorganickými vlákny reaktoplasty zpevněné anorganickými vlákny - lamináty ▫ -

kompozity tvořené proimpregnovanými, paralelně uloženými vrstvami vláknitých polotovarů

faolity

182

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně ▫ -

prepregy ▫ ▫ ▫

-

lisovací materiály na bázi fenolformaldehydových pryskyřic s azbestovými vlákny (kyselinovzdorné materiály) plasty zpevněné vlákny a nacházející se v polovytvrzeném stavu vhodné epoxidové ,případně polyesterové pryskyřice umožňují zhotovení izolací navíjením

premixy ▫ ▫ ▫

lisovací materiály na podkladě epoxidových a polyesterových pryskyřic před zpracováním mají těstovitou formu složení: · · ·

•

pryskyřice skleněná, resp. azbestová vlákna částicové plnivo

Kovy zpevněné anorganickými vlákny anorganická vlákna používaná k vyztužování kovů -

skleněná ▪ ▪

-

polykrystalická ▪ ▪ ▪

-

Al2O3, ZrO2 grafit BN

monokrystalická ▪ ▪ ▪ ▪

•

E - sklo křemenné sklo

Al2O3, BeO B4C, SiC Si3N4 grafit

Anorganické práškové složené materiály cermety -

5.9.3

heterogenní složená soustava kovů nebo jejich slitin s jednou nebo několika keramickými složkami, v níž podíl kovů obnáší 15 až 85 % objemových keramickou složkou bývají karbidy, boridy nebo oxidy kovovou složku tvoří často nikl a jeho slitiny

Kompozity v silovém poli

Teorie složené soustavy •

Při návrhu i použití kompozitů je často žádoucí znát nejen materiálové vlastnosti soustavy, nýbrž i vztah těchto vlastností k příslušným vlastnostem složek. To řeší teorie složených (směsných) soustav, jejímž hlavním úkolem je vyhledání přiměřeného směsného vztahu.


183

Výsledná vlastnost Xs mnohosložkové soustavy složené z materiálů o vlastnostech X1, X2, …, Xn a poměrných objemových dílech složek v soustavě v1, v2, … vn je určena obecně funkcí X s = F ( X 1 , X 2 ..., X n , v1 , v2 ,...vn ) ,

(5.33)

přičemž n

∑v i =1

i

= 1.

(5.34)

Funkční závislost (5.33) je v konkrétních případech složitá, neboť zahrnuje i vliv tzv. geometrie složené (směsné) soustavy. Výjimkou jsou případy jednoduchých složených soustav, tvořených např. paralelně nebo sériově řazenými vrstvami několika různých materiálů. •

Geometrie složené soustavy je určena jejím typem (viz kapitolu 5.9.1), rozložením částic v soustavě, tvarem částic, orientací částic vzhledem k působícímu silovému poli, příp. i velikostí částic.

•

Vzájemná záměna indexů v analytickém vyjádření směsného vztahu je možná pouze při popisu soustav statistického typu, v nichž jsou všechny složky soustavy geometricky rovnocenné. Při popisu matričních soustav je záměna indexů ve směsném vztahu nepřípustná.

Složená soustava v silovém poli •

Z hlediska teoretického řešení složených soustav není rozhodující, zda se sledují vlastnosti elektrické, magnetické nebo tepelné. Je tomu tak proto, že chování materiálů v elektrických, magnetických a tepelných polích je popsáno formálně stejnými diferenciálními rovnicemi a je charakterizováno stejnými okrajovými podmínkami. Lze tedy směsné vztahy, odvozené např. pro permitivitu, použít i pro sledování permeability, vnitřní konduktivity, měrné tepelné vodivosti, příp. součinitele difúze. Vztah odpovídajících veličin v elektrických, magnetických, tepelných a difúzních polích uvádí tabulka 5.3.

Tabulka 5.3 Veličiny v elektrických, magnetických, tepelných a difúzních polích elektrostatické pole

elektrodynamické pole

magnetostatické pole

intenzita elektrického pole

napětí

intenzita teplotní spád magnetického pole

spád parciálního tlaku

elektrická indukce

proudová hustota

magnetická indukce

tepelný tok

difúzní tok

permitivita

vnitřní konduktivita

permeabilita

měrná tepelná vodivost

součinitel difúze

•

tepelné pole

difúzní pole

Přísně teoretický přístup k řešení složených soustav vychází z teorie potenciálů v silových polích s přihlédnutím k okrajovým podmínkám. Základním úkolem je pak pro daný případ nalézt příslušné řešení Laplaceovy rovnice. Výchozím bodem řešení je zjištění potenciálu v libovolně zvoleném bodě uvnitř i vně jedné makroskopické částice uložené do vnějšího silového pole. Předložit řešení zadané úlohy lze však pouze v případě částic o tvaru, který lze řešit v silovém poli, tedy koule, sféroidu nebo elipsoidu, a to při nízké koncentraci dispergovaných částic v soustavách matričního typu. Přítomnost většího počtu

184


dispergovaných částic v soustavě vede i za předpokladu, že částice jsou popsány relativně jednoduchými geometrickými tvary, k vážným matematickým obtížím. Na každou jednotlivou částici nepůsobí totiž pouze vnější silové pole, nýbrž i silová pole vytvářená ostatními dispergovanými částicemi. Stejně tak působí i sledovaná částice svým polem na částice ostatní. V důsledku vzájemného ovlivňování polí nelze pak potenciály v jednotlivých bodech soustavy vyčíslit. Výjimkou jsou případy, kdy dispergované částice jsou v soustavě pravidelně rozloženy, nebo jedná-li se o velmi nízkou koncentraci dispergovaných částic. •

Při pojednáních o složených soustavách se obvykle předpokládá, že všechny složky soustavy představují homogenní a izotropní prostředí a že částice všech složek jsou velké ve srovnání s rozměry atomů nebo molekul. Jedná-li se o elektrické vlastnosti, předpokládá se ještě, že složená soustava se sleduje při nízkých intenzitách elektrického pole a při kmitočtech ležících mimo relaxační oblast kmitočtové disperze.

Permitivita složené soustavy •

Nejčastějším případem řešených složených soustav bývají soustavy dvousložkové. Pro jejich permitivitu byla v minulosti odvozena, mj. např. již Maxwellem a v literatuře uváděna řada směsných vztahů. Pečlivé prozkoumání jejich vnějšího tvaru však ukazuje, že velká část vztahů je si nejen formálně podobna, nýbrž je ve vzájemném vztahu a liší se od jistého obecného tvaru směsného vztahu pouze mírou odpovídající použité aproximaci.

•

Většina směsných vztahů popisuje matriční soustavy s matričním prostředím o permitivitě ε2´ a dispergovanými částicemi kulového tvaru o permitivitě ε1´. Při odvození zevšeobecněného vztahu se uvažuje, že každá dispergovaná částice je obklopena prostředím o efektivní permitivitě ε ef ´ ε 2 ´; ε s ´ .

•

Vhodnější než sledovat hodnoty elektrických potenciálů a intenzit elektrického pole v jednotlivých bodech složené soustavy je pracovat se středními prostorovými hodnotami elektrické indukce a intenzity elektrického pole. Vychází-li se z těchto středních hodnot, lze pro sledovaný případ částic kulového tvaru vyjádřit permitivitu soustavy ε´s výrazem   ε ´  3ε ef ´  ε s ´= ε 2´1 + v1  1 − 1 , ε ´ ε ´ 2 ε ´ +    2  1 ef 

(5.35)

který lze považovat za zevšeobecněný směsný vztah. Výraz (5.35) je pak možno převést do tvaru

ε ef ´ ε1´−ε 2´ ε s ´−ε 2´ . = 3v1 ε 2´ ε 2´ ε1´+2ε ef ´

.

(5.36)

Dosazením εef´ = ε2´ nebo εef´ = εs´ do rovnice (5.36) je důsledkem aproximativního přístupu k výpočtu permitivity εs´ a neodpovídá proto v obecném případě skutečnosti. Aproximace εef´ = ε2´ je použito např. v přístupu Maxwellově (zkoumal vnitřní konduktivitu), který pro případ matriční soustavy s nízkou koncentrací dispergovaných částic tvaru stejných koulí odvodil dodnes používaný směsný vztah

ε s ´−ε 2´ ε ´−ε ´ = 3v1 1 2 . ε 2´ ε1´+2ε 2´

(5.37)


185

Bőttcherův směsný vztah pro soustavu s kulovými částicemi vychází naopak z aproximace εef´ = εs´, a má tvar

ε s ´−ε 2´ ε ´−ε ´ = 3v1 1 2 . ε s´ ε1´+2ε s ´

(5.38)

Z empirických vztahů jsou v technické praxi často používány Lichteneckerovy směsné vztahy. Lichteneckerův mocninový vztah n

ε s ´k = ∑ viε i ´k

(5.39)

i =1

je pro případ dvousložkové soustavy tvaru

ε s ´k = v1ε1´k + v2ε 2´k .

(5.40)

Jedná se o vztah obsahující empirický parametr k, závislý zejména na tvaru a orientaci částic složené soustavy, který může obecně nabývat jakékoliv hodnoty v rozmezí −1; 1 . Je zřejmé, že pro krajní hodnoty k odpovídá rovnice (5.40) vztahům

ε s ´= v1ε1´+v2ε 2 ´ a 1

ε s´

= v1

1 1 + v2 , ε1´ ε 2´

(5.41) (5.42)

které popisují permitivitu soustavy složené ze dvou paralelně nebo sériově řazených vrstev. Pro hodnotu k → 0 přechází rovnice v tzv. Lichteneckerův logaritmický vztah log ε s ´= v1 log ε1´+v2 log ε 2 ´ .

(5.43)

Lichteneckerův logaritmický vztah je tvarově jednoduchý a dobře popisuje složené soustavy statistického i matričního typu s libovolnou hodnotou poměrnného objemového dílu všech složek soustavy s částicemi libovolného či neurčitého tvaru při chaotickém uspořádání složek. Popis dvousložkové složené soustavy vztahem (5.43) bude tím přesnější, čím menší bude poměr permitivit obou složek; při odvozování svých vztahů uvažoval Lichtenecker dvě složky o nejvyšším poměru ε1´/ε2´ = 4. Kontrolní otázky 1) Uveďte rozdíl v pojmech „složená soustava“ a „složený materiál“. V čem spočívá přínos složených materiálů? 2) Uveďte alespoň tři způsoby klasifikace složených materiálů. 3) Uveďte základní druhy anizotropních a izotropních složených soustav. V čem se podstatně liší matriční složené soustavy od statistických? 4) Předložte přehled částicových a vláknitých plniv složených materiálů. 5) Co jsou whiskry, prepregy, premixy a cermety? 6) Uveďte alespoň tři matematické formulace směsných vztahů pro výpočet permitivity binární složené soustavy.

186


5.10 Laky a kompaundy 5.10.1 Elektroizolační laky •

Tvoří důležitý článek elektrické izolace nejrůznějších dílů a součástí elektrotechnických zařízení. Jejich úkolem je vyplnění všech volných (prázdných) míst v izolaci elektrotechnických zařízení při jejich impregnaci (tím se zvýší elektrická pevnost a zlepší tepelná vodivost izolace) a vytvoření suchého lakového povlaku, tzv. filmu na povrchu.

•

Izolační laky jsou v podstatě koloidní disperze tuhých i kapalných látek v rozpouštědlech a ředidlech. Z látek - přírodní a syntetické pryskyřice, termoplastické polymery, rostlinné oleje, asfalty. Po odstranění rozpouštědel a ředitel vytvářejí tzv. filmotvorné složky lakový film. Obsah filmotvorných složek v lacích charakterizuje jejich sušina.

•

Rozpouštědla a ředidla představují zpravidla jen neaktivní složky laků, jsou však důležité při jejich přípravě.

•

Z technologického hlediska je důležitá viskozita laků, jež je závislá na obsahu filmotvorných složek, molekulové hmotnosti, struktuře, povaze makromolekul a obsahu rozpouštědel a ředidel.

•

Přeměna tekutých laků v tuhé látky je podmíněna v prvé řadě odstraněním prchavých podílů laků - tedy rozpouštědel a ředidel. Na tuto prvou část přeměny navazuje část druhá, v níž filmotvorné složky mění svoji chemickou strukturu a pochody polymeračními, polykondenzačními, polyadičními a oxidací přecházejí v konečnou makromolekulární strukturu (schnutím, vypalováním).

•

V důsledku probíhajících strukturálních změn vytváří se na povrchu pevná, pružná vrstva, která má dobré elektroizolační vlastnosti při nepatrné hygroskopičnosti.

•

Elektroizolační laky možno z hlediska použití dělit na: 1. 2. 3. 4. 5.

•

impregnační laky (napouštěcí laky), laky na dráty, laky na tkaniny, izolační trubičky a papír, lepicí laky, povrchové laky.

Podle chemické povahy filmotvorných složek se člení laky na: A. laky na bázi přírodních pryskyřic (lihové laky), B. laky na bázi vysychavých olejů (olejové laky), C. laky na bázi syntetických pryskyřic a polymerů (čisté a modifikované syntetické laky).

•

Lihové laky Alkoholické roztoky přírodních polymerů (šelak, kopály). Používané přírodní pryskyřice mají většinou termoplastický charakter, takže laky nelze použít pro impregnaci vinutí.

•

Olejové laky Představují kombinaci vysychavých rostlinných olejů (lněného, ricinového nebo dřevného) s přírodními nebo syntetickými pryskyřicemi. Prosychání laku se neomezuje jen na odpaření rozpouštědel, nýbrž je závislé hlavně na vzdušné oxidaci, často i za zvýšených teplot.


187

Laky na bázi syntetických pryskyřic a polymerů Základní filmotvornou složkou jsou syntetické pryskyřice a vysokomolekulární polymery, často účelně modifikované (lakařské pryskyřice). Používají se: -

bakelitové laky, laky na bázi modifikovaných fenolových pryskyřic, laky na bázi termoplastických polymerů (polystyrénové l.), alkydové laky glyptály (glycerinftalátové polyestery), silikonové laky, bezrozpouštědlové laky - epoxidové,polyesterové, polyuretanové, silikonové.

Poznámka: Sikativy či sušidla - látky, jež přidány v malém množství k laku zkracují doby schnutí 6 - 10 násobně. Jde o katalyzátory, jejichž účinnou složkou jsou kovy (Co, Mn, Pb aj.). Kontrolní otázky 1) Předložte základní klasifikace laků. V čem jsou podstatné odlišnosti kompaundů od laků? 2) Předložte alespoň dvě klasifikace laků pro elektrotechniku. V čem je rozdíl mezi rozpouštědlem a ředidlem ? 3) Jaké jsou důsledky impregnace papíru na jeho vlastnosti? 5.10.2 Kompaundy •

Kompaundy se podstatně liší od laků tím, že neobsahují těkavá rozpouštědla. Kompaundy se skládají z bitumenů, asfaltů, vosků, pryskyřic i olejů. Do tekutého stavu se převedou pouhým zahřátím, kdy při určité teplotě mají takovou viskozitu, která dovolí, aby kompaund dobře zatekl do izolace a vyplnil všechna prázdná místa. Při chladnutí pak roztavený kompaund ztuhne. Proti vnikání vlhkosti je daleko odolnější než izolační lak.

5.11 Kapalné a plynné izolanty 5.11.1 Kapalné izolanty •

Jejich použití v elektrotechnice je mnohostranné,ať pro jejich velkou elektrickou pevnost,nebo tekutost,která umožňuje chlazení v transformátorech, i proto, že chrání tuhé izolanty před vlhkostí a vzduchem.

•

Kapalné izolanty používané v elektrotechnice se obvykle rozdělují do tří skupin: 1. minerální oleje, 2. syntetické kapaliny, 3. rostlinné oleje

•

Z prvé skupiny jsou v elektrotechnice používány pro transformátory a pro náplně spínacích přístrojů a jako kabelové a kondenzátorové oleje.

•

Jen hořlavost, zápalnost a i možnost výbuchů vzniklých plynů, např. v olejových vypínačích, jsou hlavní příčinou odklonu používání minerálních olejů v elektrických zařízeních a jejich nahrazování kapalnými izolanty druhé skupiny, tzv.syntetickými

188


izolačními kapalinami. Ke skupině syntetických kapalin možno zahrnout i sloučeniny organokřemičité, tzv.silikony. •

Ze třetí skupiny rostlinných olejů se někdy používá ricinový olej, lněný olej a dřevný olej.

•

Z hlediska použití se kapalné izolanty klasifikují na kapaliny pro: transformátory, spínače, kabely, kondenzátory, vývěvy, přípravu laků speciální použití.

Minerální oleje •

Minerální oleje jsou směsi uhlovodíků. Podle chemického složení se dělí na 1. 2. 3. 4.

•

oleje parafinické (alkanické, metanové) oleje naftenické (cyklanické) oleje složené ze směsi obou oleje olefinické - obecný typ 1, 2 s několika dvojnými vazbami.

Minerální oleje se získávají frakcionovanou destilací ropy a následnou rafinací. Rafinace je chemická ( kyselina sírová, extrakce - selektivní rozpouštědla) fyzikální - práškování (rafinace bělicí hlinkou nebo metabentonitem, absorpční rafinace).

•

Oleje parafinické vykazují malé změny viskozity při měnící se teplotě, tzn., že viskozitní křivka je plochá (použití pro transformátory), u naftenických olejů je tato křivka strmá (použití v kabelové technice).

•

Transformátorové oleje jsou odolnější proti oxidaci a mají malou hustotu, čímž se snadněji odloučí voda od oleje. Poznámka: Vliv vody na vlastnosti olejů závisí na formě přítomné vody: rozpuštěná (vlivem hygroskopičnosti) emulgovaná (ve formě submikroskopických kapiček) volná (nemá přímý vliv na elektrické vlastnosti oleje, ale je nežádoucí)

•

Stárnutí oleje je ovlivněno obsahem kyslíku, výší teploty, tlaku a dále i přítomností katalyzátorů, jako mědi, železa a olova. Další příčinou stárnutí je samotné elektrické pole.

•

Mechanizmus oxidace je komplikovaný. Průběh oxidace se vysvětluje řetězovou teorií. Přístupy k zabránění (zpomalení) oxidace: použití antioxidantů zamezení přístupu vzduchu použití dusíku zmenšení stykové plochy se vzduchem.

•

Regenerace minerálních olejů 1. za provozu


189

smíšením zahřátého oleje s adsorpčním prostředkem (bělicí hlinka) + následující filtrace filtrace zahřátého oleje vrstvou adsorpčního prostředku (silikagel nebo aktivovaný oxid hlinitý) (perkolace) 2. mimo provoz - kyselinou a bělicí hlinkou Poznámka: - silikagel - dokonale promytý a vysušený gel kyseliny křemičité, velmi jemně pórovitá látka o velké adsorpční schopnosti. - Připravuje se srážením vodního skla (křemičité sklo Na nebo K) kyselinou a vysoušením. Syntetické kapaliny •

Klasifikace syntetických kapalin: 1. polybutény - kapalné zplodiny polymerace nenasycených uhlovodíků butylenů (nově butenů) C4H8 - nepolární látky s výbornými elektrickými vlastnostmi (oktol) 2. chlorované uhlovodíky nejznámějším představitelem je pentachlordifenyl C6H2Cl3 – C6H3Cl2, obsahující pět atomů chloru v každé molekule; je polárním dielektrikem s permitivitou 4,5 - 5. 3. fluorované uhlovodíky 4. silikony 5. organické estery.

5.11.2 Plyny v elektrotechnice •

Základní klasifikace: obecné plyny inertní plyny elektronegativní plyny

•

Všechny látky v plynném stavu jsou za normálních podmínek dielektriky. Mohou se však za jistých energetických podmínek stát i vodiči elektrického proudu.

•

Charakteristické vlastnosti: malá hustota vysoká rezistivita nízká permitivita velmi nízké dielektrické ztráty - téměř nulové při všech kmitočtech rychlé zotavení po průrazu

Obecné plyny Vzduch • •

směs plynů, z nichž nejvíce je obsaženo N2 (78 % hm.) a O2 (21 % hm.); dále jsou obsaženy Ar, CO2, Ne, He, Kr, Xe; množství H2O kolísá při normálním tlaku (0,1 MPa) a teplotě 20 °C hustota permitivita ztrátový činitel rezistivita

1,29 kg m-3 1,00058 1 . 10-6 1016 Ωm

190


Vodík • • •

ze všech plynů má nejmenší elektrickou pevnost, ale nejvyšší tepelnou vodivost (tepelná vodivost je 7 x větší než u vzduchu) hustota je 14 x menší než u vzduchu použití: redukční prostředí (vakuová technika), resp. ve směsi s dusíkem arcatomové svařování (v H2 atmosféře) − vlivem vysoké teploty se molekuly H2 štěpí na atomy, které se při styku s kovem spojují opět v molekuly za současného uvolnění značného množství tepla

Dusík •

použití: ochranné prostředí (chrání jiné látky před oxidací) náplň normálových kondenzátorů s H2 silná redukční atmosféra (vakuová technika) výplachy a náplně žárovek

Kyslík •

použití svařovací technika povrchová oxidace při speciálních technologiích (např. stříbrné plochy pro fotobuňky)

Oxid uhličitý CO2 •

použití: dielektrikum normálových kondenzátorů plnění olejových transformátorů transportovaných bez oleje náplň zářivek s denním světlem indikátorový plyn pro zjišťování hrubších netěsností

Inertní plyny (netečné, vzácné) •

Netvoří ani v ionizovaném stavu sloučeniny, ani se nespojují s jinými prvky.

•

Použití: He - zářivky pro vyšší napětí, ve směsi s Ne pro plnění výbojek (výbojky s červeným světlem) Ne - výbojky, Ne + Ar ... s modrým světlem, Ne + He ... s červeným světlem Ar - výbojky s bílým světlem, žárovky, Ar + O2 - argonové svařovací zařízení Kr - žárovky Xe - bleskové lampy, výbojky s vysokým tlakem s W elektrodami

•

Při využití plynů ve výbojových zdrojích světla je důležitou charakteristikou velikost ionizačního potenciálu (resp. ionizační energie). Hodnoty ionizačních potenciálů: inertní plyny: − − − −

He Ne Ar Kr

24,5 V 21,5 V 17,5 V 14,0 V

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy − Xe

191

12,1 V

obecné plyny: − N2 − O2 − H2

15,7 V 12,5 V 13,6 V

kovové páry: − − − −

Hg Na K Cs

10,4 V 5,1 V 4,3 V 3,9 V

Poznámka:

Se zvýšením atomového čísla se ionizační potenciál snižuje .

Elektronegativní plyny •

Snadno tvoří záporně nabité, pomalé ionty.

•

Základní typy: fluorid sírový SF6 − elektronegativní plyn s mimořádnou chemickou a tepelnou stabilitou − atom síry obklopen šesti stejně vzdálenými atomy fluoru (ve vrcholech pravidelného osmistěnu) − tepelný rozklad až při teplotách nad 500 °C − elektrická pevnost je 2,5 až 3,5 x větší než u dusíku chlorované a fluorované uhlovodíky − difluordichlormetan CCl2F2 (Freon, Frigen, Ledon 12)

192


6 Speciální výrobní procesy 6.1 ELEKTRONOVÉ PROCESY 6.1.1 Úvod Využití elektronů, resp. koordinovaného pohybu velkého počtu elektronů v tzv. elektronovém svazku má z hlediska historie techniky již dlouhou tradici. Elektronky, televizní obrazovky, rentgenky, elektronová mikroskopie, atd. to je jen nepatrná ukázka možností využití elektronového svazku v dnes již historických nebo zcela běžných aplikacích. V následujícím textu si všimneme dalších možností využití elektronového svazku – ve výrobních procesech. Elektronový svazek je schopen přenášet téměř libovolný požadovaný výkon v rozsahu řádů 10-6 až 106 W, který lze soustředit na téměř libovolnou plochu ohraničenou nejmenším průměrem stopy řádově 10-7 m. Zařízení jsou realizována pro práci ve vakuu, kde tlak v prostoru elektronové trysky bývá v rozmezí 10-4 až 10-2 Pa, v pracovní komoře řádově 10-2 Pa, avšak v pracovním prostoru je možné používat tlak v širokém rozsahu 1 až 105 Pa. Rovněž urychlovací systémy jsou realizovány pro široký rozsah energií elektronů od 102 eV do 106 eV. Uvedené vlastnosti elektronového svazku a pracovního prostředí umožňují realizovat celou řadu aplikací s využitím energie a možných elementárních procesů přeměny na jiné formy energie. Při tavení, svařování, odpařování a technickém obrábění se využívá přeměny kinetické energie elektronů na energii tepelnou. Při netermickém obrábění a procesech při chemicko-svazkových technologiích se využívá vzájemné interakce elektronů s atomy a molekulami látky, jejich vybuzení a ionizace s následnou chemickou reakcí. Využívá se i vliv urychlených elektronů na biologické systémy při průmyslové sterilizaci atp. 6.1.2

Přeměna energie v místě působení svazku.

Po emisi elektronu do prostoru mezi katodu a anodu bude na elektron působit elektrostatické pole, které jej urychlí na rychlost, kterou můžeme vyčíslit ze známého vztahu pro výpočet kinetické energie elektronu 1 Wk = qU AK = m e0 v e2 ( 6.1 ) 2 Při použití urychlovacích napětí UAK v rozmezí 10 kV až 100 kV dosáhne rychlost elektronu hodnot asi 0,2 až 0,6 rychlosti světla a není nutné uvažovat relativistický přírůstek hmotnosti elektronu oproti klidové hmotnosti meo . V místě, kde elektronový svazek dopadne na objekt, dochází k interakci elektronů s atomy a molekulami látky a k přeměně kinetické energie elektronů na jiné formy energie. Schematicky je situace naznačena na obrázku Obrázek 6.1. Největší část kinetické energie elektronového svazku se v oblasti přeměny změní na energii tepelnou. Tato energie zahřívá povrchovou vrstvu látky o tloušťce dané hloubkou vniku elektronů. Z oblasti přeměny je teplo rozváděno do okolí mechanismem tepelné vodivosti. Jistá část kinetické energie dopadajících elektronů je využita k vybuzení atomů a molekul látky v místě dopadu případně k vyražení tzv. sekundárních elektronů. Vybuzené částice se mohou zúčastnit buď chemických reakcí nebo po přechodu do rovnovážného stavu


193

je energie vyzářena atomem buď ve formě tepelné energie nebo kvanta záření.

Obrázek 6.1

Jevy v oblasti dopadu elektronového svazku na objekt

Zasažená povrchová vrstva je zahřívána na vysokou teplotu (tavení, varu) a je tedy zdrojem záření světelného, tepelného a zdrojem tepelných elektronů. Oblast přeměny energie je zdrojem rentgenového záření se spektrem spojitým (brzdící záření dané zabržďováním elektronů při interakci s atomy látky) a spektrem čarovým (charakteristické záření dané přechodem vybuzeného atomu látky do rovnovážného stavu). Ne všechny elektrony dopadající na látku však do ní vniknou. Velká část elektronů se od. povrchu látky odráží, aniž by se podstatně zúčastnila procesu přeměny energie v látce. Z tohoto pohledu lze tedy hovořit o žádoucích mechanismech přeměny energií a mechanismech nežádoucích - ztrátových. Rentgenové záření nehraje z hlediska ztrát příliš významnou úlohu. Výkon rentgenového záření lze vypočítat ze vztahu Pr = 1,69.10 −8 I Z U 1,75 , ( 6.2 ) kde I je proud elektronového svazku, Z je atomové číslo kovu na který elektronový svazek dopadl a U je urychlovací napětí. Obvykle dosahuje tento výkon desetin procenta výkonu elektronového svazku a podstatněji se začíná zvyšovat až při použití urychlovacích napětí nad 1 MV. Významný je však vliv na lidský organismus. Již při použití urychlovacích napětí řádově 103 V dosahuje energie kvanta rentgenového záření hodnot odpovídajících měkkému rentgenovému záření. Energii kvant rentgenového záření lze vyčíslit ze vztahu kde h je Planckova konstanta a νr max je maximální kmitočet záření. Wr max = h ν r max = q U AK ( 6.3 ) Rentgenové záření je pohlcováno látkami v závislosti na struktuře látky atomovém čísle a vlnové délce záření. Tyto skutečnosti jsou respektovány v tzv. absorpčním koeficientu µ(λ). Pokles intenzity záření po průchodu látkou o tloušťce x lze vypočítat ze vztahu I r = I r0 exp[−µ(λ)x] , ( 6.4 )

194


kde Iro je hodnota intenzity záření dopadající na látku a Ir je hodnota intenzity záření po průchodu látkou. Při použití urychlovacích napětí asi do 60 kV není nutné realizovat zvláštní bezpečnostní opatření vzhledem k tomu, že záření je pohlceno v plášti vakuové komory. U zařízení , která pracují s urychlovacími napětími asi do 300 kV, se ochrana před zářením doplňuje obklady z olověných desek. Při urychlovacích napětích nad 300 kV se zařízení obvykle instaluje do betonových krytů.  W jeT = A T 2 exp − ,  kT

( 6.5 )

Tepelné elektrony jsou emitovány z povrchu objektu, který je elektronovým svazkem zahříván na vysokou teplotu. Hustota toku emitovaných elektronů souvisí s výkonem elektronového svazku pouze přes teplotu povrchu objektu s je dána vztahem kde A je Richardsonova konstanta (A ≅ 6.105 Am-2K-2), T je absolutní teplota povrchu objektu, W je výstupní práce elektronu z kovu k je Boltzmanova konstanta. Vztah ( 6.5 ) popisuje Richardson-Dushmanův zákon pro termoemisi elektronů z kovů. Energie tepelných elektronů je velmi nízká a souvisí s teplotou povrchu katody. Sekundární elektrony jsou emitovány z povrchu objektu po interakci elektronového svazku s atomy kovu. Jejich energie je řádově 101 eV. Hustota toku sekundárních elektronů závisí na materiálu objektu a úhlu dopadu elektronového svazku na povrch objektu. Termoemise a emise sekundárních elektronů nehraje v technologických procesech významnou roli z hlediska ztrát, které nepřevyšují 1 % výkonu elektronového svazku. Odražené elektrony nesou energii ve velmi širokém rozsahu hodnot až do energie dopadajících elektronů. Množství odražených elektronů, spektrum energie a rozložení v prostoru závisí na atomovém čísle materiálu objektu a na úhlu dopadu elektronového svazku. Z hlediska ztrát hrají odražené elektrony nejvýznamnější úlohu. Na obrázku Obrázek 6.2 je naznačena závislost poměru výkonu odražených elektronů k výkonu dopadajícího svazku na atomovém čísle materiálu objektu při kolmém dopadu svazku na povrch objektu. Z grafu plyne, že např. pro ocel činí ztráty asi 25 %. Při šikmém dopadu elektronového svazku ztráty dále narůstají až do hodnoty 100 % při rovnoběžném pohybu elektronů s povrchem objektu. Hloubka vniku elektronů. Po dopadu elektronového svazku vnikají elektrony do materiálu při mnohonásobných pružných a nepružných srážkách s atomy a molekulami látky a předávají jim svoji energii. Vzdálenost do které elektron vnikne (měřeno od povrchu objektu ve směru normály) a ztratí prakticky celou svoji kinetickou energii, nazýváme hloubkou vniku elektronů.


Obrázek 6.2

195

Závislost poměru výkonu odražených elektronů k výkonu dopadajícího svazku elektronů na atomovém čísle při kolmém dopadu svazku na povrch objektu.

U kovů lze hloubku vniku elektronů stanovit dle vztahu: A U2 h e = 1,47.10 −11 ⋅ , Zρ

( 6.6 )

kde A je atomová hmotnost kovu, U je urychlovací napětí, Z je atomové číslo kovu a ρ je měrná hmotnost kovu. V obecném případě můžeme říci, že hloubka vniku je funkcí energie elektronů a měrné hmotnosti látky. Tato závislost není lineární v širokém rozsahu energií elektronů a z toho důvodu je příslušné analytické vyjádření rozděleno do tří oblastí. S přesností dostačující pro použití v technologickém procesu lze hloubku vniku stanovit dle vztahů Předávání energie látce vnikajícími elektrony však není rovnoměrné v celém objemu daném průměrem elektronového svazku a hloubkou vniku elektronů. Výkon pohlcený v jednotce objemu látky je funkcí vzdálenosti od povrchu. U2 h e ≈ 2,1.10 −11 ⋅ , [10 kV ≤ U ≤ 100 kV] ( 6.7 ) ρ 5

U3 h e ≈ 6,67.10 −10 ⋅ , [100 kV ≤ U ≤ 1 MV] ρ 1 h e ≈ (5,1.10 -6 U - 2,6) , [U ≥ 1MV] ρ

( 6.8 ) ( 6.9 )

Tepelná vodivost látky a vyzařování. V termických procesech elektronové technologie má rozhodující úlohu energie elektronového svazku, která se mění v teplo. Ztráty tepla jsou podmíněny jednak tepelnou vodivostí látky a dále vyzařováním. Který mechanismus ztrát bude rozhodující, záleží na typu procesu. Např. při mikrosvařování a mikroobrábění není nutné uvažovat ztráty vyzařováním, ale rozhodující vliv bude mít tepelná vodivost látky. Naopak při tavení nebo odpařování, zejména těžko tavitelných materiálů, mohou ztráty tepla zářením z velké plochy převýšit ztráty způsobené tepelnou vodivostí.

196


Výkon a hustota výkonu elektronového svazku. Důležité parametry, které ovlivňují daný technologický proces, jsou zejména výkon elektronového svazku N0, plošná hustota výkonu NS, měrný objemový výkon NV, urychlující napětí U a průměr svazku v místě dopadu na materiál ds . Tyto veličiny lze vypočítat ze vztahů N 0 = U Is , ( 6.10 ) Is je proud elektronového svazku N U IS 4 U IS = = U je , NS = 0 = π d S2 SS SS kde Ss je průřez svazku v místě dopadu na materiál je je plošná hustota proudu elektronového svazku N η Uj NV = 0 = a e , V he Dosadíme-li do (6. 12) za he např. vztah (6. 7), obdržíme j NV ≈ e , U

( 6.11 )

( 6.12 )

( 6.13 )

Ze vztahu ( 6.13 ) plyne, že zvýšení výkonu pohlceného v jednotce objemu je možné zvýšením plošné hustoty proudu elektronového svazku, ale ne zvýšením urychlovacího napětí. Tato skutečnost hraje důležitou roli v netermických procesech. Na obrázku Obrázek 6.3 jsou naznačeny oblasti nejdůležitějších procesů elektronové technologie a jsou zde uvedeny i typické hodnoty urychlovacích napětí a průměru elektronového svazku.

Obrázek 6.3

Nejdůležitější procesy elektronové technologie a jejich základní parametry


197

Zdroje e1ektronového svazku

Zdrojem elektronů pro potřeby elektronové technologie je tzv. elektronová tryska, což je zařízení, ve kterém získáváme volné elektrony, uskutečňujeme jejich základní urychlení a tvarování do elektronového svazku. Existuje celá řada konstrukcí, které se odlišují zejména podle způsobu získání volných elektronů, výkonu a podle účelu, pro který jsou navrhovány. 6.1.3.1 Získávání volných elektronů Volné elektrony lze teoreticky získat z látek v libovolném skupenství. Pozornost se zaměřuje na získávání volných elektronů z tuhých látek při vysoké teplotě (termoemisní elektrony) a ze studených katod (sekundární elektrony) a dále z plynných látek při elektrickém výboji se studenou katodou a z nízkotlaké plazmy při nízkonapěťovém výboji ovlivněném magnetickým polem. Nejsnadnější získání volných elektronů je termoemisí. První vyhovující.teorie tepelné emise byla vypracována Richardsonem a později doplněna Dushmanem. Jimi formulovaný zákon umožňuje stanovit hustotu emisního toku elektronů ze vztahu  B jeT = A T 2 exp −  ,  T

( 6.14 )

kde A je Richardsonova konstanta (A ≅ 6.105 A m-2 K-2) T je absolutní teplota B je materiálový parametr (B = W/k) W je výstupní práce elektronu z kovu k je Boltzmanova konstanta Vztah ( 6.14 ) platí jen pro čisté kovy za předpokladu, že veškeré emitované elektrony budou „odsáty“ od povrchu katody, aby vzniklý prostorový náboj nebránil výstupu dalších elektronů. Při praktických aplikacích je tato podmínka splněna tím, že v určité vzdálenosti od katody je umístěna anoda a elektrické pole mezi anodou a katodou, sloužící k urychlení elektronů, současně plní výše uvedenou podmínku. Vnější elektrické pole E při povrchu katody však současně ovlivňuje i hodnotu nutné výstupní práce elektronu z katody. Vztah ( 6.14 ) se změní  W - ∆W  jeTE = AT 2 exp − , ( 6.15 ) kT    0,44 E   W  ∆W  , jeTE = AT 2 exp −  exp  = jeT exp  T  kT   kT   

( 6.16 )

kde ∆W je změna výstupní práce elektronu z katody v důsledku působení vnějšího elektrického pole E Proud elektronového svazku, který lze získat z termokatody, lze vypočítat ze vztahu I s = jeTE S , ( 6.17 ) kde S je účinná plocha katody.

198


a) Obrázek 6.4

Základní konstrukce katod a) přímo žhavená katoda z wolframového drátu b) přímo žhavená katoda pásková

Pro konstrukci elektronových trysek se používají tři typy katod z hlediska tvaru: drátové páskové a kompaktní. Pro menší hodnoty emisního proudu v rozsahu 10-5 až 10-1 A se používají přímo žhavené katody z tenkého drátku nebo pásku. Základní uspořádání jsou na obrázku Obrázek 6.4. Pro vyšší hodnoty proudu se používají nepřímo žhavené katody.

Obrázek 6.5

Principiální schéma zdroje elektronového svazku se studenou katodou.

1 - studená katoda, 2 - anoda, 3 - pomocná elektroda, 4 - plazma, 5 - elektronový svazek Katody z tenkého drátku lze použít u systémů v rozsahu výkonů 10-1 W až 103 W. Pro větší výkony od 103 W do 105 W se používají katody s větší emisní plochou, tedy páskové nebo kompaktní. Pro dosažení větších proudů v elektronovém svazku lze využít i další způsob získávání volných elektronů - ze studených katod. Realizace takových systémů přináší několik výhod. Elektronové trysky s termokatodami potřebují pro normální činnost vakuum o tlaku menším než 10-2 Pa. Při některých operacích se tato podmínka obtížně splňuje, což má podstatný vliv m.j. na životnost katody. Perspektivní se ukazují systémy pro generování a formování tvaru elektronového svazku, pracující při vyšších tlacích s pomocným výbojem a studenou katodou. Schematicky je systém naznačen na obrázku Obrázek 6.5.


199

Takový zdroj může pracovat v rozsahu tlaků 100 až 102 Pa. Při tomto tlaku vzniká vysokonapěťový doutnavý výboj mezi anodou a pomocnou elektrodou. V oblasti anody vzniká plazma, která je zdrojem kladně nabitých částic - iontů. Mezi anodou a katodou existuje elektrické pole dané urychlovacím napětím v rozmezí 103 do 105 V. Jelikož katoda je vůči anodě na záporném potenciálu, jsou ionty z povrchové oblasti plazmy urychlovány směrem ke katodě. Po dopadu na katodu jsou emitovány z chladné katody sekundární elektrony a ty jsou urychlovány směrem k anodě. V oblasti mezi anodou a katodou plazma neexistuje a v důsledku rozdílů rychlosti těžkých iontů a lehčích elektronů vzniká oblast kladného prostorového náboje a výrazným ohraničením v oblasti kontaktu s plazmou. Přes tuto hranici prochází elektrony emitované z katody a urychlené na dráze mezi katodou a oblastí kladného prostorového náboje. Potenciál plazy se jen nepatrně odlišuje od potenciálu anody, v důsledku čehož hranice plazmy a oblast prostorového náboje představuje anodu „průzračnou“ pro elektrony, kde konfigurace této oblasti mj. velmi závisí i na tvaru povrchu katody. Katody se realizují v různých tvarech a jako materiál slouží většinou čisté kovy jako ocel, měď, nikl a hliník. Pracovním plynem bývá kyslík, vodík, dusík, helium, neon, argon nebo xenon s typickou hodnotou tlaku v rozsahu 0,1 až 25 Pa. Proudová hustota na studené katodě dosahuje až 1 A cm-2 a emisní proud až 200 A. Životnost takových katod bývá 5 až 10 krát větší než u termokatod. Modifikací základního uspořádání lze realizovat zařízení a elektronovými svazky různých výkonů a tvarů (úzké svazky, široké svazky, obdélníkové svazky atd.), pomocí kterých lze uskutečnit různé termické operace v nízkém vakuu. Z hlediska výkonů lze realizovat zařízení v rozsahu 102 až 105 W. Režim činnosti lze měnit buď změnou urychlovacího napětí, nebo změnou hustoty plazmy. Hustotu plazmy lze měnit buď změnou parametrů pomocného výboje (proudem v obvodu pomocné elektrody) nebo regulací tlaku plynu v pracovní komoře. 6.1.3.2 Konstrukce elektronových trysek

Obrázek 6.6

Uspořádání elektronové trysky s termickou katodou. K - katoda, ŘE - řídicí elektroda, I - izolátor, A - Anoda, F - fokusační cívka, V - vychylovací cívka, P - předmět

200


Pod pojmem elektronová tryska budeme rozumět zařízení, které se skládá ze zdroje elektronového svazku, řídicího systému, který umožňuje měnit tok elektronového svazku, urychlovacího systému, fokuzačního systému a vychylovacího systému elektronového svazku. Jak vyplynulo již z úvodních částí, je možné realizovat zařízení využívající elektronové svazky pro nejrůznější použití s velmi širokými parametry výkonovými, parametry charakterizujícími tvar svazků atd. Většinou používáme elektronový svazek rotačně souměrný ve tvaru úzkého kužele. Pro ilustraci je na obrázku Obrázek 6.6 naznačeno schematické uspořádání elektronové trysky se základními komponenty. Předmět, na který působíme elektronovým svazkem, je obvykle spojen s uzemněnou kostrou zařízení, a tedy je na stejném potenciálu jako anoda. Je tedy nutné odizolovat celý systém katody a řídicí elektrody, což bývá konstrukčně a technologicky náročné. Katoda je vůči anodě na záporném potenciálu daném urychlovacím napětím. Řídicí elektroda je na záporném potenciálu vůči katodě a elektrickým polem mezi katodou a řídicí elektrodou lze ovlivňovat velikost emisního proudu ve svazku, a tím výkon elektronového svazku. Toto elektrické pole však může sloužit i k prvotní fokusaci svazku, jak bude uvedeno dále. Nedílnou součástí elektronové trysky bývá magnetická čočka, která umožňuje převést koncentrovaný svazek na větší vzdálenosti a zaostřit svazek v místě dopadu na předmět do kruhové stopy o požadovaném průměru. Pro řízení místa dopadu elektronového svazku na povrchu obráběného předmětu slouží soustava vychylovacích cívek. Na obrázku Obrázek 6.6 je naznačena katoda o malé emisní ploše, tedy pro relativně malé výkony. U trysek a velkým výkonem, tedy a katodou s velkou emisní plochou, je nutné elektronový svazek před fokusací magnetickou čočkou vhodně upravit. Obvykle se volí katoda ve tvaru kulového vrchlíku, jako např. na obrázku Obrázek 6.5 a za spolupůsobení elektrického pole řídícího a urychlovacího systému jsou elektrony soustředěny do úzkého křížiště, které zobrazujeme fokusační cívkou na povrchu předmětu. Tato myšlenka je základem pro tzv. Pierceův systém. Z konstrukčního hlediska existuje řada možností návrhu řídicích a tvarovacích systémů. 6.1.4

Využití e1ektronových svazků v technologii

6.1.4.1 Odpařování materiálů Odpařování materiálů, resp. technologie vytvoření tenkých vrstev odpařením a následnou kondenzací par odpařeného materiálu na podložce ve vakuu, patří mezi velmi důležité technologie v celé řadě oblastí techniky. Při klasickém postupu byl základní materiál ohříván na teplotu varu přestupem tepla ze zdroje přes stěnu kelímku objemem materiálu až k povrchové vrstvě. Využití elektronového svazku k přímému ohřevu povrchové vrstvy na teplotu varu materiálu umožňuje dosáhnout řady specifických vlastností této technologie ve srovnání s tradičním uspořádáním. Přímý ohřev elektronovým svazkem umožňuje bodový ohřev definované oblasti na povrchu materiálu, kdy ostatní objem je intenzívně chlazen v kelímku s vodním chlazením. Takové uspořádání je nezbytné při odpařování chemicky vysoce aktivních látek, látek s vysokou teplotou varu atp. Chlazený kelímek umožňuje napařovat vrstvy s vysokou čistotou, nedochází k reakcím mezi odpařovaným materiálem a kelímkem, nedochází ke znečisťování prostoru emisí částic ze zahřátých komponentů zařízení atp. V dnešní době se používají zařízení pro odpařování materiálů v rozsahu výkonů od 250 W do 250 kW s rychlostí odpařování materiálu od 1 g do 100 kg za hodinu. Tyto vlastnosti zařízení odkrývají široké spektrum možností této technologie. Napařování vrstev se uskutečňuje ve vakuu, což je také podmínkou pro činnost elektronové trysky. Princip


201

napařovací aparatury využívající elektronového svazku k ohřevu materiálu je zřejmý z obrázku Obrázek 6.7.

Obrázek 6.7

Princip odpařovacího zařízení elektronovým svazkem

1 - elektronová tryska se zaostřovacím systémem, 2 - elektronový svazek, 3 - vodou chlazený kelímek, 4 - mechanická uzávěrka par, 5 - tok par, 6 - podložka, 7 - zařízení pro ohřev podložky, 8 - vývod pro vakuový systém Elektronový svazek je přiveden do pracovní komory a v magnetickém poli je otočen o 90°. Tím se zabraňuje přístupu par do prostoru trysky. Elektronový svazek je zaostřen na povrch materiálu, který je umístěn v kelímku chlazeném vodou. Tok par lze přerušit mechanickou uzávěrkou. Páry kondenzují na podložce, která je vyhřátá na optimální kondenzační teplotu. Celý systém je napojen na vakuové zařízení. Elektronové napařovací systémy lze konstruovat různými způsoby. Nejčastěji používané uspořádání jsou na obrázku Obrázek 6.8.

a) Obrázek 6.8

b)

c)

d)

Odpařovací systémy. ET - elektronová tryska, ES - elektronový svazek a) přímé vedení svazku, b) vychýlení dvou svazků magnetickým polem, c) uspořádání pro velké výkony svazku, d) uspořádání pro napařování širokým svazkem par

202

Obrázek 6.9


Uspořádání pro napařování

a) Uspořádání pro napařování slitin kovů b) Uspořádání vhodné pro napařování vrstev různého složení c) Uspořádání pro napařování velkoplošných materiálů s periodickým vychylováním elektronového svazku Vhodným uspořádáním lze realizovat zařízení k napařování vrstev různého složení, k vytváření slitin kovů, k napařování velkoplošných materiálů atp. Některé možnosti jsou uvedeny na obrázku Obrázek 6.9. 6.1.4.2 Tavení materiálů Vlastnosti kovů jsou dány jak jejich základním složením, tak i obsahem příměsí s plynů. Pro rafinaci kovů se používá jejich přetavování. U vysoce čistých kovů je možné použít přetavování ve vakuu pomocí elektronového svazku. Mimo tento účel se tavení pomocí elektronového svazku používá pro tavení vysokoteplotních a chemicky aktivních kovů. Možnost řízení výkonu elektronového svazku V prostoru i v čase dovoluje realizovat řadu variant procesu, které se mohou jinými postupy vakuové metalurgie dosahovat jen obtížně nebo jsou nerealizovatelné. Základní uspořádání zařízení pro tavení materiálů pomocí elektronového svazku je zobrazeno na obrázku Obrázek 6.10. Zařízení pracuje a rozostřeným svazkem nebo se svazkem rozmítaným. Svazek jednak odtavuje materiál, který odkapává do prostoru mezi chladiče. Zde je dále přetavován a řízeně chlazen mezi chladiči. Vznikající ingot je vytahován z prostoru chladiče. Rychlost tavení je dána výkonem svazku, který dopadá na přetavený materiál. Druhá část výkonu svazku slouží k přetavování materiálu mezi chladiči tzv. krystalizátoru. Zařízení jsou realizována pro různé úrovně pracovních tlaků a s tím související typ elektronové trysky. Obvykle se tlak v pracovní komoře pohybuje v rozsahu 10-3 až 1 Pa. Z hlediska výkonu elektronových trysek jde o velmi široký rozsah od 102 W do 106 W. Jsou realizována metalurgická zařízení umožňující tavbu ingotů až do hmotnosti 20 t s elektronovými tryskami s výkonem od 5 do 10 MW.


Obrázek 6.10

203

Princip zařízení pro tavení pomocí elektronového svazku.

ET - elektronová tryska, PM - přetavovaný materiál CH - chladič, I – ingot 6.1.4.3 Svařování materiálů Při svařování pomocí elektronového svazku se využívá přeměna kinetické.energie elektronů na energii tepelnou v přesně ohraničeném prostoru s výsledným roztavením materiálu a spojením dvou k sobě přimykajících se částí: Zásadní výhodou této technologie je možnost dosáhnout extrémních hustot výkonu na povrchu materiálu při dostatečně velké celkové hodnotě výkonu svazku v definovaném prostoru. To umožňuje svařovat materiály s minimálním tepelným ovlivněním okolí svaru, je možné svařovat materiály s vysokou teplotou tavení a díky činnosti zařízení v prostředí vysokého vakua lze svařovat i materiály chemicky aktivní. Svařování pomocí elektronového svazku umožňuje dosáhnout velkého poměru mezi hloubkou svaru a jeho šířkou, což u jiných technologií je nerealizovatelné.

Obrázek 6.11 Protavování elektronového svazku do materiálu při různých hodnotách plošné hustoty výkonu Dopadne-li elektronový svazek na povrch kovu, začne se zvyšovat povrchová teplota. Je-li výkon svazku dostatečně velký nebo je-li svazek zaostřen na takový průměr, že plošná hustota výkonu dostačuje k dosaženi teploty tavení, začne se nad středem zasažené oblasti zvyšovat tlak par. Rovnováha tlaku par a hydrostatický tlak roztavené oblasti způsobí

204


vytváření prohlubně. Působení svazku elektronů se tedy posune na dno této prohlubně, tedy do nitra materiálu. Další zvyšování hustoty výkonu a teploty povrchu způsobí vznik kapiláry, jejíž stěny jsou tvořeny roztaveným kovem a prostor je vyplněn parami kovu. Pokud bude hustota výkonu svazku příliš vysoká, tlak par a rychlost odpařování dosáhne hodnoty, kdy roztavený kov bude vyvržen z kapiláry a takový režim se přiblíží režimu obrábění (vrtání). Svařování elektronovým svazkem má řadu specifických vlastností mezi kterými lze jmenovat např.: - možnost vytvoření úzkých a hlubokých svarů s minimálním tepelným ovlivněním okolí a s minimálními deformacemi - možnost svařování vysokou rychlostí (až několik metrů za minutu) - možnost vedení elektronového svazku elektromagnetickým polem - možnost svařování materiálů téměř libovolné tloušťky (od setin mm do několika set mm) - možnost svařování kombinaci materiálů jinak nesvařitelných - možnost svařování několika vrstev materiálů i oddělených mezerou - možnost svařování materiálů malých rozměrů jinak nesvařitelných. 6.1.4.4 Obrábění materiálů Obráběním materiálů pomocí elektronového svazku rozumíme termické nebo netermické působení svazku na povrch materiálu s cílem změnit tvar nebo strukturu předmětu. U termického způsobu využíváme odběru materiálu roztavením nebo odpařením. U netermického způsobu využíváme chemických nebo fyzikálních změn v materiálu po dopadu elektronového svazku. Z hlediska odlišných technologických podmínek a uspořádání rozlišujeme tři technologické oblasti obrábění: - termické obrábění kompaktních materiálů - termické obrábění tenkých vrstev - netermické obrábění. Tabulka 6.1

Příklady využití termického obrábění

Tepelný jev

Technologický jev

Materiál

Fázové přechody v tuhé látce

kalení

ocel schopná kalení

odběr materiálu, rytí, řezání odběr materiálu, rytí, řezání odběr materiálu, rytí, řezání mikrosvařování, leštění, legování, odběr odtavením odběr materiálu, rytí, řezání

diamant, grafit, křemenné sklo celulóza, syntetické materiály, keramika

rozrušování materiálu

keramika, kámen

Sublimace Rozložení na těkavé komponenty Rozložení na tuhé komponenty Tavení Vypařování Rázová vlna

GaAs, GaP kovy, křemík, germanium, keramika kovy, dielektrika, syntetické materiály


205

6.1.4.5 Chemické svazkové procesy Při interakci elektronového svazku o dostatečně vysoké energii s látkou může dojít k celé řadě chemických reakcí, při kterých může dojít ke vzniku nových vazeb nebo ke změně molekulových vazeb, kdy daný materiál získá nové chemické a fyzikální vlastnosti. Reakce lze rozdělit do několika etap. 6.1.4.6 Primární etapa reakcí - při interakci s rychlými elektrony může dojít k ionizaci, vybuzení molekul disociaci spojené s uvolněním elektronu 6.1.4.7 Sekundární etapa reakcí - Jedná se o rekombinace iontů s elektrony, reakce iontů s molekulami, vznik volných radikálů a vznik stabilních molekul Další etapy reakcí - radikálové reakce - polymerizace, depolymerizace, atd. - Všechny tyto reakce úzce souvisejí s množstvím pohlcené energie, které je charakterizované tzv. dávkou D [J kg-l], [Gy] (Gy - Gray). Pro tyto technologie je nutné používat zařízení, které umožní dosáhnout vysokých hodnot energií elektronů. Jednotlivá zařízení se rozlišují dle hodnoty urychlovacího napětí a dělí se do tří skupin. a) zařízení nízkého napětí pro rozsah urychlujícího napětí od 20 kV do 200 kV b) zařízení středního napětí pro rozsah urychlujícího napětí od 200 kV do 600 kV c) zařízení vysokého napětí pro rozsah urychlovacího napětí od 600 kV do 5 MV. Jako zdroje napětí se používají kaskádní usměrňovače a vlastní zařízení je realizováno pomocí stupňovitých urychlovačů. Urychlování elektronů se uskutečňuje pomocí systému s několika anodami umístěnými zasetou tak, že mezi katodou a první anodou je potenciální rozdíl asi 150 kV a postupně mezi dalšími anodami je potenciální rozdíl asi 30 až 50 kV.

6.1.5

Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.1 6.1.1. Určete hustotu emisního proudu rozžhaveného wolframového vlákna při teplotách 20 °C a 2 227 °C. 6.1.2. Určete hustotu emisního proudu rozžhaveného wolframového vlákna při teplotě 2 227 °C, působí-li současně elektrické pole o intenzitě 2.105 Vm-1. 6.1.3. Určete emisní proud katody vyrobené ve tvaru disku o průměru 10 mm z wolframu, vyhřáté na teplotu 2 227 oC. Urychlovací anoda je umístěna ve vzdálenosti 50 mm od katody a je na ni přivedeno napětí 10 kV. 6.1.4. Určete rychlost pohybu elektronu letícího z katody k anodě při anodovém napětí U = 10 kV. Výslednou rychlost srovnejte s rychlostí světla a zhodnoťte oprávněnost výpočtu. Určete jakou energii předal elektron anodě po dopadu. 6.1.5. Stanovte hodnotu energie předanou materiálu po dopadu elektronového svazku urychleného v systému dle příkladu 1.3. Vypočtěte výkon, kterým bude materiál ohříván. Uvažujte, že materiál bude na stejném potenciálu jako urychlovací anoda a veškeré elektrony se v materiálu absorbují. 6.1.6. Stanovte hloubku vniku elektronů do oceli při urychlovacím napětí U = 10 kV.

206


6.2 I0NT0VÉ PR0CESY Tato kapitola je věnována některým možnostem využití ionizovaných látek v technologických procesech. Tyto procesy lze rozdělit do několika charakteristických skupin. - Iontové svazkové technologie které se vyznačují použitím samostatného iontového zdroje, systémů na úpravu tvaru a řízení iontového svazku a předpokládají činnost zařízení v prostředí vysokého vakua. - Iontově-chemické technologie, kde se využívá chemicky aktivních iontů zejména k obrábění materiálů. - Iontově-plazmatické technologie, u kterých je plazma realizována elektrickým výbojem v daném plynu při nízkém tlaku. Ionty jsou odčerpávány z plazmy a urychlovány extrakční elektrodou a zejména svým kinetickým účinkem narušují povrch materiálů, případně dochází k depozici vrstev materiálu. - Plazmo-chemické technologie, které využívají chemické reakce materiálů s chemicky aktivními ionty, atomy, molekulami a radikály. Zejména v poslední době jsou tyto technologie intenzívně propracovávány, vzhledem k tomu, že umožňují realizovat technologická zařízení vysoce univerzální. V těchto zařízeních lze obrábět široký okruh materiálů bez ohledu na jejich mechanické, elektrofyzikální a teplofyzikální vlastnosti. V jednom technologickém prostoru lze uskutečnit několik různých operací (čistění, depozice, expozice, obrábění, leptání, pasivace atd.). Technologické operace lze uskutečnit od submikronových velikostí až po mnohatunové obrobky. Jedná se o "čisté" technologie uskutečnitelné i v nízkoteplotním režimu a konečně se jedná o technologie snadno automatizovatelné. 6.2.1

Zdroje iontů

6.2.1.1 Penningův zdroj iontů Tento zdroj se řadí do skupiny zdrojů iontů se studenou katodou. Mezi anodu a katodu je přiloženo napětí 102 až 103 V. Elektrony v mezielektrodovém prostoru jsou urychlovány směrem k anodě a na své dráze po nepružných interakcích s molekulami plynu tento plyn ionizují. Aby se zvýšila pravděpodobnost srážky, prodlužuje se dráha elektronů přiloženým magnetickým polem. Penningův zdroj má velmi jednoduchou konstrukci a vyznačuje se vysokou životností. Používají se výlučně k ionizace plynů z plynných médií. Vzhledem k tomu, že používají studenou katodu, nejsou vhodné k ionizaci inertních plynů. Při vysokých napětích a proudech výboje až několik ampérů může dojít k odprášení katody a tím ke znečistění svazku. 6.2.1.2 Sideniův zdroj iontů Tento zdroj patří do skupiny zdrojů iontů se žhavenou katodou. Při tlaku pracovního plynu 1 až 10-2 Pa hoří mezi anodou a katodou stabilní oblouk. Pro zvýšení pravděpodobnosti srážky elektronu s atomem (molekulou) plynu je dráha elektronů prodloužena magnetickým polem. Kladné ionty jsou z plazmy extrahovány pomocí extrakční elektrody. Pro tento zdroj je typické, že ionty jsou extrahovány axiálně k ose plazmy, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.12. Iontový svazek je relativně úzký (0.5 mm). Ionizovat lze plynovou směs získanou z plynných médií, ale i z tuhých látek po odpaření v pícce.


Obrázek 6.12

207

Sideniův zdroj iontů

A - anoda, K - katoda, EE - extrakční elektrody, IS - iontový svazek, P – plazma 6. 2. 1. 3 Freemanův zdroj iontů Jeho konstrukce se liší od Sideniova zdroje tím, že k extrakci dochází ve směru kolmém k ose plazmy, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.13. Jedná se o relativně vysokoproudový zdroj se širokým svazkem, který lze upravit iontovou optikou. Může ionizovat i rozprášené látky z pomocné katody.

Obrázek 6.13

Freemanův zdroj iontů

A - anoda K - katoda, EE - extrakční elektrody, IS - iontový svazek, P - plazma 6.2.1.3 Kaufmanův zdroj iontů Základními nevýhodami předchozích typů je, že při použití relativně vysokých napětí mezi anodou a katodou dochází k odprašování katody a tím ke kontaminaci svazku a dále změnou anodového napětí je ovlivňován nejen iontový proud, ale i energie iontů. Tyto nevýhody odstraňuje Kaufmanův zdroj. Zdrojem elektronů je termokatoda a k výboji dochází při tlaku asi 10-1 Pa při velmi nízkém napětí (50 V). Tak nízké napětí zabezpečí minimální odprašování katody. Zvýšeni pravděpodobnosti ionizace je zajištěno prodloužením dráhy elektronu vhodným působením elektrického a magnetického pole, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.14. Elektron je urychlen směrem k anodě. Celkové urychlení se realizuje na krátké dráze mezi katodou a hranicí plazmy, která má potenciál anody. V plazmě se elektron pohybuje konstantní rychlostí (pokud nedojde ke srážce) směrem k anodě. V prostoru před anodou působí na elektron magnetické pole kolmé na pohyb elektronu a ten se začne pohybovat po kruhové dráze. V okamžiku, kdy opustí prostor ovlivněný magnetickým polem,

208


se elektron pohybuje zpět ke katodě. Jakmile elektron vylétne z plazmy, dostane se do elektrického pole, které jej zabrzdí a urychlí zpět k anodě. Ionizace pracovního plynu dosahuje 50 až 75 %. Vytahování iontů z plazmy se uskutečňuje systémem stínící a extrakční elektrody. Vytahovací pole nemůže působit na ionty v plazmě, protože je vodivá. Do prostoru ovlivněného polem extrakční elektrody se ionty dostávají difúzí. Pokud bychom použili pouze extrakční elektrodu, ionty by byly z hranice plazmatu urychleny k záporně nabité elektrodě, část by jich prošla otvorem v elektrodě a vytvořila by iontový svazek ale další část by dopadla na extrakční elektrodu a mohla by způsobit její odprašování. Tomuto zabraňuje stínící elektroda, která je na potenciálu plazmy. Ionty se difúzí dostanou až do otvoru stínící elektrody a odtud jsou vytaženy a urychleny extrakční elektrodou.

Obrázek 6.14

Kaufmanův zdroj iontů.

A – anoda, K - katoda, SE - stínící elektroda, EE - extrakční elektroda, B - magnetické pole o indukci B, IS - iontový svazek Pro vytváření svazků o velkém průměru se používají elektrody s hustou sítí malých otvorů nebo vytahovací mřížky. Například pro průměr svazku 10 cm se používá až 1 400 otvorů o průměru 2 mm. Vzdálenost mezi stínící a extrakční elektrodou se volí asi 1 mm. Aby se snížila rozbíhavost svazku vlivem vzájemného působení stejně nabitých iontů a dále aby se nenabíjel povrch nevodivého terče, na který iontový svazek dopadá provádí se tzv. neutralizace iontového svazku injekcí elektronů do svazku zpravidla z přímožhavené pomocné katody. 6.2.1.4 Magnetronový zdroj iontů U tohoto typu zdroje iontů se pro prodloužení dráhy elektronů a tím zvýšení pravděpodobnosti ionizace využívá tzv. magnetronového způsobu řízení pohybu elektronů. Elektrony emitované z katody jsou urychleny elektrickým polem a jejich dráha je zakřivena magnetickým polem kolmým na pole elektrické. Vzhledem k tomu, že se elektron nepohybuje konstantní rychlostí, bude sledovat tzv. cykloidální dráhu nad povrchem katody. Tyto zdroje patří k nejvýkonnějším iontovým zdrojům. 6.2.2

Iontová imp1antace

Iontovou implantací se nazývá technologie,při které dochází k zavádění urychlených atomů a molekul do struktury tuhých látek s cílem změnit jejich elektrické, případně mechanické vlastnosti. K urychlení těchto částic dochází v ionizovaném stavu. Princip iontové implantace byl patentován americkými vědci R. Ohlem (1956) W. Shockleyem (1957) a W. Moyerem (1958). Další práce zejména dánských vědců J.Lindharta, M. Scharffa a H. E. Shitta propracovaly teorie pronikání urychlených iontů do amorfních látek a umožnily i předpovědět rozložení implantovaných iontů v polykrystalických a krystalických látkách. Na jejich počest se tato teorie nazývá LSS teorií.


209

K implantaci se používají iontové svazky s proudy od 10 µA až 100 mA s urychlovacími napětími 103 až 106 V. V polovodičové technice se pro ionizaci používají plyny BF3, AsF3 a PF5 pro implantaci bórem, arsenem a fosforem. Jako zdroj iontů se používá Penningův zdroj. Pro implantaci malých a středních dávek (1014 až 1019 m-2) z plynných medií, ale i z tuhých látek po jejich odpaření, se dále používá Sideniův zdroj. Pro implantaci velkých dávek (1020 m-2) je vhodný zdroj Freemanův. 6.2.3

Iontové naprašování

Iontovým naprašováním nazýváme technologii vytváření tenkých vrstev na podložce, materiálem rozprášeným účinkem urychlených iontů. Dopadne-li urychlený iont na povrch tuhé látky (terče) může se od něj odrazit nebo vyrazí atom z povrchové vrstvy.nebo se může zabudovat - implantovat do krystalové mříže. Který z těchto mechanismů nastane záleží jednak na energii dopadajícího iontu dále na vlastnostech látky na kterou iont dopadl a rovněž na úhlu dopadu iontů. Odprašovací mechanismus se vysvětluje pomocí impulsní teorie odprašování tuhých látek. Podle této teorie dopadající iont předá impuls energie atomům terče. Jestliže tato energie je vyšší než vazební energie atomu v látce dojde k narušení rovnovážného stavu a k vybuzení sousedních atomů. Toto vybuzení je předáváno dále po uzlech mřížky různými směry. V procesu postupného předávání impulsu energie může nastat situace, že atom.na povrchu terče získá energii vyšší než je hodnota výstupní práce atomu z terče a opustí povrch terče. Povrch terče tedy opustí a je odprášen atom jiný, než na který dopadl urychlený iont. Naznačený mechanismus vysvětluje i skutečnost, že povrch terče může opustit i více atomů než je počet dopadajících iontů. Poměr mezi počtem odprášených atomů terče a počtem dopadajících iontů se nazývá odprašovací výtěžnost a je určena koeficientem iontového odprášení ko. Depozice odprášených atomů terče se obvykle uskutečňuje v prostředí, kde působí na substrát elektrony a kladné ionty plazmy. Vzhledem k tomu, že elektrony mají vyšší difúzní rychlost než ionty, v první fázi převyšuje tak elektronů na substrát tok iontů a substrát se nabíjí záporně. V tom okamžiku se zvýší tok kladných iontů na substrát a ten bude ionty intenzivně bombardován. Tento mechanismus může způsobit ohřev substrátu a částečné odprášení jeho povrchu a může se projevovat i v průběhu růstu vrstvy. Při vhodně zvolených podmínkách působí pozitivně na proces růstu vzhledem k tomu, že očistí povrch substrátu, snižuje výskyt nehomogenit, zvyšuje čistotu vrstvy, jelikož čistí neustále povrch narůstající vrstvy od atomů plynů a jiných adsorbovaných příměsí. Při dopadu odprášených atomů terče na povrch substrátu může dojít k několika procesům. Atomy se mohou od povrchu substrátu odrazit, adsorbovat nebo se začlení do struktury substrátu. Pravděpodobnost každého z těchto procesů závisí na energii a chemické aktivitě atomů a také na energetické struktuře povrchu substrátu. Energetické spektrum odprášených atomů je velmi široké od jednotek eV do stovek eV, přičemž množství rychlých atomů ve spektru roste s energií iontů.

210

6.2.4


Iontové 1eptání

Leptacím procesem rozumíme řízený odběr materiálu z povrchu daného tělesa. Do takto obecně pojaté definice by bylo možné zařadit v podstatě jakýkoliv mechanismus odběru materiálu (chemický, elektrochemický, fyzikální atd.). Leptací způsoby používané v mikroelektronice, zejména při výrobě integrovaných obvodů vyšších integrací rozdělit do dvou základních. skupin - leptací způsoby mokré a leptací způsoby suché. Mokré leptací způsoby využívají chemického účinku látek v kapalném stavu a mají několik základních nevýhod. Leptací účinek je většinou selektivní a při změně leptané vrstvy je nutné zaměnit leptací látku po očištění vrstvy a neutralizaci předchozí chemikálie. Vzhledem k účinkům leptacích látek je nutné mnohdy maskovat povrch polovodičového materiálu různými krycími vrstvami atd. Zásadním nedostatkem však je izotropní leptací účinek tzn., že leptací rychlost je stejná ve všech směrech a výsledný profil leptané struktury vykazuje podleptání masky. Zejména v oblasti výroby integrovaných obvodů vyšších integrací je žádoucí dosáhnout anizotropního leptacího účinku, dobré ohraničení čáry, vysoce přesné leptání, dobrou selektivitu v neposlední řadě i možnost rychlé výměny leptacího média, tedy možnost řízen leptacího účinku na danou látku. Tyto podmínky splňují suché leptací způsoby, které se staly klíčovými technologiemi ve výrobě integrovaných obvodů. V současné době existuje celá řada zařízení, které využívají suché leptací způsoby, ale v zásadě lze všechny rozdělit podle leptacího účinku do čtyř skupin znázorněné na obrázku Obrázek 6.15.

Obrázek 6.15

Základní typy suchého leptání

a) fyzikální, b) chemický, c) chemicko-fyzikální, d) fotochemický


211

Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.2 6.2.1. Stanovte maximální koncentraci implantovaných iontů bóru do monokrystalu křemíku ve vzdálenosti středního doletu iontů Rp od povrchu destičky a koncentraci iontů ve vzdálenosti Rp ± ∆Rp kde ∆Rp je střední kvadratická odchylka. Zjištěný koncentrační profil naznačte graficky. Celková dávka Q = 1018 m-2 při energie iontů 100 keV. 6.2.2. Stanovte hodnotu elektrického odporu tenké povrchové vrstvy monokrystalu křemíku implantovaného borem, byla-li celkové dávka Q = 1018 m-2 při energii iontů 100 keV. Odpor bude měřen systémem dvou napařených elektrod, u nichž poměr šířky a vzájemné vzdálenosti je roven jedné. 6.2.3. Stanovte hodnotu činitele separace D dosažitelnou v hmotnostním separátoru se symetrickým sektorovým magnetem (p = q, λ = γ, ϕ = 45°, L = 1 m) pro izotopy bóru 10 B a 11B. Bylo použito urychlovacího napětí U = 10 kV a hodnota magnetické indukce v sektoru B = 0,1 T. 6.2.4. Stanovte tlak plynu v komoře iontového zdroje (bóru), má-li být vzdálenost mezi výstupem iontů bóru ze zdroje a terčem L = 10 cm a požadujeme-li, aby se na této dráze srazil max. každý desátý iont bóru s atomy zbytkového plynu. Teplota prostředí v němž se iont pohybuje nechť je 25 oC (298 K). 6.2.5. Navrhněte zdroj iontů bóru tak, aby celková hodnota proudu ve svazku iontů byla Ii = 0,1 A. Teplota ionizovaného plynu nechť je T = 500 K. Průměr otvoru kterým budou ionty extrahovány je 2 mm.

212


6.3 RENTGENOVÉ PROCESY 6.3.1

Vznik a vlastnosti rentgenového záření

Rentgenovým zářením nazýváme elektromagnetické záření o vlnových délkách od 10-8 do 10-11 m. Za hranici mezi tzv. vakuovou ultrafialovou oblastí a měkkým dlouhovlnným rentgenovým zářením se považuje vlnová délka asi 50 nm. Rentgenové záření vzniká při interakci rychle se pohybujícího elektronu s atomem. Dopadne-li svazek elektronů na danou látku, dojde ke vzniku rentgenového záření, které lze rozdělit na dva druhy. Tím, že elektrony v látce ztrácejí svoji kinetickou energii - jsou bržděny, vzniká záření kterému se říká brzdící. Tento druh záření je charakterizován spojitým spektrem záření, u kterého jsou hodnoty intenzit záření pro širokou oblast vlnových délek srovnatelné. Druhý druh záření souvisí s vlastnostmi látky, na kterou dopadl elektronový svazek. Tomuto druhu záření se říká charakteristické a je pro něj typické čárové spektrum. Za jistých podmínek se tedy přes spojité spektrum překládá spektrum čárové, jak je to znázorněno na obrázku Obrázek 6.16.

Obrázek 6.16

Typická závislost intenzity rentgenového záření na vlnové délce

U spojitého spektra je nejkratší vlnová délka obsažená ve spektru dána energií dopadajícího elektronu: h c 1,239.10 −6 λ min = = , ( 6.18 ) qU U Maximální intenzita záření se ve spektru objeví asi při 60 % energie svazku hc 2,065.10 −6 , λ Imax = = 0,6 q U U

( 6.19 )

kde h je Planckova konstanta, c je rychlost světla, q je náboje elektronu, U je urychlovací napětí. Pro stanovení intenzity rentgenového záření při zvolené vlnové délce neexistuje matematické vyjádření a průběh dle obrázku Obrázek 6.16 se stanovuje experimentálně. Existuje však Pr = 1,69.10 −8 I Z U 1,75 ,

( 6.20 )

Pr = 3.10-6 I Z U1,75 [W, mA, kV],

( 6.21 )


213

kde I je proud elektronového svazku Z je atomové číslo látky na kterou dopadl elektronový svazek U je urychlovací napětí. Prochází-li rentgenové záření látkou, dochází k absorpci záření. Intenzitu prošlého záření látkou určíme ze vztahu I r = I 0 exp [− α(λ ) x ], ( 6.22 ) kde Io je intenzita rentgenového záření dopadající na povrch látky α(λ) je lineární absorpční koeficient závislý na vlnové délce záření x je souřadnice orientovaná od povrchu látky ve směru záření V literatuře jsou obvykle tabelovány hodnoty tzv. hmotového absorpčního koeficientu α(λ)/ρ, kde ρ je měrná hmotnost látky. 6.3.2 Radiační technologie Obor radiační technologie vznikl v padesátých letech v souvislosti s rozvojem jaderné fyziky, jaderné energetiky s rozvojem využití umělých radionuklidů a urychlovačů částic. V této době začínají být využívány dva druhy velkých zdrojů ionizujícího záření, a to zdroje radioizotopové a zdroje elektrofyzikálni, tzv. urychlovače částic. Z hlediska zdrojů lze radiační technologie rozdělit do tří kategorií. a) Radiační technologie využívající elektronový svazek generovaný lineárními urychlovači s energií svazku do 10 MeV. b) Radiační technologie využívající rentgenové záření s energií fotonů do 5 MeV. c) Radiační technologie využívající gama záření z radionuklidů. Zejména se jedná o kobalt 60 a cesium 137. Kobalt 60 má poločas rozpadu 5,3 roku a vysílá gama záření s energií fotonu 1,17 MeV a 1,33 MeV. Cesium 137 má poločas rozpadu 30 let a vysílá gama záření s energií fotonu 0,66 MeV. Proti alternativním technologiím vykazují radiační technologie hlavně tyto přednosti: - radiační iniciace je univerzálnější než jiné používané metody - radiační procesy probíhají při normální nebo i snížené teplotě, lze tedy pracovat i se substráty teplotně labilními - není třeba používat chemických iniciátorů a katalyzátorů, které ovlivňují výsledné vlastnosti produktu - průběh reakce lze snadno a přesně řídit volbou ozařovacích podmínek - je možné homogenně ozařovat i materiály neprůhledné, vícevrstvé a uzavřené v obalech. Vzhledem k poměrně vysokým nákladům na ozařovací zařízení, uplatňují se radiační technologie zejména tam, kde se ozařují velké objemy materiálů, kde je podíl ceny za ozařování malý vzhledem k vysoké ceně ozařovaného materiálu, anebo kdy materiál získá vlastnosti jinými technologiemi nedosažitelné. Bezesporu nejúspěšnější technologií s využitím zdrojů záření je dnes radiační sterilizace lékařských potřeb a materiálů. Tato technologie dosáhla jako první průmyslového nasazení a dnes se využívá běžně. Další oblastí jsou procesy radiačního síťování plastů a výrobků z nich. Radiační síťování se na rozdíl od chemického síťování provádí bez přidávání iniciátorů při pokojové teplotě. Takto lze získat plasty se zlepšenými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi. Lze jmenovat např. zlepšení tepelné odolnosti radiačně zesítěného polyetylénu, který má rovnocenné tepelné vlastnosti jako teflon. Navíc má takový materiál tvarovou

214


paměť. Vyrábí se kabely s izolací ze silikonového kaučuku vulkanizovaného pomocí záření. Rychlý rozvoj zaznamenávají radiační technologie při vytvrzování tenkých vrstev.

6.3.3

Rentgenová litografie

Stálé zvyšování hustoty integrace si vynutilo jednak zdokonalování optické litografie a dále vývoj nových litografických technologií, jak je litografie elektronová, iontová a rentgenová. Omezení optické litografie je dáno v podstatě dvěma důvody. Především je to difrakce použitého světelného záření na hranách struktury masky, které způsobuje vznik neostrosti kopírovaných obrazců. Cesta ke zlepšení rozlišovací schopnosti vedla k použití zdrojů světla s co nejkratší vlnovou délkou. Přecházelo se na výbojky pracující v ultrafialové oblasti na vlnových délkách 436 a 405 nm. Hovoří o možnostech použití výkonných excimerových laserů, kde např. systém ArF pracuje na vlnové délce 193 nm. Druhé omezení je dáno možností vytvořit co nejtenčí vrstvu rezistů, což je limitováno rovinností povrchu polovodičové desky. U nerovnoměrně tlusté vrstvy rezistů vznikají zkreslení, která limitují dosažitelné rozměry struktury. Snaha využít relativní jednoduchost optické litografie vedla ke zkoumání možného zdroje záření o velmi krátké vlnové délce. Takovým zářením se ukázalo záření rentgenové, které umožnilo vznik rentgenové litografie. Princip rentgenového litografu je uveden na obrázku Obrázek 6.17. Svazek elektronů je urychlen v elektronové trysce napětím od 4 do 10 kV. Toto urychlovací napětí určuje rozsah vlnových délek ve spektru rentgenového záření. Svazek dopadá na anodu a je zaostřen do stopy o průměru dr . Pro expozici rezistů je nutné dosáhnout jisté úrovně výkonu rentgenového záření. Vzhledem k tomu, že tento výkon nedosahuje ani l % výkonu elektronového svazku, je nutné téměř celý výkon svazku uchladit na anodě. Pevná anoda je schopna uchladit výkon svazku asi 500 W. Při použití rotující anody chlazené vodou je možné zvýšit výkon svazku až do 10 kW. Při použití pevné anody lze dosáhnout výkonu rentgenového záření řádově 10-1 W a při použití rotující anody 100 W. Pro optimální činnost elektronové trysky dosahuje tlak hodnoty až 10-4 Pa. Vlastní pracovní komora je naplněna heliem při běžném atmosférickém tlaku vzhledem k tomu, že helium minimálně pohlcuje měkké rentgenové záření. Prostor trysky a pracovní komora jsou odděleny okénkem z berylia. Vlnová délka rentgenového záření hraje nejen roli v otázce Kontrastu masky, ale i rozlišovací schopnosti rezistů. Nejčastěji se používají vlnové délky asi od 0,5 nm do 5 nm. O tom jak náročná je výroba masky pro jemné struktury, si lze učinit představu z obrázku Obrázek 6.17. Malé tloušťky membrán o extrémních hodnotách 0,1 až 0,4 µm lze realizovat odleptáním základního nosiče na malých ploškách asi 2x2 mm. Rezisty pro rentgenovou litografii jsou svoji podstatou organické polymery, u nichž se ozářením výrazně změní jejich rozpustnost. Podobně jako u optické litografie lze hovořit o rezistu pozitivním, u něhož se ozářením rozpustnost zvětší, resp. rezistu negativním, u něhož se rozpustnost ozářením zmenší. Po dopadu rentgenového záření na rezist a absorpci fotonů dojde k emisi sekundárních elektronů, které jsou zdrojem chemických změn v rezistů


Obrázek 6.17

215

Principiální schéma rentgenového litografu.

ET - elektronová tryska, Be - beryliové okénko

Obrázek 6.18 6.3.4

Typická konstrukce masky pro rentgenovou litografii

Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.3 6.3.1. Stanovte nejkratší vlnovou délku rentgenového záření vzniklého po dopadu svazku elektronů na kov. 6.3.2. Stanovte vlnovou délku rentgenového záření pro kterou dosáhne intenzita záření maxima.

216

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 6.3.3. Stanovte celkový výkon rentgenového záření jestliže na měděnou anodu dopadne elektronový svazek o emisním proudu Ie = 0,1 A a urychlovacím napětí U = 10 kV. 6.3.4. Stanovte intenzitu rentgenového záření po průchodu vrstvou PMMA o tloušťce 0,1 µm. Dopadající rentgenové záření má intenzitu Io = 10-5 Wm-2. Výpočet proveďte pro vlnovou délku 0,9 nm.


217

6.4 JADERNÉ PROCESY Při výrobě polovodičových součástek je nutné měnit vlastnosti materiálu metodou dotování základního materiálu příměsemi v definovaných koncentracích. Nejpoužívanější metody dotování jsou slinování, difúze a iontová implantace. V oblasti výroby prvků výkonové elektroniky je kladen důraz zejména na hodnotu průrazného napětí a úbytek napětí v propustném směru, což je podmíněno homogenitou měrného odporu materiálu. Stávající technologie mnohdy neumožňují dosahovat požadované výsledky a z toho důvodu byl zaveden principiálně nový způsob dotování pomocí jaderných transmutací. Dotování pomocí jaderných transmutací je typické tím, že dotující příměs se nevnáší do materiálu z vnějšku, ale vzniká v procesu ozáření materiálu z atomů základního polovodiče.

Obrázek 6.19

Rezisty pro rentgenovou a elektronovou litografii.

PMMA - polymetylmetakrylát, P(MMA-MA) - kopolymer metylmetakrylátu a kyseliny metakrylátové, FBM -1 - poly (2,3,3,3-tetrafluorpropyImetakrylát), PGMA - polyglycidylmetakrylát, P(GMA-EA) - kopolymer glycidylu metakrylátu a etylakrylátu, EPB - epoxidizovaný polybutadien Jadernými reakcemi se nazývají děje, při kterých urychlená částice (střela) zasáhne jádro (terčík) a po splnění určitých podmínek může způsobit jeho změnu. Vzniká nové jádro (produkt) a obecně jiná částice. Při vniknutí neutronu do jádra přináší každý neutron do jádra energii rovnou své kinetické energii a vazbové energii. Jádro, které zachytilo neutron, bude vybuzeno, přičemž se nějak změní. Reakce, které mohou nastat, lze schematicky zapsat (n,n), (n,p), (n,α ), (n,γ), kde např. (n,γ) znamená, že po zachycení neutronu dojde k jeho zabudování do jádra za současného vyzáření fotonu záření γ. Zachycený neutron vytvoří izotop výchozího jádra.

218


U polovodičových materiálů lze využít tří typů jaderných reakcí. Jsou to reakce způsobené vlivem nabitých částic, dále reakce způsobené γ zářením (tzv. fotojaderné reakce) a reakce podmíněné tepelnými neutrony. Vlivem nabitých částic s dostatečně velkou energií (10° až 101 MeV) mohou probíhat jaderné reakce následujících typů: (α, p) , (α, n) , (α, γ) , (α, 2p) , (α, np) , (d, p) , (d, n) Tyto reakce jsou podmíněny tím, že energie dopadající částice je vyšší než tzv. coulombovská bariéra, daná odpuzováním částice a jádra. Fotojaderné reakce zahrnují skupinu reakcí přeměny jader γ-zářením, a to: ( γ , p ), ( γ, n), ( γ,α ) Pomocí fotojaderných reakcí lze získat příměsi v celé řadě materiálů, Z toho důvodu jsou tyto reakce předmětem zájmu v oblasti dotování polovodičů. Oproti reakcím s nabitými částicemi lze fotojaderné reakce uplatnit ve větších objemech materiálu vzhledem k tomu,že záření γ proniká do podstatně větší hloubky než nabité a urychlené částice. Perspektiva tohoto směru je dána i tím, že lze relativně snadno získat γ-záření s libovolnou energií pomocí urychlených elektronů. Reakce s pomalými neutrony, lze schematicky zapsat (n,n), (n,p), (n,α), (n,γ), kde např. (n,γ) znamená, že po zachycení neutronu dojde k jeho zabudování do jádra za současného vyzáření fotonu záření γ. Zachycený neutron vytvoří izotop výchozího jádra. Výše uvedené poznatky si můžeme blíže objasnit na příkladu konkrétního využití jaderných transmutací. Pro výrobu výkonových polovodičových prvků se využívá křemík Ntypu vodivosti. V přírodním křemíku jsou obsaženy celkem 3 izotopy Si 28 - 92,21 % , 14 Si 29 - 4,70 % , 14 Si 30 - 3,09 % Pro transmutaci lze využít izotop 14Si30, a to jadernou reakcí s tepelnými neutrony získanými v jaderném reaktoru. Reakce probíhá dle vztahu 30 + 1 31 + 0 ( 6.23 ) 14 Si 0 n → 14 Si 0γ 14

Radioaktivní izotop křemíku elektronu 14

Si 31

4

≈ 10 s τ →

15

14Si

31

P 31 +

se dále rozpadá za vzniku stabilního fosforu při emisi -1

e0

( 6.24 )

Vzniklý fosfor je však elektricky neutrální a podobně jako při iontové implantaci je nutné dotační prvek nejprve elektricky aktivovat (ionizovat). Aktivace se provádí tepelným zpracováním monokrystalu při teplotě T ≥. 890 K. Vzhledem k charakteru tepelných neutronů probíhá reakce dle ( 6.23 ) prakticky beze ztrát a uvážíme-li, že rozložení izotopu 14Si30 monokrystalu je vysoce homogenní, lze očekávat i vysoce homogenní rozložení fosforu a tedy i měrného vnitřního odporu. 6.4.1

Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.4 6.4.1. Stanovte rychlost tzv. tepelných neutronů při teplotě 25 °C.


219

6.4.2. Stanovte konstantu účinnosti transmutace izotopu křemíku 14Si30, je-li koncentrace atomů křemíku NSi = 4,96.1028 m-3, relativní zastoupení izotopu křemíku 30 -29 2 m. 14Si p = 0,0309 a účinný průřez ϕ = 1,3.10 6.4.3. Určete dobu ozařování monokrystalu křemíku, má-li být pomocí neutronové dotace změněna jeho hodnota měrného vnitřního odporu z hodnoty ρ = 10 Ωm na hodnotu ρ1 = 0,01 Ωm. Plošnou hustotu toku tepelných neutronů uvažujte ϕ = 5,5.1017 m-2 s-1.

220


6.5 LASEROVÉ PROCESY 6.5.1 Úvod Laserem označujeme druh kvantového generátoru koherentních elektromagnetických vln v širokém rozsahu vlnových délek od oblasti ultrafialové přes viditelné světlo, dále oblast infračervenou až k hranici milimetrových vln. Vlastní název LASER vznikl spojením prvních písmen anglických slov Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zesilování světla stimulovanou emisí záření). Teoretické základy v této oblasti byly položeny v letech 1953-1958 pracemi Basová, Prochorova a Townese. Prakticky využitelný laser byl realizován začátkem šedesátých let, kdy Maiman realizoval rubínový laser a Javan laser helium-neonový. V dnešní době existuje celá řada laserů, které se odlišují fází aktivního media, způsobem buzení, resp. druhem děje, při kterém je umožněno tzv. čerpání laseru. Druh aktivního media a jemu odpovídající způsob čerpání určuje i oblast vlnové délky, na které dojde k vyzáření elektromagnetického vlnění. Podle druhu aktivního media rozlišujeme lasery na: - Pevnolátkové - krystalické - dielektrické (např. rubín, YAG) - polovodičové (např. GaAs) - amorfní (např. sklo dotované neodymem) - Kapalinové - Plynové

- barvivové roztoky (např. rhodanin)

- atomární (např. He-Ne) - iontové (např. Ar+ , Kr+ ) - molekulové (např. CO2) Dle typu buzení rozeznáváme lasery buzené: - optickým zářením (např. výbojkou, jiným laserem, sluncem) - elektrony (výbojem mezi anodou a katodou, elektronovým svazkem) - chemickou reakcí - teplem Podle režimu činnosti hovoříme o laserech, které pracují - kontinuálně - pulsně Z hlediska výkonu hovoříme o malovýkonových laserech, kde dopadající záření na látku nezpůsobí v látce žádné chemické a fyzikální změny. Využití takových laserů lze hledat v oblasti měřicí a diagnostické techniky. V případě, že dopadající záření způsobí v látce fyzikální, resp. chemické změny, hovoříme o výkonových nebo technologických laserech. Výkonový rozsah laserů je velmi široký od oblasti µW do desítek kW v kontinuálním režimu a v pulsním režimu dosahuje výkon řádu 1013 W. Lasery nalezly využití v celé řadě aplikací - od sdělovací techniky, měřicí techniky, diagnostiky, přes lékařství, strojírenskou technologii, elektroniku, mikroelektroniku až po využití v oblasti termojaderné syntézy, ale také v oblasti vojenské


221

Teoretické základy činnosti laserů

6.5.2.1 Kvantové jevy v látce Lasery řadíme mezi tzv. kvantové generátory elektromagnetického záření. Jejich specifickou vlastností je, že změny energie částic látky mají diskrétní charakter a tyto částice absorbují nebo vyzařují energii v kvantech. Energie kvanta je dána vztahem E=hν

( 6.25 )

kde h je Planckova konstanta ν je kmitočet fotonu pohlceného nebo vyzářeného látkou. Při pohlcení energie látkou přechází částice ze základního stavu na stav s vyšší energií, ve kterém setrvají pouze určitý čas. Střední doba, po kterou zůstane částice ve vybuzeném stavu, se nazývá dobou života energetické hladiny. Pro většinu vybuzených stavů je tato doba 10-9 až 10-6 s. Existují ale hladiny s dobou života 10-3 s i delší. Takové hladiny se nazývají metastabilní. Na takových hladinách je možné, aby populace byla mnohem vyšší než odpovídá rovnovážnému stavu. Existence metastabilních hladin umožňuje uvést kvantovou soustavu do nerovnovážného stavu a může dokonce nastat stav, kdy určitá hladina bude mít vyšší populaci než hladina s nižší energií. V takovém případě hovoříme o inverzní populaci hladin, což je základní předpoklad pro realizaci laseru. Činnost laseru je založena na principu zesilování elektromagnetického záření při stimulované emisi záření při přechodu z horní metastabilní hladiny na některou hladinu s nižší energií, přičemž mezi těmito hladinami existuje inverzní populace.

Obrázek 6.20

Tříhladinový laserový systém.

Nejjednodušší kvantový systém, u kterého můžeme dosáhnout inverzní populaci pomocí vnějšího pole, je systém tříhladinový. Schematicky je zobrazen na obrázku Obrázek 6.20. Představitelem tříhladinového laseru je laser rubínový, kde jako aktivní prostředí je použit monokrystal rubínu Al2O3 : Cr3+, u kterého je část iontů Al3+ nahrazena ionty chrómu Cr3+. Ionty chrómu absorbují záření v zelené a modré části spektra po ozáření světelným výbojem. Dojde k tzv. čerpání laseru a vybuzení částic na hladinu E3. Tato hladina má velice krátkou dobu života, dojde k rychlému nezářivému přechodu na metastabilní hladinu E2 . Mezi touto hladinou a základní hladinou E1 dojde k inverzní populaci a tedy po přechodu na základní hladinu dojde k vyzáření kvanta záření. U rubínového laseru využíváme spektrální čáru A = 694,3 nm, což odpovídá červené barvě světelného záření

222


6.5.2.2 Vznik a vlastnosti laserového záření 6. 5. 2. 2. 1 Čerpání laseru Čerpáním laseru rozumíme vybuzení systému vnějším polem na vyšší energetický stav s cílem dosažení inverzní populace hladin. Vybuzení se dosahuje absorpcí energie z vnějšího pole. Důležitou roli zde hraje schopnost látky absorbovat dostatečné množství energie o vhodné vlnové délce. Lasery s aktivním prostředím v tuhé fázi mají dostatečně široké absorpční spektrum a z tohoto důvodu se k čerpání používají výbojky rovněž se širokým spektrem záření. Hovoříme o tzv. optickém čerpání. Aby se maximální množství energie výboje mohlo absorbovat v aktivním prostředí laseru, realizují se různé typy odražečů záření. V nejjednodušším případě se výbojová trubice umísťuje do jednoho ohniska elipsoidu a aktivní prostředí laseru ve formě tyčky do ohniska druhého. Je možné volit i systémy se dvěma, případně čtyřmi výbojovými trubicemi v systému dvou, resp. čtyř elipsoidů, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.21.

Obrázek 6.21

Čerpání laseru s aktivním prostředím v tuhé fázi

Obrázek 6.22

Čerpání laseru s aktivním prostředím v plynné fázi

Lasery s aktivním prostředím v plynné fázi mají absorpční spektrum mnohem užší a optické čerpání u nich není možné. K vybuzení systému se využívá srážek molekul plynu s elektrony nebo s vybuzenými molekulami jiného plynu. Elektrony se do systému mohou zavádět z vnějšku - např. elektronovým svazkem nebo se využívá toku elektronů mezi anodou a katodou, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.22. Další možnost čerpání využívá energetického přínosu z chemické reakce a tzv. chemických laserů. Např. u chemického laseru HF dochází k čerpání při reakci molekul vodíku a fluoru. U tzv. excimerových laserů dochází po dopadu elektronového svazku na látku k ionizaci, vzniku excimerové molekuly a při rozpadu této molekuly ke vzniku záření. Název EXCIMER vznikl spojením slov EXCItovaný diMER.


223

6. 5. 2. 2. 2 Zesilování záření v aktivní látce V předchozí části jsme hovořili o vzniku kvanta indukovaného záření - fotonu. Letící foton aktivní látkou může dále stimulovat následné emise. Dochází k procesu zesilování záření v aktivní látce. Budeme-li sledovat intenzitu toku fotonů I po průchodu aktivním prostředím o délce L , můžeme psát I = I0 exp (α-β) L , ( 6.26 ) kde I0 je intenzita záření vstupující do systému α je koeficient charakterizující zesílení na jednotkové délce β je koeficient charakterizující ztráty na jednotkové délce L je délka sledovaného úseku aktivního prostředí. Zesílení intenzity záření rovno I Z= = exp(α − β) L > 1, I0

( 6.27 )

Jak plyne z ( 6.27 ), je intenzita záření, resp. zesílení intenzity záření, úměrné délce aktivního prostředí. V praxi se většinou délka průchodu fotonů, aktivním prostředím prodlužuje použitím rezonančních systémů. Nejjednodušším rezonančním systémem, u kterého vlastně změníme kvantový zesilovač v oscilátor-laser, je systém, u kterého zavádíme kladnou zpětnou vazbu uzavřením aktivního prostředí mezi dvě zrcadla. Nejjednodušší systém je tzv. Fabry-Perotův interferometr s rovinnými zrcadly, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.23. Jedno zrcadlo má mít 100 % odrazivost a druhé má jistou propustnost zajišťující maximální výstupní výkon záření opouštějící rezonátor. Odrazné plochy se obvykle realizují z napařených mnohonásobných dielektrických, vrstev o tloušťce - λ/4. Obvykle to bývá 13 až 23 vrstev z ZnS. nebo MgF nanesených na křemennou nebo skleněnou podložku. Odrazivost dosahuje až 99,9 %.

Obrázek 6.23

Rezonanční systém laseru

6. 5. 2. 2. 3 Charakteristika laserového svazku Důležitým parametrem laserového zářeni je monochromatičnost, která je určena šířkou spektrální čáry laseru. U jednofrekvenčního laseru za běžných podmínek lže naměřit šířku čáry asi 10 kHz. Ve speciálním případě byla naměřena šířka čáry He-Ne laseru na vlnové

224


délce 633 nm l Hz. U klasického světelného zdroje lze v nejlepším případě u speciální výbojové trubice naměřit šířku čáry kolem l 000 MHz. Dalším parametrem, který charakterizuje laserové záření, je koherence. Koherencí rozumíme vzájemnou souvislost vlnění vycházejících buď ze dvou různých míst na povrchu zářícího tělesa (koherence prostorová) nebo vlnění vycházejícího z jednoho místa, avšak s určitým časovým odstupem (koherence časová). Pro laserové záření je charakteristická velká směrovost, resp. malá rozbíhavost světelných paprsků. Úhel rozbíhavosti laserového svazku je asi dvakrát menší než nejmenší možná teoretická rozbíhavost záření z klasických zdrojů světla. 6.5.3

Některé aplikace laserů

6.5.3.1 Úvod Laserová technika zasahuje prakticky do většiny oborů lidské činnosti a řadí se svým významem a perspektivou ke světově sledovaným progresivním směrům. Laserová technika se rozvíjí zejména ve strojírenství, elektrotechnice a elektronice, telekomunikační technice, informatice, výzkumu kosmu, jaderném výzkumu, zemědělství, biologii, chemii, meteorologii, metrologii, lékařství, lehkém průmyslu, v základním i aplikovaném výzkumu. Další rozvoj a nasazení laserů úzce souvisí se zlepšováním technicko-ekonomických parametrů, provozními vlastnostmi laserů, jejich životností, spolehlivostí, účinností a efektivností. Objevují se stále nové druhy laserových zdrojů a příslušných doplňujících komponentů a zařízení, které umožňují další rozšířeni aplikací. Z uvedeného je zřejmé, že v následujícím textu se nelze zmínit o všech možnostech laserové techniky, ale budou uvedeny jen omezené informace o možnostech laserové technologie zejména v elektrotechnice. 6.5.3.2 Laserová metrologie Specifické vlastnosti laserového záření umožňují realizovat speciální měřicí systémy založené především na interferometrických měřicích metodách. Laserové interferometry se používají k měření délky, úhlů, přímosti a rovinnosti i ve více osách současně. Nasazení těchto systémů je možné jak ve strojírenství, tak i např. v mikroelektronice v optických a elektronových litografech pro výrobu a nastavování polohy masek. Zvláštní význam pro praxi mají i měřicí metody pro analýzu kmitů. Lasery umožňují konstruovat bezdotykové snímače vibrací k přesnému měření dynamiky vibrací se zvláště malými amplitudami. K analýze kmitů se dnes využívá laserová interferometrie, holometrie (holografická interferometrie), laserová difraktografie. 6.5.3.3 Laserové metody analýzy materiálů Laserové metody pro analýzu prvků nebo chemickou analýzu materiálů pro elektroniku lze rozdělit do dvou skupin. V prvé skupině se k identifikaci látek používá hmotová spektrometrie a laser slouží pouze k ohřevu a odpaření analyzovaného vzorku. U metod druhé skupiny je látka analyzována pomocí optické spektroskopie a laser slouží jednak k ohřevu a odpaření analyzované látky a déle se používá jako zdroj monochromatického záření. Většinou se dané zařízení skládá z několika laserů. Jeden slouží k odpaření vzorku a další jako monochromatické zdroje světla. Nejčastěji jsou používány čtyři metody - laserová hmotová spektroskopie, laserová emisní spektroskopie, laserová atomová fluorescenční spektroskopie a selektivní laserová ionizační spektroskopie. Lasery zde umožňují jednak definovaný ohřev na velmi malé ploše, termické vybuzení atomů látky, dále laser umožňuje ionizaci par odpařeného materiálu, a to selektivně podle nastaveného kmitočtu laseru.


225

6.5.3.4 Laserové leptací a depoziční procesy Specifické vlastnosti laserového záření umožňují realizovat nové tzv. suché leptací procesy využitelné v mikroelektronice při výrobě integrovaných obvodu. Možnost využití definované vlnové délky laserového záření, relativně velké energie fotonů při použití laserů v UV oblasti a možnost dosažení vysoké hustoty energie v definovaném prostoru umožňuje realizovat i specifické chemické reakce. Záření laseru může iniciovat chemické reakce na povrchu substrátu s následným odběrem materiálů (leptání) nebo je možná iniciace nad povrchem substrátu s následnou depozicí produktů chemické reakce na povrch substrátu. Tabulka 6.2 Mechanismus

Laserové leptací technologie Materiál Leptací plyn

Fotochemický

Si Ge poly-Si GaAs SiO2

Tepelný

Si GaAs Si02 keramika ferit

SF6XeF2 Br2 Cl2, F2CO CF3Br, CH3Br, HBr CF3Br C2H3F, NF3+H2 CC12F2 C12/HC1 Cl2 HF Cl2 CF4, SF6

Laser CO2, Ar+ Ar XeCl, ArF ArF Ar ArF KrF Ar+, XeF Ar CO2 Ar Ar+

Uvedené procesy je možné realizovat jak při pokojové teplotě substrátu, tak i při ohřevu substrátu laserem. Pro realizaci se využívají lasery pracující od IR oblasti (CO2, λ = 10,6 µm), přes viditelnou oblast, UV oblast až do VUV oblast zastoupenou excimerovým laserem ArF (λ = 193 nm). 6.5.3.5 Další možnosti využití laserů v elektronice V polovodičové technice a mikroelektronice lze využít laserů v řadě technologických operací - Žíhání polovodičových materiálů, rekrystalizace a poimplantační žíhání - poimplantační aktivace. - Expozice rezistů, odstraňování rezistů a leptání v litografii. - Maskované dotování, nanášení a leptání tenkých vrstev. Zde se používají dříve popsané technologie. Princip dotování plyne z následující rovnice SiH4 + PH3 → Si + P + H2 , kde dotujícím prvkem je fosfor. Při dotování borem se používá BCl3. - Kontaktování. Kontakty lze vytvářet laserovým svařováním nebo laserovým rozkladem WF6 dle rovnice WF6 + H2 → W + HF. Kontaktním materiálem je v tomto případě wolfram. - Pájení a přepájení hradlových polí, odstranění vadných paměťových buněk. - Obrábění tenkých vrstev, dostavování tenkovrstvových rezistorů, spiralizace rezistorů. - Značení spojů, popisování součástí a dekorační technologie - Řezání polovodičových destiček, substrátů pro HIO, vrtání mikrootvorů a další. 6.5.3.6 Výkonové technologické lasery Doposud uváděné aplikace využívaly lasery s výstupním výkonem relativně malým v rozsahu mW až jednotek W. Pro průmyslové aplikace se však používají lasery výkonem až desítek kW v kontinuálním provozu. Prozatím jsou vhodné dva typy laserů. V pevné fázi je to laser YAG: Nd3+ a z plynových laser CO2.

226


Lasery YAG: Nd3+ pracují na vlnové délce 1,06 µm s relativně malou účinnost 0,1 až 3,5 %. Ve srovnání s CO2 laserem je možné zaostření svazku na menší průměr a je možné lépe obrábět kovové materiály vzhledem k menší reflexi na povrchu materiálů. Z hlediska konstrukčního uspořádání je aktivní materiál laseru vybroušen do tvaru válce a umístěn ve společném ohnisku dvojeliptické dutiny. V ohnisku jednotlivých polovin dutin jsou umístěny budicí kryptonová výbojky. Celý systém je chlazen deionizovanou vodou. Největší dosahované výkony jsou několik set W v kontinuálním režimu a až 100 kW v pulsním režimu.

Obrázek 6.24

Systém GTL laseru s předionizací - metoda SAGE

CO2 lasery dosahují absolutně největších kontinuálních výkonů při účinnosti až 10 %. Pracovní směs tvoří CO2, N2, He, je buzena vysokonapěťovým doutnavým výbojem. Vysoká účinnost je způsobena příznivou účinností buzení horní laserové hladiny molekuly CO2 s rychlou výměnou energie s excitovanou molekulou N2. Přenos tepelné energie zvyšuje He. Podélně čerpané (axial flow) systémy, u kterých výboj i tok plynné směsi je rovnoběžný s osou trubice, dosahují kontinuálních výkonů do l kW při 60 W/m délky výboje. Požadovaný výkon se dosahuje zvětšováním délky výbojových trubic, který je limitován rozměry systému. Rychle podélně čerpané (fast axial flow) systémy se používají pro rozsah výkonů v kontinuálním režimu od 500 W do 6 kW při 600 W/m délky výboje. Po vyzáření fotonu se molekula CO2 odčerpá z prostoru optického rezonátoru do prostoru chladiče a do rezonátoru se přivede nový plyn. Příčně čerpané lasery - GTL (Gas-Transport-Laser) dosahují kontinuálních výkonů od l kW do 20 kW. Rychlé proudění plynu napříč přes optický systém umožňuje dosáhnout výkonu více než l kW/m délky výboje. Zvýšení výkonu u GTL systémů lze tzv. předionizací označovanou jako metoda SAGE (Silent Discharge Assisted Glow Excitation). Předionizace se uskutečňuje pomocí vložené elektrody do prostoru mezi anodu a katodu, na kterou je přivedeno napětí o kmitočtu asi 25 kHz. Takové uspořádání umožňuje zvýšit výkon dva až třikrát. Uspořádání je naznačeno na obrázku Obrázek 6.24.


Obrázek 6.25

227

Metoda skládání svazků tří laserů k dosažení velkého výkonu.

L1 , L2 , L3 - 3 ks laserů s prstencovým tvarem svazku, OBJ. - objektiv, Z1 - zrcadlo, Z2 , Z3 zrcadla ve tvaru mezikruží, Z4 - zrcadlový systém k rozšíření průměru svazku Zvyšování výkonů laserů lze posuzovat i z ekonomických hledisek. Cena laserového zařízení roste s výkonem exponenciálně a mnohdy je levnější pro dosažení potřebného výkonu použít metodu skládání svazků zobrazené na obrázku Obrázek 6.25. Vzhledem k vysokým výkonům technologických laserů je nutné řešit systém zrcadel rezonátoru odlišně než u malovýkonových laserů. Nelze zde použít polopropustné zrcadlo vzhledem k tomu, že absorbovaný výkon by toto zrcadlo zničil. Z toho důvodu se používají systémy zrcadel se 100% odrazivostí, jak je naznačeno na obrázku Obrázek 6.26. Typické pro takové uspořádání je svazek, jehož řez má tvar prstence.

Obrázek 6.26

Používané systémy zrcadel v rezonátoru výkonových laserů

Současné zkušenosti ukazují, že při nasazení technologických laserů ve strojírenství nutno uvažovat výkony laserů pro řezání v rozsahu 500 až l 500 W, pro svařování v rozsahu 2 kW až 5 kW a pro tepelné zpracování materiálů v rozsahu 5 kW až 10 kW. Při řezání se souose s paprskem přivádí do prostoru řezu aktivní nebo inertní plyn pomoci laserové hlavice dle obrázku Obrázek 6.27. Rozlišujeme tři způsoby řezání.: - Laserové sublimační řezání - proudící inertní plyn odfukuje vzniklé páry z prostoru řezu. - Laserové tavné řezání - silný proud inertního plynu vyfukuje roztavený materiál z řezu. Není nutné zahřát materiál na teplotu varu. - Laserové řezání s aktivním plynem - používá se kyslík, který vyvolává exotermickou reakci při spalování materiálu.

228

Obrázek 6.27


Laserová hlavice

Při svařování hovoříme o bodovém svařování nebo vrtání, kdy používáme půlení režim laseru, a dále svařování podélných a rotačních svarů, kdy používáme kontinuální režim laseru. Laserová hlavice umožňuje svařování v inertní atmosféře. Tepelné povrchové zpracování materiálů je ve stadiu zkoušek vzhledem k extremním požadavkům na výkon laseru. Používá se rozmítá-ní svazku po povrchu materiálu nebo úprava svazku do čtvercového tvaru s rovnoměrným rozložením výkonu. Důležitou součástí všech typů laserů jsou optické systémy. Jak vyplynulo z předchozího textu, pracují lasery ve velmi široké oblasti vlnových délek od ultrafialové až po dlouhovlnnou infračervenou oblast. Je zřejmé, že v tomto rozsahu vlnových délek nevystačíme s klasickými optickými materiály. - Pro oblast ultrafialovou se používá nejčastěji křemenné sklo, případně KBr nebo NaCl v monokrystalické fázi. U posledně jmenovaného materiálu je použití omezeno vzhledem k jeho navlhavosti a dále rozpadu při vyšších teplotách. - Pro viditelnou oblast lze použít klasické skleněné optické materiály. - Pro infračervenou oblast nutno rozlišit tzv. blízkou IR oblast a vzdálenou IR oblast (dlouhovlnnou). Do vlnové délky asi 2 µm lze použít optiku z křemenného skla. Pro delší vlnové délky se využívá monokrystalů germania nebo křemíku, které jsou transparentní do vlnové délky 20 µm, resp. 15 µm. V současné době jsou vyvíjeny nové materiály zejména pro výkonové CO2 lasery. Používají se monokrystaly KCl, Ge, GaAs a ZnSe. Ge lze použít do hustoty výkonu asi 100 Wcm-2 , GaAs až do 200 Wcm-2. Pro snížení ztrát odrazem se vyráběné čočky opatřují antireflexní vrstvou nejčastěji z PbF2. Používá se i kombinace Ge a ZnS. Uvedené informace jen velmi stručně ukázaly na možnosti nasazení laserů v různých oblastech techniky. Zdaleka nebylo možné popsat všechny možnosti. Nebylo ani možné popsat podrobněji další důležité komponenty laserových zařízení jako optické systémy, systémy vedení a manipulace se svazkem nebo materiálem, řízení laserového komplexu počítačem atd.


229

Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.2 6.5.1. Yttrium-Aluminium-Granát laser dotovaný neodymem, YAG:Nd3+, má rozdíl energií mezi horní a spodní laserovou hladinou 1,17 eV. Stanovte vlnovou délku příslušného laserového záření. 6.5.2. Vypočtěte úhel odrazu a úhel lomu laserového paprsku, který dopadl na rozhraní vzduch - křemík pod úhlem α = 45°. Stanovte jaká část intenzity záření se od rozhraní odrazila a jaká část prošla do křemíku. Závislosti na vlnové délce záření neuvažujte. 6.5.3. Laserový svazek o průměru d = 0,1 mm dopadl kolmo na destičku z křemíku. Výkon přenášený ve svazku je 10 kW. Stanovte plošnou hustotu výkonu laserového záření po průchodu destičkou o tloušťce 2 mm, použijeme-li záření o vlnové délce λ = 1,06 µm a součinitel reflexe uvažujte R = 0,28. 6.6.4. Vypočtěte čas potřebný k dosažení teploty vypařování čerstvě napařené vrstvy stříbra, použijete-li YAG laser o vlnové délce λ = l,06 µm, impulsní výkon ve svazku Pimp = 10 kW, při délce impulsu 100 µs. Laserový svazek je zaostřen na průměr d = 0,1 mm. 6.6.5. Navrhněte teleskopický systém k He-Ne laseru, který by umožňoval zaostření laserového svazku na průměr stopy 5 µm při vzdálenosti místa zaostření od přední stěny čočky rovné 5 cm. Uvažujte, že u laseru byl použit konfokální rezonátor s poloměry zrcadel R1 = R2 = 1000,1 mm. Dále stanovte plošnou hustotu výkonu na čočkách teleskopického systému a rozhodněte, zda je nutné čočky chladit, bude-li výkon přenášený svazkem roven 50 W

230


6.6 ULTRAAKUSTICKÉ PROCESY 6.6.1 Úvod V současné době se velmi rychle rozvíjí obor ultraakustika - nauka o fyzice ultrazvukového vlnění. Ultrazvuk se uplatňuje v mnoha přírodních vědách, odvětvích techniky i v lékařství. Jeho uplatnění lze nalézt jak v oblasti výzkumu, tak i v průmyslové aplikaci v moderních výrobních procesech. Podle účinků lze aplikační oblast ultraakustiky rozdělit na využívání tzv. aktivního ultrazvuku, který pracuje s vysokými intenzitami akustického pole a dále ultrazvuku pasivního, který pracuje s malými intenzitami akustického pole, vhodnými pro měřicí a diagnostické účely. V dnešní době se běžně provádí zkoušení kvality materiálu ultrazvukem (defektoskopie) , ve stavebnictví a geofyzice podává ultrazvuk informace o stavu materiálu a prostředí, využívá se k měření tlouštěk, výšky hladiny kapalin v nepřístupných prostředích, rychlosti proudění kapalin a plynů v potrubí přes stěnu nádoby nebo potrubí bezkontaktně atd. Propracovávají se nové metody ultrazvukové defektoskopie založené na vyhodnocování akustické emise, které umožňují sledovat růst trhlin a předvídat životnost vysoce namáhaných součástí, v chemickém průmyslu slouží ultrazvuk k laboratorní i provozní analýze vlastností kapalin, jako je koncentrace látek, hustota a viskozita. Ultrazvukem lze zjišťovat elastické vlastnosti látek, mechanická napětí i statické tlaky. Veškerá měření lze uskutečnit nedestruktivně i ve složitých prostředích. Aktivní ultrazvuk nachází uplatnění v celé řadě technologických procesů jako je cínování, pájení hliníku, obrábění, svařování kovů i plášťů, ale i při kontaktování v mikroelektronice. Uplatnění nachází i v chemickém průmyslu, kde se využívá jeho vlivu při urychlování chemických reakcí. Známé je využití ultrazvuku při vytváření stabilních emulzí a při čištění součástí. Ve výzkumu látek nalézá uplatnění studium hyperzvukového vlnění (nad 109 Hz), zaměřené na kvantovou akustiku v oblasti fononelektronové interakce. 6.6.2

Fyzikální základy ultraakustiky

6.6.2.1 Základní pojmy 6. 6. 2. 1. 1 Kmitání prostředí Ultrazvukem nazýváme mechanické kmity částic prostředí kolem rovnovážné klidové polohy s kmitočtem vyšším než 20 kHz. Z hlediska kmitočtového rozdělení mechanických kmitů prostředí zpravidla uvažujeme následující rozdělení: kmitočet nižší než 20 Hz - infrazvuk kmitočet od 20 Hz do 20 kHz - akustické pásmo (slyšitelné) kmitočet nad 20 kHz do l GHz - ultrazvuk kmitočet vyšší než l GHz - hyperzvuk Mechanické kmity se šíří prostředím charakteristickou rychlostí v a přenáší energii šířící se stejnou rychlostí jako uvažované vlnění. Podle velikosti přenášené energie můžeme ultrazvuk rozdělit na aktivní a pasivní. Aktivním lze nazvat takové vlnění, které se projevuje fyzikálními nebo chemickými účinky. Pasivní ultrazvuk má naopak velmi malý výkon a jeho využití lze hledat v oblasti měřicí techniky a diagnostiky. Budeme-li uvažovat, že částice prostředí kmitají s malými amplitudami a jejich pohyb nemá větší odchylky od sinusového průběhu, lze takový druh kmitání popsat vlnovou rovnicí


231

∂ 2 u(t, x) ∂ 2 u(t, x) , = v ∂t 2 ∂x 2

( 6.28 )

jejíž partikulární řešení pro rovinnou vlnu je rovnice pro harmonický pohyb  x u(t, x) = Y sin ω  t −  v  resp.

u(t, x) = Y sin (ω t - ϕ ) ,

( 6.29 )

( 6.30 )

kde

u je okamžitá výchylka (posunutí), Y je amplituda výchylky, ω = 2 π f je kruhový kmitočet, v je rychlost šíření vlny, x je souřadnice polohy, φ = ω (x/v) je fázový úhel. Rychlost kmitání částice kolem rovnovážné polohy nazýváme akustickou rychlostí a můžeme ji stanovit derivováním průběhu posunutí u(t,x) podle času du(t, x) va = = ω Y cos (ω t - ϕ ) , ( 6.31 ) dt Dopadá-li ultrazvukové vlnění na určité prostředí, potom každý bod se vychyluje ze své rovnovážné polohy. Velikost výchylky označujeme jako akustickou výchylku, která je dána polohovým vektorem bodu, ve kterém je v daném okamžiku vychýlená částice vzhledem ke své rovnovážné poloze. Amplituda rychlosti kmitavého pohybu je V = ωY = 2 π fY , ( 6.32 ) Doba, po které se okamžité hodnoty výchylek částic opakují, se nazývá periodou T. Platí 1 T= , ( 6.33 ) f Jestliže se akustická vlna šíří prostředím rychlostí v , platí mezi délkou vlny λ, periodou T a kmitočtem f vztah v λ = vT= , ( 6.34 ) f Délku vlny můžeme definovat vždy jak při spojitém vlnění, tak i pro impulsy, kdy se v určitém časovém intervalu opakuje alespoň několik period kmitů. 6. 6. 2. 1. 2 Akustický tlak a intenzita Při průchodu ultrazvukové vlny daným prostředím, dochází k jeho zahušťování a zřeďování. S tím souvisí i změny tlaku, které mají harmonický charakter. Celkový tlak v daném prostředí bude pc = ps ± pa = ps + K

∂u(t, x) ∂x

= ps ± ω

K x  Y cos ω  t −  , v v 

( 6.35 )

232

kde


ps je statický tlak v prostředí, pa je akustický tlak, K = v2ρ je modul objemové pružnosti prostředí, ρ je hustota prostředí.

Pro akustický tlak můžeme tedy psát x  p a = ω Y ρ v cos ω  t −  , v 

( 6.36 )

a jeho amplitudu Pa = ω Y ρ v ,

( 6.37 )

Vztah (6. 37) můžeme přepsat do tvaru Pa = ω Y Z = V Z a ,

( 6.38 )

kde Za = ρ v ,

( 6.39 )

je měrný akustický vlnový odpor. Šířící se vlnění v obecném prostředí přenáší energii, kde měřítkem přenosu za určitý čas je přenesený výkon. Při popisu prostorového vlnění je nutné hovořit o plošné hustotě přenášeného výkonu NS, jako podílu výkonu a plochy kolmé na směr šíření. Intenzita vlnění I, tj. střední hodnota měrného výkonu, je číselně dána střední hodnotou energie, která projde za jednotku času jednotkovou plochou S, orientovanou kolmo na směr šíření vlnění T

I=

1 N s dt , T ∫0

Za předpokladu platnosti vztahu F va S va  x = pa = p a v s = Z a ω 2 Y 2 cos ω  t -  , Ns = S S  v

( 6.40 )

( 6.41 )

obdržíme I=

1 ρ v ω 2 Y2 , 2

( 6.42 )

resp. 1 Pa2 1 1 1 2 2 2 = Pa V , I = Z a Y ω = Za V = 2 Za 2 2 T

( 6.43 )

Z elektromechanických analogií odpovídá amplitudě akustického tlaku Pa amplituda elektrického napětí a amplitudě akustické rychlosti V amplituda intenzity střídavého proudu. Obdobně jako v elektrotechnice lze zavést efektivní hodnoty těchto veličin.

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy Pef =

P 2

,

Vef =

V 2

233

( 6.44 )

a jejich použitím lze upravit vztahy (6. 43) nebo zavést pojem výkon ultrazvukové vlny vztahem N = Pef Vef S , ( 6.45 ) 6. 6. 2. 1. 3 Odraz a lom ultrazvukových vln V homogenním prostředí se ultrazvukové vlnění šíří přímočaře. Dopadne-li na rozhraní dvou prostředí, a toto rozhraní má mnohem větší rozměry než je vlnová délka vlnění, dojde jednak k odrazu vlnění a jednak k lomu. Předpokládáme, že daná prostředí jsou charakterizována měrnými akustickými vlnovými odpory Zal a Za2 , které jsou různé. V případě rovnosti měrných akustických vlnových odporů k odrazu nedojde. Pro případ, že vlnová délka dopadajícího vlnění je řádově stejná s rozměry rozhraní, dojde k ohybu vlnění. V obecném případě může nastat celá řada kombinací různých faktorů (úhel dopadu - Šikmý dopad, kolmý dopad, velikost akustických vlnových odporů, z jakého prostředí do jakého se vlnění šíří atp.), které ovlivní směr a charakter výsledné akustické vlny. Na obrázku Obrázek 6.28 jsou znázorněny dva případy šíření akustické vlny.

Obrázek 6.28

Odraz a lom akustické vlny na rozhraní různých látek

Na obrázku Obrázek 6.28 a) je znázorněn případ, kdy akustická vlna přichází z kapalného (plynného) prostředí, které je charakterizováno měrným akustickým vlnovým odporem Za1. Budeme předpokládat, že se daným prostředím šíří čistě podélná (longitudinální) vlna L rychlostí v1 . Po dopadu na rozhraní kapalina (plyn) - tuhá látka pod úhlem α L dojde k odrazu vlny a tato odražená vlna bude mít charakter čistě podélné vlny L (příčné vlny nemohou v kapalném nebo plynném prostředí vzniknout). V daném případě se úhel dopadu bude rovnat úhlu odrazu. Po splnění jistých podmínek, které si uvedeme déle, přejde část energie akustické vlny do tuhé látky, kde se budou šířit dvě vlny. Jednak vlna podélná L pod úhlem β L a dále vlna příčná (transverzální) T pod úhlem βT. Na obrázku Obrázek 6.28 b) je naznačena situace, kdy podélná vlna L přichází z prostředí tuhé látky. Zpět do tohoto

234


prostředí se odráží dvě vlny, a to podélní L a příčná T, zatímco lomem přešla do kapaliny(plynu) pouze vlna podélná L . Pro výpočet příslušných úhlů lomu lze použít vztah sin α L v1L LL = = n 12 , ( 6.46 ) sin β L v 2L resp.

sin α L v1L LT = = n 12 , sin β T v 2T

( 6.47 )

kde

v1L je rychlost šíření podélné vlny v prostředí l , v2T je rychlost šíření příčné viny v prostředí 2 , n12 je index lomu (indexy LL , resp. LT naznačují o jaký typ vlnění se jedná). Je-li v1 > v2 , potom je n12 > l a úhel dopadu může nabýt všech hodnot mezi 0° a 90°, ale úhel lomu je omezen mezním úhlem β m , který určíme ze vztahu 1 sin β m = , ( 6.48 ) n 12 Je-li v1 < v2 , potom je n12 < l a úhel lomu může nabýt všech hodnot mezi 0° a 90°, ale úhel dopadu je omezen mezním úhlem αm , který určíme ze vztahu sin α m = n 12 , ( 6.49 ) Dopadne-li vlnění pod větším úhlem než je mezní úhel α m , nedojde k lomu, ale k úplnému odrazu. Ze vztahu ( 6.47 ) lze určit podmínku pro velikost úhlu dopadu α L , aby v pevné látce vzniklo nebo nevzniklo vlnění příčné T . V případě, že se šíří ultrazvukové vlnění pevnou látkou a dopadne na rozhraní s jinou pevnou látkou, mohou v obou prostředích vzniknout i příčné vlny a vzájemný vztah úhlů všech složek je dán Snellovým zákonem sin α L sin β T sin α T sin β L = = = , ( 6.50 ) v1L v 2T v1T v 2L kde symbolika je obdobná jako na obrázku Obrázek 6.28.

Obrázek 6.29

Kolmý dopad ultrazvukové vlny na rozhraní dvou prostředí

Svým způsobem zvláštní je kolmý dopad na rozhraní, pomocí kterého si můžeme definovat tzv. součinitel odrazu, součinitel průchodu a vznik tzv. stojatých vln jako specifický


235

výsledek interference vlnění. Kolmý dopad ultrazvukové vlny na rozhraní dvou prostředí je znázorněn na obrázku Obrázek 6.29. Předpokládáme, že vlnění se šíří ve směru dráhy ℓ a je charakterizováno akustickým tlakem pa . Na rozhraní dojde jednak k odrazu, kdy část vlnění se vrací s akustickým tlakem pal a k průchodu, kdy část projde do druhého prostředí s akustickým tlakem pa2. Budeme-li uvažovat rovinnou vlnu v prostředí bez útlumu, bude platit:  λ p a = Pa sin ω  t -  = ρ1 v1 v a ,  v1 

( 6.51 )

 λ p a1 = Pa1 sin ω  t -  = - ρ1 v1 v a1 ,  v1 

( 6.52 )

 λ p a2 = Pa2 sin ω  t  v2

( 6.53 )

  = - ρ 2 v 2 v a2 , 

S přihlédnutím k obrázku Obrázek 6.29 a ke skutečnosti kontinuity akustických tlaků a akustických rychlostí na rozhraní obou prostředí můžeme definovat součinitel odrazu R jako poměr odraženého akustického tlaku ke tlaku dopadajícímu P ρ v -ρ v 1- m R = a1 = 2 2 1 1 = , ( 6.54 ) Pa ρ1 v1 + ρ 2 v 2 1+ m kde

m=

ρ1 v1 ρ2 v2

,

( 6.55 )

Část vlnění současně projde do druhého prostředí a tato skutečnost je charakterizována součinitelem průchodu D P 2 ρ1 v1 2 D = a2 = = , ( 6.56 ) Pa ρ1 v1 + ρ 2 v 2 1+ m Mezi součinitelem odrazu a průchodu akustických tlaků platí vztah D =1- R ,

( 6.57 )

6.6.2.2 Šíření ultrazvuku v různých skupenských stavech 6. 6. 2. 2. 1 Šíření ultrazvuku v plynech V plynech i kapalinách se mohou šířit pouze podélné akustické vlny. Rovnice pro rychlost šíření ultrazvuku lze odvodit z rovnic hydrodynamiky, Tyto rovnice přesněji popisují fyzikální děje v daném prostředí zvláště u intenzivních ultrazvukových polí. Pro první názor lze rychlost šíření ultrazvuku v ideálním plynu popsat vztahem vp =

K χp = , ρ ρ

( 6.58 )

236


kde

K je modul objemové pružnosti, ρ je hustota, p je tlak, χ je poměr měrných tepel (Poissonova konstanta) Při nevelkých změnách teplot a tlaků lze vyjádřit závislost šíření ultrazvukové vlny v plynu jako funkci teploty vztahem χ p0 + bϑ = v p0 + bϑ = v p0 (1 + b ′ϑ ) , vp = ( 6.59 ) ρ0 kde po je počáteční tlak při 0 °C, b,b´ je absolutní, resp. relativní teplotní součinitel, ρo je počáteční hustota při 0 °C, ϑ je teplota ve °C. Uvedený vztah platí pro suchý plyn bez vodních par. V případě přítomnosti vodních par lze vztah (6. 59) upravit do tvaru v p = v p0 (1 + b ′ϑ )(1 + a ′ϕ ) , ( 6.60 ) kde a` je konstanta, ϕ je poměrná vlhkost vzduchu v %. Například pro vzduch můžeme vztah (6. 60) psát ve tvaru v p = 331,82(1 + 1,83.10 -3 ϑ )(1 + 2.10 -4 ϕ ) ,

( 6.61 )

Pro suchý vzduch při teplotě 20 °C obdržíme v = 343,96 ms-1. Pro stejné podmínky, ale relativní vlhkost vzduchu 50 % , obdržíme vp = 347,4 m s-1. 6. 6. 2. 2. 2 Šíření ultrazvuku v kapalinách Rychlost šíření ultrazvukové vlny v kapalině je daná vztahem 1 χ , vk = = γaρ γiρ

( 6.62 )

je izotermická stlačitelnost, γi γa je adiabatická stlačitelnost, χ je Poissonova konstanta, Při zjednodušení a při nevelkých nárocích na přesnost lze vyjádřit důležitou závislost rychlosti šíření ultrazvukové vlny na teplotě empirickým vztahem, který vyhovuje pro většinu aplikací: v k ≅ v k0 + b(ϑ - ϑ0 ) = v k0 [1 + b ′(ϑ − ϑ0 )] , ( 6.63 ) kde

kde

ϑo je referenční teplota, b, b´ je absolutní, resp. relativní teplotní součinitel

6. 6. 2. 2. 3 Šíření ultrazvuku v tuhých látkách


237

Na rozdíl od plynů a kapalin existují v tuhých látkách mnohem větší meziatomární vazební síly, a proto mohou přenášet všechny druhy ultrazvukových vln. Při vyšetřování rychlosti šíření ultrazvukových vln v tuhých látkách je nutné rozlišovat zda se jedné o látky izotropní či anizotropní, tedy zda bude sledovaná rychlost závislá na orientaci a dále je nutné uvažovat tvar a rozměry tělesa vzhledem k vlnové délce ultrazvukového vlnění. V neohraničeném prostředí se šíří podélné vlny rychlostí vL =

kde

E  (1 − µ)  , ρ  (1 + µ)(1 - 2µ ) 

( 6.64 )

E je Youngův modul pružnosti v tahu, µ je Poissonovo číslo.

V prostředí, kde jsou jeden nebo dva rozměry ohraničeny (např. deska), platí: vL =

E 1   , ρ 1 - µ 2 

( 6.65 )

E . ρ

( 6.66 )

Pro tyč platí: vL =

6.6.2.3 Útlum ultrazvukového vlnění Útlumem ultrazvukového vlnění rozumíme pokles jeho energie, resp. akustického tlaku při průchodu daným prostředím. Útlum je dán jednak odrazem, lomem, ohybem a rozptylem zejména na nehomogenitách a rozhraních a jednak je dán absorpcí ultrazvukových vln, kdy se mechanická energie vlny mění v tepelnou. Budeme-li uvažovat, že v jistém místě x bude mít intenzita ultrazvuku,hodnotu I , potom úbytek intenzity ve směru vlnění dx bude dI = - βI . dx ( 6.67 ) a po integraci po celé dráze dostaneme I = I0 exp(-β x) = I0 exp(-2 α x)

( 6.68 )

kde β je koeficient absorpce vlnění, α je činitel útlumu prostředí. Pokles energie ultrazvukového vlnění při průchodu danou látkou lze studovat z několika hledisek. Jednak jako negativní jev, který je spojen se ztrátami intenzity akustického pole, jednak jako jev pozitivní, kdy danému prostředí předáváme část energie v podobě tepla atp., nebo můžeme poznatky využít, chceme-li zabránit šíření ultrazvuku do jistého prostoru realizací akustických clon nebo absorbérů ultrazvukového vlnění. 6.6.3

Zdroje ultrazvuku

Rozvoj ultraakustiky a zejména její aplikace v průmyslu vyžaduje široký výběr vhodných ultrazvukových zdrojů, jak z hlediska výkonového, kmitočtového rozsahu, tak i z hlediska provedení pro dané prostředí. Vlastní zdroj ultrazvukových kmitů se nazývá ultrazvukový měnič, který může pracovat na různých principech. Základní přehled

238


ultrazvukových měničů je uveden v tabulce 6.3. V oblasti výkonových měničů používaných ve výrobních procesech jsou nejrozšířenější měniče magnetostrikční a piezoelektrické.

Tabulka 6.3 Druh měniče

Přehled ultrazvukových měničů

Aerodynamické generátory

píšťaly sirény

Hydrodynamické generátory Elektromagnetické Elektrodynamické Elektrostatické Magnetostrikční Elektrostrikční Piezoelektrické

Kmitočtový rozsah 10 až 20 kHz 16 až 100 kHz 12 až 100 kHz do 24 kHz do 40 kHz do 70 kHz 16 až 100 kHz 20 až 100 kHz 100 kHz až 1010 Hz

6.6.3.1 Magnetostrikční ultrazvukové měniče Magnetostrikce je jev při kterém dochází k deformaci feromagnetických materiálů vložených do magnetického pole. Nejčastěji používané materiály využívající magnetostrikce jsou nikl, kobalt, permalloy (Fe + Ni) a ferity. Změna deformace daného materiálu při působení proměnné intenzity magnetického pole je naznačena na obrázku Obrázek 6.31a. Jak plyne z obrázku Obrázek 6.31b, je deformace mnohem větší u předmagnetovaného měniče a kmitočet je shodný s kmitočtem budicím. U nepředmagnetováného měniče je kmitočet mechanických kmitů dvojnásobný. Předmagnetizace se vytváří buď zvláštním vinutím na měniči nebo častěji pomocí permanentního magnetu. Uspořádání tzv. okénkového měniče je na obrázku Obrázek 6.30.

Obrázek 6.30

Okénkový magnetostrikční měnič


Obrázek 6.31

239

Průběh deformace v magnetostrikčním měniči a) bez předmagnetizace b) s předmagnetizací

6.6.3.2 Piezoelektrické ultrazvukové měniče Piezoelektrické ultrazvukové měniče patří mezi nejčastěji používané zdroje, ale i snímače ultrazvukové energie. Pracují na principu přímého, resp. převráceného piezoelektrického jevu. Piezoelektrický jev můžeme definovat jako elektrickou polarizaci krystalů náležejících do určitých tříd,vyvolanou mechanickou deformací, která je úměrná deformaci a mění s ní shodně znaménko. Převrácený piezoelektrický jev je charakterizován deformací krystalů působením přiloženého elektrického pole. Je třeba říci, že polarizace jakéhokoliv dielektrika je spojena s určitou deformací. Tento jev se nazývá elektrostrikce. Elektrostrikce je obecnou vlastností látek a není podmíněna žádnou zvláštní strukturou dielektrika. Převrácený jev k elektrostrikci neexistuje. Deformace při elektrostrikci souvisí s energií elektrického pole a je tedy s určitým přiblížením úměrná čtverci intenzity elektrického pole. Závislost deformace na intenzitě elektrického pole při elektrostrikci a při piezoelektrickém jevu je naznačena na obrázku Obrázek 6.32 a) , resp. Obrázek 6.32 b).

Obrázek 6.32

Závislost deformace látky na intenzitě elektrického pole a) při elektrostrikci b) při piezoelektrickém jevu

240


Látky, které vykazují piezoelektrický jev musí splňovat jisté strukturální podmínky a lze je rozdělit do tří skupin. 1. Látky s přirozenými piezoelektrickými vlastnostmi vyskytující se ve formě monokrystalů (křemen, turmalín, vínany a další). 2. Monokrystalické látky uměle vytvořené (lithium niobát, lithium tantalát, germanium bizmut). 3. Polykrystalické keramické materiály (bariumtitanáty, niobáty, tuhé roztoky zirkoničitanu-titaničitanu olovnatého). Z hlediska materiálového se v současné době dává v technické praxi přednost piezokeramice zejména na bázi tuhých roztoků PbZrO3-PbTiO3. Pouze pro vyšší kmitočty než 15 MHz se stále používá křemenných měničů. Piezokeramika mé velmi výhodné vlastnosti zpracovatelské, kde se běžnými technologiemi dá vyrobit měnič libovolného tvaru a rozměru, ale i vlastnosti elektrické, kdy díky vysoké hodnotě relativní permitivity se dosahuje podstatně menší impedance a potřebné budicí napětí tak bylo sníženo až o dva řády (na hodnotu desítek až stovek voltů) oproti měničům křemenným. Nevýhodou keramických měničů oproti křemenným jsou vyšší dielektrické i mechanické ztráty, což spolu s nižšími hodnotami Curieovy teploty (při této teplotě zanikají piezoelektrické vlastnosti) omezuje pracovní teplotu vyzářený výkon měniče. Měniče, které pracují s trvalým výkonem nad 3 W cm-2, musí být intenzívně chlazeny. Maximální výkon je omezen hodnotou 10 W cm-2. Vlastní měnič je sestaven z keramické destičky vhodného tvaru,na jejímž povrchu jsou naneseny elektrody vytvořené nejčastěji vpalováním vhodného kovu. Různé typy jsou zobrazeny na obrázku Obrázek 6.33.

Obrázek 6.33

Piezoelektrické ultrazvukové měniče a) půlvlnný měnič b) čtvrtvlnný měnič c) složený měnič

Obrázek 6.34

Oboustranně vyzařující měnič


241

Pro kmitočtový rozsah 200 kHz až 5 MHz se nejčastěji používá módu tlouštkověpodélných kmitů. Tvarově se volí měniče kruhové, čtvercové nebo obdélníkové desky, prstence, trubice a pro fokuzaci měniče vybroušené do kovexních tvarů. Podle způsobu vyzařování hovoříme o měniči oboustranně vyzařujícím nebo jednostranně vyzařujícím. Principiální uspořádání oboustranně vyzařujícího měniče je na obrázku Obrázek 6.34.

Obrázek 6.35

Jednostranně vyzařující měnič

Je třeba říci, že takové uspořádání se používá jen výjimečně a častěji se používá jednostranně vyzařujícího měniče, jehož principiální uspořádání je na obrázku Obrázek 6.35. Jedna plocha keramické destičky (výbrusu) je v přímém kontaktu s prostředím, do kterého má vyzařovat a druhá plocha je od tohoto prostředí oddělena vzduchovým polštářem. Vzhledem k tomu, že vyzářený akustický výkon je přímo úměrný impedanci prostředí, bude výkon vyzářený do vzduchového polštáře řádově menší než výkon vyzářený např. do kapaliny. Na rozhraní vzduch-výbrus dojde téměř k úplnému odrazu akustické vlny a z toho důvodu bude akustická rychlost na vyzařující straně dvojnásobná než u oboustranně vyzařujícího měniče. Negativně se uplatňuje popsaný mechanismus při přiložení měniče na pevné prostředí, vznikne-li mezi měničem a tímto prostředím vzduchová mezera. Snížení vyzářeného výkonu se omezuje vyplněním této mezery olejem nebo vazelínou.

Obrázek 6.36

Měnič typu "sandwiche"

242


Pro kmitočtové pásmo 10 kHz až 100 kHz je typické uspořádání měniče typu "sandwiche" naznačené na obrázku Obrázek 6.36. Vlastní měnič je složen ze dvou částí zapojených paralelně a je sevřen svorníkem mezi dva kovové bloky. Takové uspořádání jednak snižuje rezonanční kmitočet celé soustavy a jednak umožňuje vytvořit v keramickém měniči tlakové předpětí, což dovoluje zvýšení výkonu vyzářeného měničem. Při činnosti měniče je keramický materiál namáhán střídavě tahovým a tlakovým pnutím. Amplituda kmitů je omezena pevností daného materiálu v tahu vzhledem k tomu, že pevnost v tahu je několikrát nižší než pevnost v tlaku. Zavedením tlakové předpětí lze podstatně zvýšit amplitudu kmitů, jak je zřejmé z obrázku Obrázek 6.37. 6. 6. 4 Akustické transformátory

Obrázek 6.37

Průběh deformace v keramice namáhané střídavým elastickým napětím a) bez předpětí b) s tlakovým předpětím

Ultrazvukové měniče popsané v předchozí části se jen výjimečně hodí k přímé aplikaci v konkrétním prostředí. Většinou je třeba realizovat další doplňkové části, které slouží k přímému navázání měniče na dané prostředí, k zavedení ultrazvukové energie do daného místa, ke koncentrování energie, zvýšení amplitudy kmitů, k přizpůsobení měniče atp. Důležitým prvkem, který plní dané požadavky, je tzv. akustický transformátor (vlnovod). Nejjednodušší provedení je naznačeno na obrázku Obrázek 6.39.


Obrázek 6.38

243

Nejjednodušší provedení akustického transformátoru

Toto provedení slouží pouze k navázání měniče s daným prostředím, když není možný přímý styk měniče Vlastní vlnovod je ve tvaru válce, jehož délka ℓ se vypočítá ze vztahu f=

1 E v = , 2λ ρ 2λ

( 6.69 )

λ=

v . 2f

( 6.70 )

odkud

kde

E ρ v f

je modul pružnosti materiálu válce, je hustota materiálu válce, je rychlost objemového vlnění, je vlastní kmitočet měniče.

Je-li nutné transformovat výchylku vlnění k vyšším hodnotám, používají se transformátory (vlnovody) různých tvarů. Vlnovod je navržen tak, aby rezonoval na shodném kmitočtu jako měnič. Volba vhodného vlnovodu souvisí přímo se způsobem aplikace. 6.6.4

Využití účinků ultrazvuku

Ultrazvuk se využívá v měřicí technice k měření fyzikálních vlastností plynů a kapalin, ultrazvukem lze vyhodnocovat koncentraci směsí kapalin, kde se využívá závislosti rychlosti šíření ultrazvuku na koncentraci, ultrazvukem lze měřit i viskozitu kapaliny, ultrazvukem lze měřit např. elastické vlastnosti tuhých látek, měřit výšku hladiny a průtok kapalin. Použití ultrazvuku v defektoskopii je jednou z velmi progresivních aplikací ultraakustiky v technické praxi. Oblast využití ultrazvuku v praxi je v současné době již natolik rozsáhlá, že nelze s ohledem na vymezený rozsah předloženého textu postihnout celou problematiku. 6. 6. 5. 1 Využití intenzivních ultrazvukových polí 6. 6. 5. 1. 1 Chemické a fyzikální účinky ultrazvuku U intenzivního ultrazvukového pole byly pozorovány zejména jeho oxidační účinky a účinky urychlující chemické reakce. Oxidační účinky jsou způsobovány kavitací, kdy se uplatňuje elektrické pole, resp. elektrické mikrovýboje při vzniku kavitační kaverny. Byl

244


pozorován vliv ultrazvuku na změnu elektromotorické síly galvanického článku, na snížení napětí při elektrolytickém vylučování kovů, urychluje se vylučování kovů při galvanickém pokovování atp. Intenzívní ultrazvuk mé v plynném prostředí obsahujícím pevné částice koagulační účinky, využívané v odprašovacích zařízeních. Naopak v kapalinách má význačné účinky disperzní. Těchto účinků se využívá k vytváření emulzí a suspenzí. Intenzivního kavitačního pole se využívá např. v papírenském průmyslu při rozvláčňování buničiny. V potravinářském průmyslu se ultrazvuku používá k extrakci aromatických látek atp. Využití lze nalézt i v metalurgii, kde lze dosáhnout zjemnění zrna, vytvářet slitiny nemísitelných kovů, odplyňovat taveniny, urychlovat rozpouštění jednoho kovu ve druhém atp. 6. 6. 5. 1. 2 Některé další příklady využití ultrazvuku ve výrobních procesech

Obrázek 6.39

Princip ultrazvukového vrtání

Intenzívní ultrazvukové pole lze využít k pájení hliníku a jeho slitin. V roztavené pájce vytvoří kavitační oblasti, které naruší oxid hliníku, zabraňující přilnutí pájky k vlastnímu kovu. Obnažený kov je před oxidací chráněn roztavenou pájkou, která přilne ke kovu. Uvedená metoda je použitelná jak pro vlastní pájení, kdy vyhřívaný hrot pájedla je rozkmitáván přes převodní člen magnetostrikčním měničem, tak i při pocínovávání hliníkového plechu, kdy se do lázně pájky umísťuje větší počet měničů vytvářející rovnoměrné ultrazvukové pole po celé šíři plechu. Při odstraňování okují ultrazvukem se po moření daná součást ponoří do vody, kde se okuje odstraní kavitačním účinkem. Dosahuje se až 50 % úspory času a 30 % úspory kyseliny oproti normálnímu postupu. Kavitačních účinků intenzivního ultrazvuku se využívá při čištění a odmašťování strojních součástí. Podle rozměrů součástí se volí pracovní kmitočet měniče od 20 kHz až do l MHz při čištění malých otvorů. Současně se využívá chemických účinků vhodných kapalin


245

. Obrázek 6.40

Princip svařování plastů

Při opracovávání tvrdých materiálů se používá obrábění ultrazvukovými vibracemi. Podstata vrtání je zobrazena na obrázku Obrázek 6.39. Podélně kmitající trn je v kontaktu s obráběným materiálem v prostředí suspenze brusného prachu a vody. Vlastní vrtací proces uskutečňují částice brusiva. Vrtací nástroj je konstruován z pevného kovu a jeho tvar je vypočítán z hlediska jeho funkce jako akustický transformátor. Intenzívní ultrazvukové pole lze využít i v oblasti svařování. Z kovů jde zejména o hliník a jeho slitiny. Značné rozšíření této metody je zejména u svařování plastů, ale i textilu, obsahujícího větší procento plastů. Tímto způsobem lze svařovat všechny termoplasty i takové, u kterých nelze použít metodu vysokofrekvenčního ohřevu. Do místa styku dvou plastů se zavede intenzívní ultrazvukové pole za současného působení malého tlaku. Vzniklé teplo materiály nataví a tyto se spojí. Pevnost sváru dosahuje až 95 % pevnosti vlastního svařovaného materiálu. Intenzita ultrazvukového pole dosahuje hodnot až 200 W/cm2 při kmitočtu kolem 20 kHz.

Obrázek 6.41

Ultrazvukové kontaktování a) uspořádání pro metodu "Thermosonic" b) zvětšený detail sonotrody

246


Spojování dvou kovů pomocí ultrazvuku našlo uplatnění i v mikroelektronice při tzv. kontaktování. Používají se dvě metody, a to "Thermosonic" (TS) a "Ultrasonic" (US).

Obrázek 6.42

Ultrazvukové kontaktování a) uspořádání pro metodu "Ultrasonic"

b) zvětšený detail sonotrody V této kapitole jsme jmenovali jen základní možnosti využití ultrazvuku v technice. V souvislosti s laserovou technikou jsou využívány účinky ultrazvuku v součinnosti s elektrickým polem k buzení tzv. chemických laserů. Akustické vlny v tuhých látkách mohou být využity k rozkladu světelného záření na tzv. akustických mřížkách atp. V oblasti filtrové techniky je rozpracována široká oblast filtrů s tzv. povrchovou akustickou vlnou (PAV), kde se využívá kmitání tenké povrchové vrstvy materiálů. Jistě by bylo možné jmenovat celou řadu dalších aplikací ultrazvuku v různých oblastech lidské činnosti. 6.6.5

Kontrolní otázky a příklady k podkapitole 6.6 6.6.1. Jaká je vlnová délka vlnění ve vodě a v oceli při kmitočtu 100 kHz. 6.6.2. Jak velký bude akustický tlak pa ultrazvukové vlny ve vzduchu a ve vodě při kmitočtech 20 kHz a l MHz. 6.6.3. Stanovte intenzitu ultrazvukového vlnění o kmitočtu 20 kHz a l MHz ve vodě, je-li amplituda kmitů Y = 10-6 m. 6.6.4. Jak velký výkon bude předán destičce o ploše l cm2 ponořené ve vodě, bude-li amplituda kmitů Y = 10-6 m při kmitočtech 20 kHz a 1 MHz, při kolmém dopadu a plné absorpci vlnění. 6.6.5. Vypočtěte pod jakým úhlem se bude šířit podélné a příčné vlnění v oceli ponořené ve vodě, jestliže na dané rozhraní dopadla akustická vlna pod úhlem α = 10°. 6.6.6. Vypočtěte jak velká část intenzity dopadajícího ultrazvukového vlnění projde do oceli a jak velká část se odrazí při kolmém dopadu akustické vlny na rozhraní voda ocel, resp. vzduch - ocel.


247

6.6.7 Jaká musí být délka válcového vlnovodu z oceli, má-li systém pracovat na kmitočtu 20 kHz. Stanovte polohu uzlu, kde je možné systém upevnit.

6.7 ELEKTROEROZÍVNÍ PROCESY 6.7.1 Úvod Při elektroerozivních procesech využíváme tepelných účinků elektrického výboje vznikajícího mezi povrchem obráběné součásti a elektrodou použitou ve funkci pracovního nástroje. Počátky elektroerozivního opracování materiálů se datují rokem 1943, kdy byla rozpracována elektrojiskrová metoda obrábění vodivých materiálů. V současné době se používají tři základní technologie: elektrojiskrové, elektroimpulsní a elektrokontaktní. V prvém případě dochází k roztavení a odpaření mikroskopického objemu kovu v důsledku vysoké teploty elektrické jiskry, resp. teploty výbojového kanálu. Ve druhém případě je zdrojem tepla obloukový výboj. U elektrokontaktního způsobu je ohřev kovu způsoben teplem vzniklým průchodem proudu o vysoké proudové hustotě malou plochou dotýkajících se nerovností povrchu nástroje a obráběného materiálu. Elektroerozívní obrábění nachází široké uplatnění v průmyslu při obrábění těžko obrobitelných kovů, dále u komplikovaných tvarů obrobků, lisovacích forem, forem na odlévání, tvarově komplikovaných otvorů atp. Elektroerozívní proces lze mnohdy použít při náhradě klasického soustružení, frézování, broušení a vrtání. Mnohé tyto aplikace umožní nejen časové zkrácení výrobního procesu, ale umožní i výrobu takových součástí, které klasickými metodami vyrobit nelze. 6.7.2

Proces elektroeroze

Proces elektroeroze spočívá v roztavení, případně v odpaření, mikroskopického objemu kovu v důsledku vysoké teploty povrchu kovu v místě kde došlo k elektrickému výboji mezi dvěma elektrodami (opracovávanou součástí a pracovním nástrojem). Přivedeme-li na tyto elektrody impuls dostatečně vysokého elektrického napětí, dojde k elektrickému průrazu prostředí mezi elektrodami, což je buď to vzduch nebo častěji vhodná elektricky nevodivá kapalina. Na počátku výboje se elektrony pohybují mezielektrodovým prostředím od katody k anodě. Jejich existence je daná jednak vlastním mezielektrodovým prostředím a dále mohou vystupovat z povrchu katody (studená emise), kde na mikroskopických nerovnostech povrchu se vytvoří dostatečně vysoká intenzita elektrického pole pro vznik studené emise. Na své cestě k anodě způsobují elektrony nárazovou ionizaci. Dochází tak k lavinovitému vzniku nosičů proudu až se vytvoří vodivý kanál mezi anodou a katodou - elektrický výboj. Při nárazové ionizaci a vzniku elektrického výboje dochází k uvolňování energie ve formě tepla, světla a mechanické rázové vlny. Teplota kanálu výboje dosahuje až 40 000 °C. Laviny elektronů a iontů nesoucí jistě množství energie dopadají na elektrody a předávají jejich povrchu kinetickou energii, které se přemění v teplo. Přeměnou kinetické energie nosičů proudu v teplo na elektrodě a ohřevem povrchu elektrody teplem výbojového kanálu dosahuje teplota povrchu elektrody v místě výboje až 10 000 °C. Při tak vysoké teplotě se roztaví a odpaří mikroskopické množství kovu, a tak dochází k erozi povrchu obráběného materiálu. Proces eroze se podstatně zvyšuje, je-li mezi elektrodami kapalné prostředí. Použitá kapalina v procesu elektroeroze plní čtyři základní funkce. 1) Zachycuje částice roztaveného kovu i kovové páry, které byly vyvrženy z povrchu elektrody při výboji. Dochází k jejich prudkému ochlazení, a tak se vytvoří disperze

248

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně granulí. Nedojde tedy ke zpětnému usazení kovu na elektrodách, což by snižovalo kvantitativně proces eroze.

2) Kapalina umožní odstranění produktů eroze z obráběné zóny, čistí tedy mezielektrodový prostor a tak stabilizuje celý proces. 3) Zvyšuje elektrickou pevnost prostředí mezi elektrodami. 4) Ochlazuje elektrody.

Obrázek 6.43

Charakteristika elektrických impulsů

l - výbojový kanál, 2 - plynová zóna, 3 - roztavená oblast na elektrodách, 4 - roztavené částice kovu, 5 - částice ochlazeného kovu v kapalině Proces eroze si můžeme znázornit pomocí obrázku Obrázek 6.43, kde je nakreslen mikrorelief povrchu elektrod a schéma výboje. Při elektrickém průrazu kapalného prostředí mezi elektrodami se vytvoří ionizovaný kanál, kterým projde celá energie impulsu. Část energie se ztrácí v kapalině ve formě tepelných ztrát, rázové mechanické vlny, akustických ztrát, optickým zářením a 30 - 40 % energie elektrického impulsu způsobí vlastní ohřev elektrod. Po skončení výboje dochází k deionizaci prostředí mezi elektrodami. Následující výboj se obvykle realizuje na jiném místě povrchu elektrody mezi dalšími dvěma nejbližšími body elektrod. Takto dochází k erozi po celém povrchu elektrod až do okamžiku, kdy vzdálenost elektrod bude natolik velká, že k výboji již nedojde. Pokračování procesu je možné po dalším přiblížení elektrod, což se u skutečných zařízeni děje automaticky pomocí speciálního regulačního systému.


249

6.7.2.1 Charakteristika

Obrázek 6.44

Tvary elektrických impulsů

V procesu elektroeroze hraje velmi důležitou roli charakter elektrických impulsů. Z toho důvodu je nutné definovat si některé základní pojmy. Na obrázku Obrázek 6.44 jsou naznačeny tvary několika impulsů. Daný impuls je charakterizován polaritou, amplitudou Um, délkou τ a délkou periody T. Je zřejmé, že tvar impulsů může být mnohdy velmi komplikovaný. Délka impulsu τ je definována od počátku do konce impulsu, což mnohdy u komplikovaných tvarů nelze jednoznačně určit. V takových případech se za počátek a konec impulsu volí okamžik, kdy napětí impulsu dosáhlo 5 % nebo 10 % maximální amplitudy Um. U některých tvarů impulsů hovoříme o délce přímého impulsu τp a o délce obráceného impulsu τo. U elektroerozivních procesů se používá délka impulsů v rozsahu od 10-7 do 10-1 s. Důležitou hodnotou je délka impulsu 10-4 s. Impulsy s délkou τ < 10-4 s se používají při elektrojiskrovém obrábění - hovoříme tedy o jiskrovém výboji a impulsy s délkou τ > 10-4 s se používají při elektroimpulsním obrábění - hovoříme o obloukovém výboji. Velmi důležitou veličinou je dále poměr T q= , ( 6.71 ) τ Při elektroerozívním obrábění leží v rozmezí hodnot l až 30. Při elektrojiskrovém obrábění se používá hodnota q > 5 až 10. Při elektroimpulsním obrábění je hodnota q < 5. Amplituda proudu při výboji v elektroerozívních procesech leží ve velmi širokém rozsahu od jednotek ampérů do desítek tisíc ampérů. Kmitočet elektrických impulsů f můžeme vypočítat jednak z délky periody T nebo z poměru q a délky impulsu τ. 1 1 f= = ( 6.72 ) T qτ Při elektroerozívním obrábění se používá kmitočet impulsů v rozsahu 100 Hz až 2 MHz. Důležitou charakteristikou elektrických impulsů používaných při elektroerozi je jejich forma. Obvykle se používají čtyři základní formy: unipolární se stejnosměrnou složkou, unipolární bez stejnosměrné složky, střídavé symetrické, střídavé nesymetrické. Při

250


elektrojiskrové technologii se používají impulsy střídavé nesymetrické, při elektroimpulsní unipolární s i bez stejnosměrné složky, při elektrokontaktní střídavé symetrické i unipolární bez stejnosměrné složky. 6.7.2.2 Elektrodový systém Jak již bylo řečeno, elektrické výboje umožňující vlastní elektroerozívní proces vznikají mezi dvojicí elektrod, z nichž jedna je tvořena obráběnou součástí a druhá je použita ve funkci pracovního nástroje. Jak bylo naznačeno v předchozích částech, dochází k erozi na obou elektrodách. Je snahou, aby maximální kvantitativní efekt eroze probíhal na povrchu obráběné součásti. Tento požadavek je ale podmíněn celou řadou podmínek. Při použití unipolárních impulsů a stejného materiálu elektrod bylo zjištěno, že efekt eroze neprobíhá na obou elektrodách stejně, ale je ovlivněn délkou impulsů. U impulsů s malou délkou τ je větší eroze anody než katody. U impulsů s velkou délkou τ je tomu naopak. Tomuto jevu se říká polární efekt. Mechanismus polárního efektu není přesně vysvětlen. Uplatňují se zde složité procesy nerovnoměrného rozložení teploty na elektrodách, interakce částic s elektrodami, mechanické vlivy rázové vlny, kavitační vliv při vzniku a zániku kavitačních kaveren, složité mechanismy v plazmě atp. Z uvedených skutečností vyplývá první důležitý závěr, že při elektrojiskrovém obrábění je obráběné součást anodou a pracovní nástroj katodou. Při elektroimpulsním obrábění je tomu naopak. Použijeme-li na elektrody různé materiály, bude efekt eroze, při stejném charakteru impulsů, dán tepelněfyzikálními vlastnostmi použitých kovů, jako jsou teplota tavení TL, měrná hmotnost ρ, tepelné kapacita C a součinitel tepelné vodivosti λ. Tyto veličiny určují tzv. kriterium Palatnika Pk = TL ρ C λ . ( 6.73 ) Podle velikosti hodnoty Pk dle (6. 73) můžeme usoudit, který z kovů dříve dosáhne teploty tavení. Čím vyšší bude hodnota Pk, tím nižší bude tzv. elektroerozívní obrobitelnost. Názornější srovnání elektroerozívní obrobitelnosti lze ukázat pomocí tabulky Tabulka 6.4. Jestliže vezmeme za základ elektroerozívní obrobitelnost oceli, bude poměrná obrobitelnost ostatních kovů dle zmíněné tabulky. Tabulka 6.4 Kov

Poměrná obrobitelnost kovů Poměrná Kov obrobitelnost

Poměrná obrobitelnost

hořčík 6,0 nikl 0,8 hliník 4,0 titan 0,6 měď 1,1 molybden 0,5 ocel 1,0 wolfram 0,3 Elektroda pro funkci pracovního nástroje se vyrábí různými technologiemi jako je soustružení, frézování, broušení, odlévání do forem atp. Pro výrobu nepravidelných tvarů lze použít i galvanoplastickou metodu. V poslední době se vyrábí některé elektrody pro funkci pracovního nástroje technologiemi užívanými v práškové metalurgii. Vzhledem k relativně vysoké pórovitosti těchto materiálů vniká do pórů použitá pracovní kapalina, které se vlivem vysoké teploty výbojů rozkládá a vytváří na povrchu nástroje grafitovou vrstvu. Při volbě vhodných parametrů impulsů je elektroeroze takových nástrojů prakticky nulová.


251

Metody generování elektrických impulsů

Různé tvary elektrických impulsů o daných parametrech, používané v elektroerozívních procesech, se generují v podstatě třemi metodami - elektricky, mechanicky nebo kombinovaným způsobem. Elektrický nebo kombinovaný způsob se používá při elektrojiskrové nebo elektroimpulsní technologii. Jedná se o speciální generátory proudových elektrických impulsů regulovaných v širokém rozsahu amplitudy proudu, frekvence, délky impulsů a jejich polarity. Při mechanické metodě generování periodických impulsů proudu do obráběné zóny se využívá mechanického přibližování a vzdalování elektrod napájených stejnosměrným nebo střídavým proudem ze speciálního usměrňovače nebo přímo z transformátoru. Tato metoda se využívá při elektrokontaktní technologii. Generátory pro elektrojiskrovou nebo elektroimpulsní technologii se dělí na tzv. nezávislé a závislé. U závislých generátorů jsou parametry impulsů ovlivněny vzdáleností elektrod a vlastnostmi prostředí mezi nimi. U nezávislých generátorů jsou parametry impulsů dány vlastnostmi generátoru. Blokové schéma nezávislého generátoru je na obrázku Obrázek 6.45.

Obrázek 6.45

Blokové schéma nezávislého generátoru impulsů

l - zdroj, 2 - proudový regulátor, 3 - akumulátor energie, 4 - spínací obvod, 5 - elektrodový systém Závislé generátory se mohou realizovat buď jako relaxační s prvky RC nebo RLC, dále tyristorové s prvky RLC, generátory s usměrňovači atp. Některé typy jsou pro ilustraci uvedeny na obrázku Obrázek 6.46 a, b, c, d. Generátory zobrazené na obrázku Obrázek 6.46 a, b mohou mít ještě celou řadu modifikací podle kombinace prvků RLC jako např. RLCL, RCR, RCL, LRC, LC atp.

252


Obrázek 6.46

Některé typy impulsních generátorů a) typ RC, b) typ RLC, c) typ CC, d) typ s usměrňovačem l - zdroj stejnosměrného proudu, 2 - zdroj střídavého proudu

6.7.4

Použití elektroerozivních procesů

6.7.4.1 Elektrojiskrové technologie Elektrojiskrové technologie se používá při obrábění materiálů z tvrdých slitin a z těžkoobrobitelných materiálů. Používá se pro zhotovení nejrůznějších výrobků složitých tvarů, povrchů různých profilů, drážek, precizních otvorů, sítek, membrán atp., v různých odvětvích strojírenství, přístrojové technice, mikroelektronice atd. Elektrojiskrová technologie je charakterizována výbojem o krátké délce τ = 10-4 až 10-7 s, koeficientem q > 5 až 10 a relativně nevelkou energii impulsů do 5 J. Uskutečňuje se při tzv. přímé polaritě elektrod - nástroj je katodou, obrobek anodou. Zvolený režim ovlivňuje i přesnost s jakou můžeme daný výrobek opracovat. U elektrojiskrového obrábění dosahujeme přesnosti 0,2 až 0,005 mm. U elektrojiskrové technologie se často používá postup řezání materiálů pomocí drátové elektrody. Princip metody je zřejmý z obrázku Obrázek 6.47. Jako elektroda se používá napínaný drát a příslušný tvar řezné dráhy se dosahuje vzájemným posuvem drátu a obrobku. Pracovní prostor, tj. prostor mezi drátovou elektrodou a obrobkem bývá obdobně jako v předchozích případech zaplněn vhodným dielektrickým materiálem, nejčastěji deionizovanou vodou. V zásadě jsou možné tři způsoby pohybu: a) Osa drátu se nepohybuje a pohyb vykonává pouze obrobek ve dvou směrech X a Y. b) Osa drátu se pohybuje v jednom směru a obrobek se pohybuje ve směru kolmém na směr pohybu drátu. c) Obrobek je pevně upevněn a pohyb vykonává osa drátu ve směrech X a Y. Drát elektrody mívá průměr 0,02 až 0,3 mm a zhotovuje se z mědi, mosazi, molybdenu nebo z oceli. Drát se odvíjí ze zásobní cívky, aby v místě řezu byla zabezpečena konstantní tloušťka nového drátu, jelikož eroze drátové elektrody je značná.


Obrázek 6.47

253

Princip metody elektrojiskrového řezáni materiálu pomocí drátové elektrody

ZC - zásobní cívka s drátem, D – drát, NZ - napínací zařízení, NC – navíjecí cívka, PS - pracovní stůl a obrobkem Moderní vyřezávačky jsou plně řízeny číslicovou technikou (NC), (CNC). Řídicí systém ovládá směr a rychlost pohybu drátu, resp. obrobku, řídí generátor impulsů, jeho výkon, kmitočet impulsů atp. Vlastní proces je obvykle časově rozčleněn do tří režimů, a to tzv. hrubé opracováni, jemné opracování a dokončovací opracování. Každý z těchto režimů se liší zejména parametry výboje a tím i množstvím rozrušeného materiálu. Typické hodnoty jsou pro hrubé opracování více než 3 mm3 s-1 , pro jemné opracováni od 0,5 do 3 mm3 s-1 a pro dokončovací opracování méně než 0,5 mm3 s-1. Výhody elektrojiskrové technologie jsou vysoká přesnost obrábění, relativně velká obráběná plocha, malá hloubka poškození povrchu výboji, snadná automatizovatelnost procesu a snadná změna režimu obrábění v širokém rozsahu. Mezi nevýhodnými vlastnostmi lze jmenovat relativně nízkou produktivitu a vysoké opotřebování elektrody - nástroje. 6.7.4.2 Elektroimpulsní technologie Elektroimpulsní technologie se používá obdobně jako technologie elektrojiskrová všude tam, kde potřebujeme vysokou produktivitu při menších nárocích na přesnost obrábění. Používá se při výrobě lisovacích forem, forem pro odlévání složitých tvarů, výrobků z tvrdých slitin atd. Elektroimpulsní technologie je charakterizovaná obloukovým výbojem o dlouhé délce τ = 10-4 až 10-1 s, koeficientem q < 5 a energií impulsů několik desítek J. Polarita elektrod je nepřímá, tj. nástroj je anodou a obrobek katodou. Produktivita obrábění závisí zejména na středním výkonu impulsů, resp. na energii impulsu a použitém kmitočtu f. Lze dosáhnout hodnot až 500 mm3 s-1 odběru materiálu. Výhody elektroimpulsní metody jsou vysoká produktivita, široký rozsah změny režimů, možnost automatizace procesu a malé opotřebování elektrody - nástroje. Mezi nevýhodnými vlastnostmi lze jmenovat nevelkou přesnost obrábění, relativně malou obráběnou plochu a velkou hloubku poškození povrchu výboji. Pro ilustraci jsou na obrázku Obrázek 6.48 schematicky znázorněny některé operace při použití výše uvedených technologiích.

254

Obrázek 6.48


Příklady elektroerozívního opracování materiálů

6.7.4.3 Elektrokontaktní technologie Elektrokontaktní technologie se používá pro obrábění těžkoobrobitelných vodivých materiálů, kde může nahradit "klasické" operace soustružení, frézování, broušení, řezání atp. Vlastní elektroerozívni proces je dán dvěma jevy. V prvém případě dochází k tavení a odběru materiálu teplem vzniklým průchodem proudu o vysoké proudové hustotě dané malou plochou dotýkajících se mikronerovností povrchu nástroje a obráběného materiálu. Plošné hustota proudu může dosahovat hodnot až řádově 106 A mm-2. Druhý jev, který urychluje erozi, je vznik obloukového výboje, který vzniká již při napětí mezi elektrodami 10 až 20 V. Elektrokontaktní technologie se používá ve dvou modifikacích. V prvním případě jsou elektrody umístěny ve vzduchu a do styčného místa lze přivést výkon až 500 kW při proudech do 20 000 A. Ve druhém případě jsou elektrody ponořeny v kapalině (obvykle ve vodě) a pracuje se s výkonem do 70 kW při proudech do 3 000 A. Při práci ve vzduchu tato technologie vykazuje vysokou produktivitu, ale poškození povrchu obrobku dosahuje značné hloubky. Při použití kapaliny je toto poškození podstatně menší, lépe se chladí elektrody, snadněji se odstraňuje (vyplavuje) kov z místa dotyku, ovšem za cenu snížení produktivity. Aby se snížilo opotřebení elektrody - nástroje, používají se elektrody rotačních tvarů. Při činnosti se elektroda - nástroj otáčí a rychlost pohybu v místě styku dosahuje až 60 m s-1. Podle režimu činnosti, typu elektrod atp., se pohybuje opotřebení elektrody nástroje do 5 %, vztaženo na odběr materiálu z obrobku. Výhody elektrokontaktní metody je vysoké produktivita a možnost jejího dalšího zvyšování při zvyšování výkonu zdrojů proudu, možnost činnosti jak při stejnosměrném, tak i při střídavém proudu, činnost ve vzduchu i v kapalině atp.


255

Jako nevýhodné se ukazuje relativně malá obráběná plocha, velká zóna teplotního vlivu (velký ohřev celého obrobku) a rozstřik roztaveného kovu.

6.8 Shrnutí kapitoly 6 1. Elektronové procesy, zdroje elektronů, schematicky konstrukce elektronových trysek 2. Využití elektronových procesů v technologii 3. Iontové procesy, zdroje iontů a iontových svazků, využití iontových procesů v technologii 4. Rentgenové procesy, zdroje, spektrum, vlnové délky, výkon RTG záření, využití 5. Využití jaderných procesů v technologii 6. Lasery, základy činnosti, rozdělení a typické vlastnosti laserů 7. Příklady využití laserů v technologii, výkonové lasery užívané v technologii, základní uspořádání technologického pracoviště 8. Elektroerosivní procesy, základní uspořádání zařízení, metody generování elektrických impulsů, použití 9. Ultraakustické procesy, základní pojmy a fyzikální základy ultraakustiky 10. Zdroje ultrazvuku, akustické transformátory, příklady využití účinků ultrazvuku

256


7 Dodatky

7.1 Výsledky příkladů a testů 7.1.1

Kapitola 6

Výsledky testů předchozích znalostí Výsledky kontrolních otázek a příkladů podkapitoly 6.1 6.1.1. Určete hustotu emisního proudu rozžhaveného wolframového vlákna při teplotách 20 °C a 2 227 °C. Řešení: První vyhovující teorii tepelné emise vybudoval Richardson kolem roku 1900 a později ji zdokonalil Dushman. Jimi definovaný vztah se nazývá Richardsonův-Dushmanův zákon  B ( 6.14 ) jeT = A .T 2.exp  −   T kde jeT A T B

je hustota emisního proudu je Richardsonova konstanta je absolutní teplota je materiálový parametr

W , k kde W je výstupní práce elektronu z katody k je Boltzmanova konstanta Pro případ některých čistých kovů, např. Ba, Ta, W, Pd, byl odvozen vztah pro Richardsonovu konstantu ve tvaru 2. me . q . k2 A= , h3 kde me je klidová hmotnost elektronu q je náboj elektronu k je Boltzmanova konstanta h je Planckova konstanta B =

Po dosazení číselných hodnot do předchozího vztahu obdržíme A = 6.001.105 Am-2K-2 Výstupní práce elektronu z wolframu WW = 4,5 eV . Dosazením do (B = W/k) obdržíme B = 5,22.104 K . S použitím ( 6.14 ) pro požadované teploty dostaneme:

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy pro teplotu 20 °C (293 K) pro teplotu 2 227 °C (2 500 K)

257

jeT = 2,18.10-67 Am-2 jeT = 3 206 Am-2

6.1.2. Určete hustotu emisního proudu rozžhaveného wolframového vlákna při teplotě 2 227 °C, působí-li současně elektrické pole o intenzitě 2.105 Vm-1. Řešení: Za přítomnosti vnějšího elektrického pole při povrchu katody přejde ( 6.14 ) do tvaru  W - ∆W  jeTE = A.T 2 .exp − , k.T  

( 6.15 )

kde ∆W je odpovídá změně výstupní práce elektronu z katody působením vnějšího elektrického pole.  0,44 E   ∆W   W  jeTE = A.T 2. exp  −  = jeT .exp   .exp    k.T   k.T   T 

kde E

( 6.16 )

je intenzita elektrického pole mezi anodou a katodou

Použitím výsledku z příkladu 6.1.1. a dosazením zadaných hodnot do ( 6.16 ) obdržíme pro teplotu 2 227 °C (2 500 K): jeTE = 3 469 Am-2 6.1.3. Určete emisní proud katody vyrobené ve tvaru disku o průměru 10 mm z wolframu, vyhřáté na teplotu 2 227 oC. Urychlovací anoda je umístěna ve vzdálenosti 50 mm od katody a je na ni přivedeno napětí 10 kV. Řešení: S použitím ( 6.14 ) pro WW = 4,5 eV dostaneme jeT = 3 206 Am-2 V daném uspořádání U E = = 2.105 Vm −1 h

( 7.1 ) Dosazením těchto údajů do ( 6.16 ) obdržíme

Emisní

proud

jeTE = 3 469 Am-2 katody o ploše

I e = jeTE . S = jeTE .

S

π.d 2 , 4

kde d je průměr diskové katody. Dosazením zadaných a vypočtených údajů do ( 7.2 ) obdržíme Ie = 0,272 A.

vypočteme

ze

vztahu ( 7.2 )

258

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 6.1.4. Určete rychlost pohybu elektronu letícího z katody k anodě při anodovém napětí U = 10 kV. Výslednou rychlost srovnejte s rychlostí světla a zhodnoťte oprávněnost výpočtu. Určete jakou energii předal elektron anodě po dopadu.

Řešení: Energie, kterou získá elektron po proběhnutí dráhy s potenciálním rozdílem U, je dána vztahem Wk =

1 m e (v 2 - v 02 ) = q.U 2

resp.

1 Wk = m e .v 2 = q.U 2

( 7.3 )

pro nulovou počáteční rychlost vo. Z ( 7.3 ) plyne

v=

2 . q.U me

( 7.4 )

Po dosazení do ( 7.4 ) obdržíme v = 5,93.107 ms-1. Vzhledem k tomu, že tato rychlost je menší než polovina rychlosti světla, je výpočet správný a není nutné použít Einsteinovy relativistické teorie, tedy relativistický přírůstek hmotnosti elektronu. Energie předaná anodě po dopadu jednoho elektronu bude dle ( 7.3 ) Wk = 1.602.10-15 J. 6.1.5. Stanovte hodnotu energie předanou materiálu po dopadu elektronového svazku urychleného v systému dle příkladu 6.1.3. Vypočtěte výkon, kterým bude materiál ohříván. Uvažujte, že materiál bude na stejném potenciálu jako urychlovací anoda a veškeré elektrony se v materiálu absorbují. Řešení: Dle příkladu 6.1.3. je Ie = 0,272 A. Tomuto proudu odpovídá počet elektronů prošlých jednotkovou plochou za jednotku času vypočítaný ze vztahu I ne = e q Kinetická energie předaná anodě po dopadu jednoho elektronu je dle příkladu 6.1.4. Wk = 1,602.10-15 J. Celková kinetická energie předaná anodě bude Wkc = Wk .n e = Wk

Ie q

( 7.5 )

Vyčíslením ( 7.5 ) dostaneme Wkc = 2,72.103 J. Za jednotku času bude tedy materiál absorbovat výkon: P = 2,72 kW. Ke stejnému výsledku dospějeme použitím vztahu P = U.Ie, kde U je anodové napětí.


259

6.1.6. Stanovte hloubku vniku elektronů do oceli při urychlovacím napětí U = 10 kV. Řešení: Pro směsné materiály, slitiny atp. lze hloubku vniku elektronů stanovit ze vztahů: U2 , ρ 5 3 U h e ≈ 6,67.10−10 ⋅ , ρ

h e ≈ 2,1.10 −11 ⋅

kde ρ

[10 kV ≤ U ≤ 100 kV] [100 kV ≤ U ≤ 1 MV]

( 6.8 ) ( 6.9 )

je hustota materiálu.

Dosazením do (1.6.1), pro ρ = 7 800 kg m-3, obdržíme he = 2,69.10-7 m = 0,269 µm

Výsledky kontrolních otázek a příkladů podkapitoly 6.2 6.2.1. Stanovte maximální koncentraci implantovaných iontů bóru do monokrystalu křemíku ve vzdálenosti středního doletu iontů Rp od povrchu destičky a koncentraci iontů ve vzdálenosti Rp ± ∆Rp kde ∆Rp je střední kvadratická odchylka. Zjištěný koncentrační profil naznačte graficky. Celková dávka Q = 1018 m-2 při energie iontů 100 keV. Řešení: Maximální koncentraci implantovaných iontů bóru v křemíku po implantaci lze stanovit ze vztahu: N max =

Q 2π . ∆R p

( 7.6 )

Pro případ implantace bóru do křemíku při energii iontů bóru 100 keV, lze z tabulek odečíst příslušné hodnoty veličin Rp = 0,2994 µm a ∆Rp = 0,0710 µm. Dosazením do ( 7.6 ) obdržíme: Nmax = 5,62.1024 m-3odle LSS teorie je koncentrace implantovaných iontů v závislosti na vzdálenosti x od povrchu dána vztahem: 2   1  x − R p   N(x) = N max .exp−     2  ∆R p    

kde Rp je střední vzdálenost doletu iontů ∆Rp je střední kvadratická odchylka Po dosazení do ( 7.7 ) za x = Rp + ∆Rp obdržíme N(x) = 3,4.1024 m-3 a pro x = Rp – ∆Rp obdržíme N(x) = 3,4.1024 m-3.

( 7.7 )

260

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Postupným dosazováním různých hodnot x do ( 7.7 ) získáme příslušné hodnoty N(x) a můžeme naznačit graficky koncentrační profil iontů bóru pod povrchem monokrystalu křemíku. 6.2.2. Stanovte hodnotu elektrického odporu tenké povrchové vrstvy monokrystalu křemíku implantovaného borem, byla-li celkové dávka Q = 1018 m2 při energii iontů 100 keV. Odpor bude měřen systémem dvou napařených elektrod, u nichž poměr šířky a vzájemné vzdálenosti je roven jedné.

Řešení: Pro dané uspořádání elektrod byl stanoven empirický vztah R = 1011 Q-0,7 (∆Rp)-0,3

( 7.8 )

Po dosazení hodnot z příkladu 6.2.1. do ( 7.8 ) dostaneme R = 3,5 Ω / □. Hodnota takto stanoveného odporu se udává s rozměrem Ω / □ vzhledem ke stejnému rozměru šířky a vzdálenosti elektrod. 6.2.3. Stanovte hodnotu činitele separace D dosažitelnou v hmotnostním separátoru se symetrickým sektorovým magnetem (p = q, λ = γ, ϕ = 45°, L = 1 m) pro izotopy bóru 10 B a 11B. Bylo použito urychlovacího napětí U = 10 kV a hodnota magnetické indukce v sektoru B = 0,1 T. Řešení: Uspořádání separátoru je naznačeno na obrázku

Pro takové uspořádání je hodnota separace D dána vztahem:

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 1 R .∆ m  L  1 − cos ϕ + sin ϕ  2 m  R 

D=

261

( 7.9 )

kde ∆m je rozdíl hmotností mezi žádoucím a nežádoucím iontem m je hmotnost žádoucího iontu R je poloměr kruhové dráhy žádoucího iontu v magnetickém poli 1 2. m.U B q je hodnota magnetické indukce je hodnota urychlovacího napětí

R= kde B U

( 7.10 )

Relativní atomová hmotnost bóru 10B; M = 10,01294 a bóru 11B; M = 11,00931. Hmotnost iontu vypočteme, podělíme-li relativní atomovou hmotnost prvku Avogadrovým číslem. Dosadíme-li příslušné hodnoty do ( 7.10 )dostaneme: R = 0,456 m. Po výpočtu ( 7.9 ) obdržíme: D = 0,042 m . Nežádoucí iont dopadne ve vzdálenosti 4,2 cm od místa dopadu žádoucího iontu. 6.2.4. Stanovte tlak plynu v komoře iontového zdroje (bóru), má-li být vzdálenost mezi výstupem iontů bóru ze zdroje a terčem L = 10 cm a požadujeme-li, aby se na této dráze srazil max. každý desátý iont bóru s atomy zbytkového plynu. Teplota prostředí v němž se iont pohybuje nechť je 25 oC (298 K). Řešení: Podmínka, aby se na dráze mezi výstupem iontů a terčem srazil max. každý desátý iont s atomy zbytkového plynu znamená, že střední volná dráha iontu bóru musí být 10x větší než zmíněná vzdálenost. λi = 10.L = 1 m Střední volnou dráhu urychleného iontu λi v neutrálním plynu stanovíme ze vztahu: λi = kde d p

k.T π.d 2 .p

( 7.11 )

je průměr molekuly neutrálního plynu je tlak plynu

Ze vztahu ( 7.11 ) lze stanovit potřebný tlak plynu:

p=

k.T π.d 2 .λ i

( 7.12 )

Dosadíme-li do ( 7.12 ) za d = 3,67.10-10 m a λi = 1 m, obdržíme: p = 9,72.10-3 Pa. 6.2.5. Navrhněte zdroj iontů bóru tak, aby celková hodnota proudu ve svazku iontů byla Ii = 0,1 A. Teplota ionizovaného plynu nechť je T = 500 K. Průměr otvoru kterým budou ionty extrahovány je 2 mm.

262


Řešení: Zdroj je realizován tak, že v kontaktu s ionizovaným plynem je kovová destička, tzv. extrakční, s otvorem o poloměru r = 1 mm. Na hranici plazmatu nad otvorem dopadá za jednotku času n částic (iontů). n = 1,54.1024 kde

p r T

p. r 2 T

( 7.13 )

je tlak v prostředí zdroje iontů je poloměr otvoru v extrakční elektrodě je teplota plazmatu

Po dosazení daných hodnot a hodnoty tlaku z příkladu 6.2.4. do ( 7.13 ) obdržíme: n = 6,7.1014 s-1 Tomu by odpovídala hodnota iontového proudu získaná z jednoho otvoru: I1 = q.n = 1,07.10-4 A Abychom dosáhli požadované hodnoty proudu ve svazku iontů, musí mít extrakční elektroda více otvorů. V daném případě: I 0,1 N = i = = 935 otvorů I1 1,07.10− 4 Výsledky kontrolních otázek a příkladů podkapitoly 6.3 6.3.1. Stanovte nejkratší vlnovou délku rentgenového záření vzniklého po dopadu svazku elektronů na kov. Řešení: Nejkratší vlnová délka rentgenového záření vzniklého po dopadu svazku elektronů na kov je úměrná energii dopadajících elektronů a je dána vztahem( 6.18 ). h .c 1,239.10 −6 = q.U U Po vyčíslení obdržíme: λmin = 0,31 nm. λ min =

( 6.18 )

6.3.2. Stanovte vlnovou délku rentgenového záření pro kterou dosáhne intenzita záření maxima. Řešení: Maximální intenzita záření se ve spektru objeví asi při 60 % energie elektronového svazku a lze ji vypočítat ze vztahu: h .c 2,065.10 −6 λ Imax = = ( 6.19 ) 0,6 q .U U kde

h c

je Planckova konstanta je rychlost světla

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy q U

263

je náboj elektronu je urychlovací napětí

Vyčíslením ( 6.19 ) obdržíme λImax = 0,52 nm. 6.3.3. Stanovte celkový výkon rentgenového záření jestliže na měděnou anodu dopadne elektronový svazek o emisním proudu Ie = 0,1 A a urychlovacím napětí U = 10 kV. Řešení: Celkový výkon rentgenového záření lze stanovit pomocí empirického vztahu P = 1.69.10-8 I.Z.U1,75 ,

( 6.20 )

P = 3.10-6 I.Z.U1,75

( 6.21 ))

resp. upraveného vztahu kde I Z U

[W, mA, kV] ,

je proud elektronového svazku je atomové číslo kovu anody je urychlovací napětí

Celkový výkon rentgenového záření stanovíme dle ( 6.20 ), resp. ( 6.21 ). Atomové číslo mědi Z = 29. Vyčíslením obdržíme Pr = 0,49 W. Pozn.: Výkon elektronového svazku je P = Ie.U = 1 000 W. 6.3.4. Stanovte intenzitu rentgenového záření po průchodu vrstvou PMMA o tloušťce 0,1 µm. Dopadající rentgenové záření má intenzitu Io = 10-5 Wm-2. Výpočet proveďte pro vlnovou délku 0,9 nm. Řešení: Koeficient zeslabení δ rentgenového záření po průchodu látkou o absorpčním koeficientu α(λ), který je funkcí vlnové délky, je dán vztahem ( 7.14 ) δ = I / Io = exp [- α(λ).x] kde Io je intenzita dopadajícího rentgenového záření I je intenzita záření po průchodu vrstvou látky o tloušťce x α (λ) je absorpční koeficient Pro PMMA a vlnovou délku dopadajícího rentgenového záření 0,9 nm je absorpční koeficient α(λ) = 0,1 µm-1. Dosazením do ( 7.14 ) obdržíme δ = 0,99, Intenzita prošlého rentgenového záření I = δ.Io = 0,99.10-5 Wm-2. Výsledky kontrolních otázek a příkladů podkapitoly 6.4 6.4.1. Stanovte rychlost tzv. tepelných neutronů při teplotě 25 °C. Řešení: Tepelné neutrony se nacházejí v tepelné rovnováze s atomy prostředí. Ze vztahu pro kinetickou energii neutronu o klidové hmotnosti mn s nejpravděpodobnější rychlostí vp lze vypočítat požadovanou rychlost

1 m .v 2 = k .T 2 n p

( 7.15 )

264


vp =

2.k.T mn

( 7.16 )

Dosazením do ( 7.16 ) pro mn = 1,675.10-27 kg obdržíme vp = 2 216 m s-1 . 6.4.2. Stanovte konstantu účinnosti transmutace izotopu křemíku 14Si30, je-li 28 -3 koncentrace atomů křemíku NSi = 4,96.10 m , relativní zastoupení izotopu křemíku 30 -29 2 m. 14Si p = 0,0309 a účinný průřez ϕ = 1,3.10 Řešení: Konstantu účinnosti transmutace vypočteme dle ze vztahu: ( 7.17 )

c = NSi .p.σ Po dosazení zadaných hodnot do ( 7.17 ) obdržíme c = 1,99.10-2 m-1

6.4.3. Určete dobu ozařování monokrystalu křemíku, má-li být pomocí neutronové dotace změněna jeho hodnota měrného vnitřního odporu z hodnoty ρ = 10 Ωm na hodnotu ρ1 = 0,01 Ωm. Plošnou hustotu toku tepelných neutronů uvažujte ϕ = 5,5.1017 m-2 s-1. Řešení: Koncentraci transmutovaných atomů stanovíme ze vztahu: ND = c.ϕ.t , kde c ϕ t

( 7.18 )

je konstanta účinnosti transmutace je plošná hustota toku tepelných neutronů je čas ozařování

Transmutované atomy ve funkci dopantu ovlivní hodnotu vnitřního měrného odporu materiálu dle vztahu ND =

1 1 − q .ρ 1 .µ q .ρ 0 .µ 0

( 7.19 )

kde ρ0 je výchozí hodnota vnitřního měrného odporu ρ1 je žádaná hodnota vnitřního měrného odporu jsou pohyblivosti nositelů proudu před dotací, resp. po dotaci. µ0, µ Je žádoucí, aby se pohyblivost nositelů proudu dotací neovlivnila. Budeme uvažovat µ = µ0 = 0,1225 m2V-1s-1. Čas ozařování určíme pomocí ( 7.18 ) a ( 7.19 ). t=

ρ 0 − ρ1 c.q. µ .ρ 0 .ρ 1 .ϕ

Po dosazení do ( 7.20 ) obdržíme t = 4,65.105 s, což je asi 5,4 dne.

( 7.20 )


265

6.5.1. Yttrium-Aluminium-Granát laser dotovaný neodymem, YAG:Nd3+, má rozdíl energií mezi horní a spodní laserovou hladinou 1,17 eV. Stanovte vlnovou délku příslušného laserového záření. Řešení: Vlnová délka záření je dána vztahem: h .c ( 7.21 ) ∆E Vyčíslením ( 7.21 ) obdržíme λ = 1,06.10-6 m . Vlnová délka laserového záření odpovídá okraji infračervené oblasti. λ=

6.5.2. Vypočtěte úhel odrazu a úhel lomu laserového paprsku, který dopadl na rozhraní vzduch - křemík pod úhlem α = 45°. Stanovte jaká část intenzity záření se od rozhraní odrazila a jaká část prošla do křemíku. Závislosti na vlnové délce záření neuvažujte. Řešení: Příslušné rozhraní a uvažované paprsky jsou uvedeny na obrázku. Pro řešení využijeme Snellův zákon ve tvaru: ( 7.22 ) n1 sin α1 = n2 sin α2 kde n1 je index lomu vzduchu n2 je index lomu křemíku.

Budeme uvažovat: n1 = l n2 = ε , = 12 = 3,46 kde ε´ je relativní permitivita křemíku. Vyčíslením ( 7.22 ) dostaneme: α2 = 11,8o Dále platí α3 = α1 Intenzitu odraženého paprsku I(R) vypočítáme pomocí vztahu: I ( R ) = I (1) .R kde: I(1) R

je intenzita dopadajícího záření je součinitel odrazu (reflexe)

( 7.23 )

266


R=

tan(α 1 − α 2 ) tan(α 1 + α 2 )

( 7.24 )

Vyčíslením ( 7.24 ) a ( 7.23 ) obdržíme: R = 0,429 I(R) = 0,571.I(1) Lze tedy říci, že 42,9 % intenzity dopadajícího záření se od rozhraní vzduch-křemík odrazí a 57,1 % projde do křemíku.

6.5.3. Laserový svazek o průměru d = 0,1 mm dopadl kolmo na destičku z křemíku. Výkon přenášený ve svazku je P = 10 kW. Stanovte plošnou hustotu výkonu laserového záření po průchodu destičkou o tloušťce x = 2 mm, použijeme-li záření o vlnové délce λ = 1,06 µm a součinitel reflexe uvažujme R = 0,28. Řešení: Plošnou hustotu výkonu dopadajícího laserového svazku o průměru d vypočítáme pomocí vztahu: N S0 =

P0 4.P = S πd 2

( 7.25 )

Vyčíslením ( 7.25 ) obdržíme NS0 = 1,27.1012 Wm-2. Po průchodu svazku destičkou o tloušťce x, s respektováním odrazu části záření na rozhraní vzduch-křemík, lze vypočítat plošnou hustotu výkonu ve svazku pomocí vztahu: N S = N S0 .(1 − R ). exp(−β(λ ))

( 7.26 )

kde: R je součinitel odrazu (reflexe) β(λ) je absorpční součinitel pro danou vlnovou délku. Vyčíslením ( 7.26 ) obdržíme: NS = 3,72.1011 Wm-2. Dojde tedy k zeslabení záření asi 3,4x. Z výsledku je zřejmé, že pro vlnovou délku λ = l,06 µm není křemík ještě dostatečně transparentní. Pro infračervenou optiku jej lze však použít již pro vlnové délky od λ = 1,2 µm , kdy absorpce záření značně klesá.6.6.4. Vypočtěte čas potřebný k dosažení teploty vypařování čerstvě napařené vrstvy stříbra, použijete-li YAG laser o vlnové délce λ = l,06 µm,pro impulsní výkon ve svazku Pimp = 10 kW, při délce impulsu 100 µs. Laserový svazek je zaostřen na průměr stopy d = 0,1 mm. Řešení: Absorbovanou energii laserového svazku Wa v odpařovaném materiálu lze rozdělit na čtyři složky: Wa = W1 + W2 + W3 + W4 kde:

W1 W2 W3 W4

je energie potřebná k zahřátí materiálu na teplotu tavení je energie potřebná k dosažení kapalného stavu je energie potřebná dosažení teploty varu jsou energetické ztráty zářením a tepelnou vodivostí


267

Čas potřebný k dosažení teploty varu materiálu, pro typickou dobu trvání impulsu laserového záření τimp = 100 µs, lze vypočítat pomocí vztahu: tv = kde: a ρ cp Ns Tv To

π a.ρ. c p . .(Tv − To ) 2 4 NS 2

( 7.27 )

je součinitel tepelné vodivosti je měrná hmotnost odpařovaného materiálu je měrné teplo tuhé fáze je plošná hustota výkonu laserového svazku je teplota varu je výchozí teplota

Z fyzikálních tabulek odečteme potřebné hodnoty pro stříbro: a = 360 Wm-1K-1, ρ = 10,5.103 kg m-3, cp = 240 J kg-1K-1, Ty = 2 212o C, To = 20o C. Dále z tabulek stanovíme hodnotu součinitele odrazu pro čerstvě napařenou vrstvu stříbra při vlnové délce λ = l µm: R = 0,994. Plošnou hustotu výkonu laserového svazku o průměru d = 0,1 mm s respektováním odrazu svazku od povrchu vrstvy stříbra vypočteme pomocí vztahu: NS =

4.Pimp .(1 − R )

( 7.28 )

π .d 2

Vyčíslením obdržíme: NS = 7,64.109 Wm-2. Po dosazení do ( 7.27 ) vypočteme čas potřebný k dosažení teploty vypařování: tv = 58,7 µs. Aby došlo k odpařování materiálu, musí být vypočtený čas kratší než je doba trvání impulsu τimp, což je v daném případě splněno. 6.6.5. Navrhněte teleskopický systém k He-Ne laseru, který by umožňoval zaostření laserového svazku na průměr stopy 5 µm při vzdálenosti místa zaostření od přední stěny čočky rovné 5 cm. Uvažujte, že u laseru byl použit konfokální rezonátor s poloměry zrcadel R1 = R2 = 1000,1 mm. Dále stanovte plošnou hustotu výkonu na čočkách teleskopického systému a rozhodněte, zda je nutné čočky chladit, bude-li výkon přenášený svazkem Ps = 50 W. Řešení: Pro zaostření laserového svazku na průměr stopy d v rovině ohniska platí vztah: d = f . tgγ = f .γ kde:

f γ

je ohniskové vzdálenost objektivu (čočky) je úhel rozbíhavosti laserového svazku

Pozn.: pro očekávaný malý úhel rozbíhavosti je možné tg γ nahradit přímo γ v radiánech. Pro požadovaný průměr stopy d = 5.10-6 m obdržíme f = 3,94.10-3 m . V praxi to znamená, že přední stěna čočky je vzdálena od obráběného povrchu asi 4 mm a byla by znehodnocována zkondenzovanými parami odpařeného kovu. Tento nedostatek odstraňuje teleskopický systém znázorněný na obrázku. Průměr stopy laserového svazku v místě dopadu na předmět je dán vztahem: d=

f ´γ ZT

( 7.29 )

268


kde:

f ' je ohnisková vzdálenost teleskopického systému ZT je zvětšení teleskopického systému

Teleskopický systém pro úpravu laserového svazku Pro uspořádání laseru dle zadání obdržíme: 2.w1 = 0,4489 mm a γ = 2.θ = 0,0728o = 0,00127 rad kde: 2.w1 je průměr stopy na zrcadle rezonátoru laseru (průměr vstupujícího svazku) Pro f ´= 5 cm dle zadání, dostaneme z ( 7.29 ) hodnotu zvětšení teleskopického systému ZT = 12,7. Průměr čoček dč > 2.w1.ZT = 11,4 mm. Plošná hustota výkonu na čočce teleskopického systému bude: Ps 4.Ps = S π .dč 2 Vyčíslením obdržíme: Nσ = 48,9 Wcm-2 . Nσ =

Pro skleněnou optiku v oblasti vlnových délek 0,6 až l µm lze až do hodnoty plošné hustoty výkonu 103 Wcm-2 používat čočky bez chlazení. 6.6.1. Jaká je vlnová délka akustické vlny ve vodě a v oceli při kmitočtu 100 kHz. Řešení: Vlnovou délku akustického vlnění vypočteme pomocí vztahu

λ= kde: v f

v f

je rychlost šíření akustické vlny je kmitočet vlnění.

Budeme uvažovat pro vodu v = l 483 ms-1 a pro ocel v = 6 000 ms-1, po vyčíslení obdržíme: pro vodu λ = 1,48.10-2 m a pro ocel λ = 6.10-2 m. 6.6.2. Jak velký bude akustický tlak Pa ultrazvukové vlny ve vzduchu a ve vodě při kmitočtech 20 kHz a l MHz a amplitudě kmitů Y = 10-6 m. Řešení: Pro akustický tlak platí vztah:


269

pa = ω .Y .ρ .v. cos (ω. t − ϕ ) a pro jeho amplitudu: Pa = ω .Y .ρ .v = ω .Y .Z a = Va .Z a kde: ω Y ρ v Va Za

( 7.30 )

je kruhový kmitočet je amplituda kmitů je hustota prostředí je rychlost šíření akustické vlny prostředím je amplituda akustické rychlosti je akustický vlnový odpor prostředí.

Budeme uvažovat hodnoty pro vzduch: ρ = 1,276 kgm-3, v = 332 ms-1 a hodnoty pro vodu: ρ = 1 000 kgm-3, v = 1 480 ms-1. Dosazením do ( 7.30 ) obdržíme: Pro vzduch a kmitočet 20 kHz: Pro vzduch a kmitočet 1 MHz: Pro vodu a kmitočet 20 kHz: Pro vodu a kmitočet 1 MHz:

Pa = 53,2 Pa Pa = 2 662 Pa Pa = 1,86.105 Pa Pa = 9,32.106 Pa

6.6.3. Stanovte intenzitu ultrazvukového vlnění o kmitočtu 20 kHz a l MHz ve vodě, je-li amplituda kmitů Y = 10-6 m. Řešení: Intenzitu ultrazvukového vlnění vypočítáme ze vztahu: 1 I = .ρ .v.ω 2 .Y 2 2 Dosazením údajů do vztahu obdržíme: pro 20 kHz:1,17.104 Wm-2 pro 1 MHz: 2,93.107 Wm-2. 6.6.4. Jak velký výkon bude předán destičce o ploše l cm2 ponořené ve vodě, bude-li amplituda kmitů Y = 10-6 m při kmitočtech 20 kHz a 1 MHz, při kolmém dopadu a plné absorpci vlnění. Řešení: Výkon ultrazvukové vlny je dán vztahem: N = Pef .Vef .S = kde: Pef Va S

Pa Va . .S 2 2

( 7.31 )

je efektivní hodnota akustického tlaku je efektivní hodnota akustické rychlosti je plocha na kterou vlnění působí.

S přihlédnutím k ( 7.31 ) můžeme psát: N=

1 ω.Yρ .v ω.Y . .S = .ω 2 .Y 2 .ρ .v.S 2 2 2

Vyčíslením ( 7.32 ) dostaneme:

( 7.32 )

270


pro 20 kHz: 1,17 W pro 1 MHz: 2 926 W. Stejný výsledek obdržíme jestliže uvážíme, že intenzita je dána poměrem výkonu a plochy. I=

N S

,

odtud: N = I.S

S přihlédnutím k výsledkům příkladu 6.6.3. obdržíme stejné hodnoty pro předaný výkon. 6.6.5. Vypočtěte pod jakým úhlem se bude šířit podélné a příčné vlnění v oceli ponořené ve vodě, jestliže na dané rozhraní dopadla akustická vlna pod úhlem α = 10°. Řešení: Příslušné rozhraní a směry šíření jednotlivých vln jsou naznačeny na obrázku.

Rozhraní voda-ocel s naznačenými směry šíření jednotlivých vln Pro vodu je rychlost šíření podélné (longitudinální – L) vlny v1L = 1 483 ms-1. Pro ocel uvažujeme dva druhy vlnění, a to podélné (longitudinální – L) s rychlostí šíření v2L = 6 000 ms-1 a příčné (transverzální – T) s rychlostí šíření v2T = 3 260 ms-1. Po dosazení do vztahů Snellova zákona: sin α L v1L , resp. = sin β L v2 L sin α L v1L = sin βT v2T obdržíme: βL = 44,6o βT = 22,4o.


271

6.6.6. Vypočtěte jak velká část intenzity dopadajícího ultrazvukového vlnění projde do oceli a jak velká část se odrazí při kolmém dopadu akustické vlny na rozhraní voda ocel, resp. vzduch - ocel. Řešení: Součinitel odrazu pro intenzitu ultrazvukového vlnění vypočteme ze vztahu:  Z − Za2   RI =  a1 Z Z + a2   a1

( 7.33 )

kde: Za je akustický vlnový odpor daného prostředí. Index l se vztahuje k prostředí l (voda, resp. vzduch) a index 2 se vztahuje k oceli. Vyčíslením (???) pro rozhraní voda – ocel obdržíme R = 0,882 a pro rozhraní vzduch – ocel R = l. Dopadne-li akustická vlna na rozhraní voda – ocel 88,2 % intenzity vlnění se odrazí a 11,8 % intenzity vlnění projde do oceli. V případě rozhraní vzduch – ocel se veškeré vlnění odrazí. 6.6.7. Jaká musí být délka válcového vlnovodu z oceli, má-li systém pracovat na kmitočtu 20 kHz. Stanovte polohu uzlu, kde je možné systém upevnit. Řešení: Nejjednodušším akustickým transformátorem je válcový vlnovod zobrazený na obrázku

Válcový vlnovod ve funkci akustického transformátoru Pro rezonanční kmitočet fr uvažovaného vlnovodu platí vztah: fr = kde:

l E ρ v

E v 1 . = 2.l ρ 2 . l

je délka vlnovodu je Yangův modul pružnosti je hustota materiálu je rychlost šíření ultrazvuku vlnovodem. v odtud: l= 2. f r Vyčíslením pro v = 6 000 ms-1 obdržíme: l = 0,15 m . Polohu uzlové roviny, kde je možné vlnovod upevnit, vypočteme ze vztahu:

( 7.34 )

272

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně lu =

kde: n

l 2.n

určuje harmonický kmitočet a rovněž počet uzlových rovin.

Pro n = l obdržíme: lu = 0,075 m . Uprostřed vlnovodu je tedy uzlová rovina, zde vlnovod nekmitá a lze jej zde upevnit. Válcový vlnovod slouží pouze k přizpůsobení měniče k prostředí, k možnosti mechanického upevnění celého systému, ale nedochází u něj k zesílení amplitudy kmitů.


273

8 Seznam použité literatury [ 1] Askeland, D. R.: The Science and Engineering of Materials. PWS Publ. Comp., Boston 1994 [ 2] Rous, B.: Materiály pro elektroniku a mikroelektroniku. SNTL, Praha 1991 [ 3] Šavel, J.: Materiály a technologie v elektronice a elektrotechnice. BEN - technická literatura, Praha 1999 [ 4] Šesták, J., Strnad, Z., Tříska, A. a ost.: Speciální technologie a materiály. Academia, Praha 1993 [ 5] Škeřík, J.: Plasty v elektrotechnice a elektronice. SNTL, Praha 1991 [ 6] Van Zant, P.: Microchip Fabrication, A practical Guide to Semiconductor Processing. The McGraw-Hill Companies, NewYork 2000 [ 7] Frank, H.: Fyzika a technika polovodičů. SNTL Praha 1990 [ 8] Kazelle J.: Výrobní procesy III. Ediční středisko VUT. [ 9] Kazelle J.: Výrobní procesy III - cvičení. Ediční středisko VUT [10] Hahn L., Munke I.: Werkstoffkunde fuer die Elektrotechnik und Elektronik. Verlag Technik Berlin 1986 [11] Šiller S. a kol.: Elektrono-lučevaja technologija. Energija Moskva 1980 [12] Sochor V.: Lasery a koherentní svazky. Academia Praha 1990 [13] Suminov V. M. a kol.: Obrabotka detalej lučom lazera. Mašinostroenije Moskva 1989 [14] Švehla Š., Figura Z.: Ultrazvuk v technologii. ALFA Bratislava, SNTL Praha 1984

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

Recommend Documents