Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

Garant předmětu: Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. Autoři textu: Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. Doc. Ing. Karel Liedermann, CSc. Doc. Ing. Josef Jirák, CSc. Ing. Svatopluk Havlíček, CSc. Ing. Jiří Vaněk

2

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

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 (MVP)

Garantující ústav:

Elektrotechnologie

Garant:

Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc.

Rozsah předmětu: Kredity:

4/3 (91 hod), 8

z toho: přednášky cvičení

P 52

C 0

hod 7

N 15

L 15

O 9

kredit 8

Anotace: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

52 hod 39 hod

garant UETE

(EMV)

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: 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.


13

2.4 Technologické procesy 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 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.

14


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.

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.


15

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. 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

16


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 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. 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.


17

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.

18


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 střižníku je omezen dorazem. Střihadla jsou doplněna různými zařízeními a nářadím, 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 poloha pásu zajištěna pevným koncovým dorazem.


19

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.

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

20


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 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.


21

Protlačování Při protlačování za studena je výchozí polotovar podroben tlaku průtlačníku a průtlačnice. V polotovaru vzniká tlak (až 3000 MPa), který dosáhne hodnoty přetvárného 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.

22


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. 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.

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


23

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. 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.

24

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 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 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 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. 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 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.

Obr. Svařování tlakem za studena 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. Tažný kužel, ve kterém se vstupní průměr taženého drátu přetváří na menší. Kalibrační


29

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.

30


Část 3. Magnetické materiály Obsah: 3.1. Struktura a vlastnosti fero- a ferimagnetik 3.2. Fero- a ferimagnetické materiály 3.3. Speciální magnetické 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


31

Část 4. Polovodičové materiály Obsah: 4.1 Nerovnovážné stavy koncentrace nosičů proudu 4.2 Přechod PN 4.3 MIS (MOS) struktura 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 1.1010 cm-3 n0 N D = 1016 cm-3 10 n 2 (10 ) p0 i 104 cm-3 16 ND 10 2

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

32


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). Při řešení nerovnovážných stavů se vychází z rovnice kontinuity, která pro elektrony má tvar 1 ∂n = 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.

Obr. 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.


33

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 ( pn − pn 0 ) τp

(4.11)

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.

Obr. 4.2 Pokles koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu pro různé doby života menšinových nosičů τp.

34


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. 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.

Obr.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 = qp µ p E − qDp

∂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 pn − pn 0 ∂ 2 pn = GL − + Dp ∂t τp ∂x 2

(4.19)

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

(4.13)


35

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

∂pn ∂x

x =0

(4.20)

= s p [ pn (0) − pn 0 ]

(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

L p = D pτ p

 x .exp  −  Lp Lp 

s pτ p

  , 

(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.

Obr.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.

36


Obr. 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)

pn (∞) = pn 0

(4.26)

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

  

(4.27)

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

Obr.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.

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 4.1.3

37

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.

Obr.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

38


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 = qp µ 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. 4.2.1

(4.31)

Elektrostatické řešení přechodu PN

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

(4.32)

Známe-li rozložení elektrického náboje Q( x) v oblasti přechodu,

integrací stanovíme

intenzitu elektrického pole E ( x) . Vzhledem k platnosti vztahu E ( x) = −

dU ( x) dx

W ( x) = −qU ( x)

a

(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.


39

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

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) Obr.4.8 Elektrostatické řešení strmého přechodu PN. Z podmínky nábojové neutrality plyne, že celkový náboj musí být po obou stranách přechodu stejný a tedy

40

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 E max =

qN D qN A xn = xp ε 0ε r ε 0ε r

(4.36)

a pro velikost difúzního napětí UD =

1 E max 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

(4.38)

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

2ε 0ε r 1 UD q NA

(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)


41

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  q (U D − U )  p p 0  qU  p1 = exp  exp  −  = p2 kT   pn 0  kT 

(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 ppo a koncentrace vstřikovaných menšinových děr do oblasti N typu   qU ∆p2 = pn 0 exp    kT

   − 1  

(4.44)

  qU   ∆n1 = n p 0  exp   − 1  kT   

(4.45)

Podobně platí pro elektrony vstřikované do oblasti polovodiče P typu 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))  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 Dp  qU J = J n + J p = q  n ∆n1 + pn 0   exp  ∆p 2  = q  n n p 0 + Lp Lp  kT  Ln   Ln   Po úpravě

   − 1  

(4.49)

42

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. 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.

Obr.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


43

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.

Obr. 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 Q s = − 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 xb max, 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 = Q n − qN A xb max

(4.54)

44


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 ,

(4.55)

kde ΦF je vzdálenost mezi Fermiho hladinou 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.

Obr.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. Obr.4.14 C-V charakteristika struktury MIS s polovodičem P typu 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.


45

4.3.2 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 měřicí frekvence dostatečně nízká, takže mechanismus generace-rekombinace nosičů stačí sledovat změny malého signálu, ovlivní tento děj 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 trochu rozšíří. Pokud se však stačí v ochuzené vrstvě vytvořit generací páry elektron-díra dříve, než napětí na hradle opět poklesne, nahradí generované díry ty díry, které byly vytlačené z okraje ochuzené vrstvy a přebytečné elektrony se objeví u povrchu polovodiče. Malá změna napětí hradla se tedy vykompenzuje malou změnou náboje elektronů u povrchu polovodiče a kapacita zůstává na hodnotě Co. Výsledkem popsaného mechanismu je frekveneční závislost C-V charakteristik struktur MIS znázorněná na obr. 4.15. Obr.4.15 Vliv frekvence měřicího signálu na C-V charakteristiku Přechod od vysoko- k nízkofrekvenčnímu typu C-V charakteristik může být při dané frekvenci způsoben také vzrůstem generačně-rekombinační rychlosti, např. při zvýšení teploty nebo při ozáření polovodiče.

46


Část 5. Dielektrické materiály Obsah: 5.1. Struktura a vlastnosti izolantů 5.2. Klasifikace izolantů 5.3. Přírodní anorganické izolanty 5.4. Anorganická skla 5.5. Keramické materiály 5.6. Plasty 5.7. Elastomery 5.8. Přírodní organické tuhé izolanty 5.9. Kompozity 5.10.Laky a kompaundy 5.11.Kapalné a plynné izolanty 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“ Kapitola 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

(m-3) (F m2) (V m-1)

+Q0, -Q0 … volné náboje na deskách kondenzátoru ve vakuu + Qv, -Qv … vázané náboje na hraničních plochách dielektrika

(C) (C);

(V m-1)

Q = Q0, + Qv

Q0 = C0 U

(5.3)

D0 = ε 0 E

(5.4)


47

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)

Obr. 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

(5.9)

E … intenzita elektrického pole, je-li dielektrikem vakuum E1…

E1 =

intenzita elektrického pole, které vytváří polarizované prostředí vně koule následkem vázaného náboje, který n vrchu kulové dutiny vytvoří konce řetězců polarizovaných molekul vně koule P 3ε 0

E2 …

(5.10)

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

E2 0 Poznámka: Neplatí v silně polárních látkách El =

ε ´+2 E 3

(intenzita Mosottiho pole)

(5.11)

48


Obr. 5.2 Model Lorentzovy koule Clausiova-Mosottiho rovnice ε ´−1 n α = =p ε ´+2 3ε 0

(5.12)

p … měrná polarizace ε ´= n=

(-)

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

(5.15) (m3 kmol-1)

π … molární polarizace •

obecně platí ε * −1 M N A α = =π 3ε 0 ε * + 2 ρh

•

(5.16)

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

(5.17)

µ* … komplexní permeabilita nD2 − 1 M N A α = =π 3ε 0 nD2 + 2 ρ h Polarizační mechanismy a. Polarizace elektronová

(molární refrakce)

(5.18)


49

• • • •

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 • optická permitivita ε∞ … ε´ pro f → ∞ b. Polarizace iontová • • • • •

vyskytuje se u iontových krystalů probíhá beze ztrát, je závislá na teplotě doba ustavení : 10-13 – 10-12 s q2 iontová polarizovatelnost : α i = 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 µ2 dipólová polarizovatelnost α d = 3kT k … Boltzmannova konstanta) synonyma: polarizace dipólová tepelná, orientační

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

50


Obr. 5.3 Model dvojité potenciálové jámy A. V nepřítomnosti elektrického pole: Pravděpodobnosti přeskoku iontu p(A - B) = p(B - A) Koncentrace ion.ů přemísťujících se v 1 s nAB =

n0 f 0  W exp  − 6  kT

  = 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  −  6 kT  

(5.20a)

n´BA =

n0 f 0  W + ∆W  exp  −  6 kT  

(5.20b)

n0 ... koncentrace slabě vázaných iontů (předpoklad - nemění se s teplotou) (m-3) 6 ... dosazeno za zjednodušujícího předpokladu, že ionty kmitají ve směru os x, y, z f0 ... kmitočet v1astních tepelných kmitů okolo rovnovážných poloh (~1013 Hz) v místě lokálního minima (Hz) ∆W … energie elektrostatického pole (= q l E/2) (J) n f 0 0 … vyjadřuje počet pokusů přeskočit potenciálovou přehradu W (protože f0 krát 6 za 1 s se kmitající iont pohybuje ve směru +x)  W  exp  −  … vyjadřuje pravděpodobnost účasti iontu na pohybu ve směru +x  kT  Za předpokladu ∆W << kT a po úpravách γ =

A1  W  exp  −  T  kT 

(5.22)

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy •

51

Teplotní závislost konduktivity je následně

γ =

A2  W  exp  −  T  kT 

Za úvahy:

(5.23)

A2 A T

 b je γ = A exp  −   T

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∞ 1 + jωτ

(5.25)

εs … statická permitivita (pro f → 0) ε∞ … optická permitivita (pro f → ∞) •

grafické vyjádření Coleho – Cloeho kruhové diagramy

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

matematická formulace εs − ε∞ ε * = ε∞ + 1 + ( jωτ 0 )1−α

(5.26)

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

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

B.b. Přístup: Cole - Davidson •

matematická formulace ε * = ε∞ +

εs − ε∞ (1 + jωτ 0 ) β

β … distribuční činitel •

grafické vyjádření Coleho – Davidsonův asymetrický diagram

(5.27)

52

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

matematická formulace ε * = ε∞ +

•

εs − ε∞ 1 + ( jωτ 0 )1−α 

β

(5.28)

grafické vyjádření Havriliakův – Negamiho asymetrický diagram

Obr. 5.4 Závislost ε ´´ = F(ε´) podle Havriliaka a Negamiho 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 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 piezoelektrika (křemen, turmalín, boritokřemičitan Al-MgCa a četné látky keramické.


53

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 • Elektrety • Piezoelektrika • Pyroelektrika • Feroelektrika Látky s nenulovou polarisací bez současné přítomnosti vnějšího pole B.1 Elektrety Polarizace je u nich sice vyvolána předchozím působením vnějšího pole, ale 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: a) termoelektrety polarizace v elektrickém poli za současného ochlazení z vyšší teploty b) fotoelektrety polarizace v elektrickém poli za současného fotovodivostí)

osvětlení (dielektrika vyznačující se

c) elektroelektrety polarizace v elektrickém poli za pokojové teploty d) magnetoelektrety 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.

54


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. B.3 Pyroelektrika B.4 Feroelektrika Feroelektrikum je látkou spontánně polarizovanou, jejíž polarizaci lze otočit přiloženým elektrickým polem. Obrácení směru vektoru spontánní polarizace nazýváme 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). Říkáme proto, že BaTiO3 je tetragonální pseudokubický. Se základní charakteristikou feroelektrik, tj. s možností otočení směru spontánní polarisace, úzce souvisí tyto charakteristické fenomény feroelektrického stavu: • •

hysteresní smyčka, teplotní interval existence feroelektrického stavu, který je shora omezen tzv. Curieho teplotou,

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy • • •

55

vysoká hodnota permitivity a charakteristický její 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 nazýváme ji 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 můžeme 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 kompensují. V praxi je proto u pyroelektrik možné měřit pouze změny spontánní polarizace, dříve než dojde ke kompensaci. Tyto 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

56


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 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], wollastonit Ca2[ Si2O6] 4. Struktura pásová nekonečný dvojitý řetěz aniontů [ Si2O6]4minerály skupiny amfibolů – amfibolové azbesty 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

Obr. 5.5 Ostrůvkové a skupinové struktury křemičitanů


57

5.1.4 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. 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.

58

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně H H │ │ ─ CH2 ─ C ─ CH2 ─ C ─ │ │ R R

při pravidelném střídavém rozmístění – syndiotaktický polymer H R │ │ ─ CH2 ─ C ─ CH2 ─ C ─ │ │ R 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. 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


59

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 krystalické oblasti nelze od sebe oddělit ani fyzikálně ani chemicky. Stupeň krystalinity lze ovlivnit třemi činiteli: 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 -C–O-

60


karbozoplasty - C – N -, příp. - C – N – O karbothioplasty - C – S -, příp. - C – S – O silikony - Si – O E. Klasifikace podle druhu chemických reakcí, kterými vznikly 1. Polykondenzáty 2. Polymery 3. Polyadukty 4. Modifikované plasty získané • mechanickým hnětením s jinými plasty (rázuvzdorný PS a PVC) • roubováním • ozařováním paprsky 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 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, • 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


61

(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 vytvářejí pouze látky o menší molekulové hmotnosti (v důsledku působení rozpouštědla jako přenašeče řetězce.

62


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–Bb) s náhodným sledem -

A–B–B–A–A–A–

3. kopolymery roubované – v tomto případě vytváří 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. 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.


63

Destrukce molekul •

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.

Relace: skladba strukturní – elektrické a fyzikální vlastnosti Strukturní jednotka H R1 │ │ ─C─C─ │ │ H R2 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

polárnost

krystalinita

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

a. - parafinické, naftenické, olefinické b. - transformátorové, kabelové, kondensátorové lněný, dřevný, ricinový olej

3. Tuhé izolanty 3.1 Organické tuhé izolanty 3.1.1 Přírodní nízkomolekulární látky 3.1.1.1 Vosky parafin, ceresin, včelí vosk, zemní vosk (ozokerit)

64


3.1.1.2 Asfalty, bitumeny 3.1.2 Přírodní makromolekulární látky 3.1.2.1 Přírodní pryskyřice šelak, kalafuna, kopály, jantar 3.1.2.2 Vláknité látky na podstatě celulosy 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 porcelán, kamenina, steatitová, forsteritová, spodumenová, kordieritová, mullitová, celsiánová, 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

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy • • •

65

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 1. hledisko struktury, povahy 2. hledisko chemického složení 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 • 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, vínany) • 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) sillimanit a) Soustava Al2O3 – SiO2 kaolinit 2H2O mullit

Al2O3 . SiO2 Al2O3

.

2SiO2

3Al2O3 . 2SiO2

b) Soustava MgO – SiO2

enstatit (klino-) forsterit steatit

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

c) Soustava MgO – Al2O3

spinel

MgO . Al2O3

d) Soustava MgO- Al2O3 – SiO2 kordierit

2MgO . 2Al2O3 . 5SiO2

.

66

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně e) Soustava MgO – TiO2

periklas MgO titaničitan hořečnatý (meta-) rutil anatas brookit

TiO2 TiO2 TiO2

MgO . TiO2

f) Soustava Li2O - Al2O3 – SiO2 spodumen

LiO2 . Al2O3 . 4SiO2

g) Soustava ZrO2 – SiO2

zirkon

ZrO2 . SiO2

h) Soustava R2O - Al2O3 – SiO2

ortoklas (živec draselný) K2O3 . Al2O3 . 6SiO2 albit (živec sodný) Na2O . Al2O3 . 6SiO2 anorthit (živec vápenatý) CaO . Al2O3 . 2SiO2

RO- Al2O3 – SiO2 Minerály -

SiO2 CaCO3 MgCO3 BaSO4 Al2O3

cristobalit, tridymit vápenec magnezit baryt (těživec) korund

5.3.1 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: chrysotil 3MgO . 2SiO2 . 2H2O - kalcinační teplota 400 °C - teplota tavení 1 150 °C Elektrické vlastnosti: vnitřní rezistivita: 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


67

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: • muskovit (Ruby) K2O . 3Al2O3 . 6SiO2 . 2H2O • flogopit (Amber) K2O . 6MgO . Al2O3 . 6SiO2 . 2H2O kalcinační teploty: muskovit 600 °C flogopit 900 °C Elektrické vlastnosti: anizotropní • ε´ 5 – 7,7 • tg δ 10-3 – 4.10-4 • ρv 1012 – 1014 Ωm • Ep 107 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 Slída a slídové výrobky 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

68 • •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně vlastnosti ovlivňuje: druh pojiva (šelak, fenolformaldehydová pryskyřice, modifokovaný 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 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 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


69

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 stavů Poznámka: Definice se vztahuje na skla připravovaná adičním 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 • 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

70


Obr. 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 - krystalizační rychlostí - polohou teplotních oblastí nukleace a krystalizace • Nukleační rychlost −W1

•

−W2

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

(5.29) (5.30)


71

Obr. 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. • 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 Halogenidová skla 2.2.2 Chalkogenidová skla 3. Vícesložková skla 3.1 Oxidová skla 3.2 Bezkyslíkatá skla 3.2.1 Halogenidová skla

72


3.2.2 Chalkogenidová skla 3.3 Směsná skla 3.3.1 Halogenido-oxidová skla 3.3.2 Chalkogenido-oxidová skla 3.3.3 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 hypotéza o mikroheterogenní podstatě skla Struktura oxidových skel • skelná síť – aperiodická mřížka, viz obr. 5.8


73

Obr. 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 ) 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 – více méně 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

74

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 • Odbarviva k dosažení čirosti, průzračnosti arsenik, ledek, burel MnO2 • Kaliva způsobují zákal skla (opalescenci), příčinou je difusní 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. vlastní tavení II. čeření III. 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


•

75

- foukání - lisování - tažení - válcování (tabule se zalisovanou drátovou 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 log η = F (T ) • Vogelova – Fulcherova – Tamannova rovnice B log η = A + (5.31) T − T0 A, B, T0 … konstanty • Viskozitní body vyjadřují dekadický logaritmus dynamické viskozity η (Pa s) 13,5 dolní chladicí teplota Ts 12 12,3 (η = 2.10 Pa s) transformační bod Tg transformační interval 12,0 horní chladicí teplota Ta 7,0 dolní teplota tvarování 3,0 horní teplota tvarování 1,0 teplota tavení • 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 středně tvrdá skla 3 7 • η < 10 ; 10 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

76

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 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 - křemenné sklo 0,55 . 10-6 K-1 - tvrdá skla 3,0 – 5,0 . 10-6 K-1 - měkká skla 8,5 – 11,0 . 10-6 K-1 odolnost skel proti náhlým změnám teplot - křemenné sklo 1 200 K - boritokřemičitá skla 200 – 250 K - alkalická skla 150 K • Elektrické vlastnosti permitivita - dominantní polarizace: iontová relaxační - rozsah permitivit < 3,7; 35 > - ε´= 2,2 ρ (hustota) vnitřní rezistivita - iontový charakter vodivosti - rozsah vnitřních rezistivit 109 – 1015 Ω m - Raschova – Hinrichsenova rovnice b

ρ v = A.e T - 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 (modifikátory) · ztráty relaxační (modifikátory) · ztráty vibrační (modifikátory) · ztráty deformační (skelná síť)

(5.32)


77

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

druhy iontů lehce pohyblivé ionty (Li+, Na+) špatně pohyblivé (K+, Mg++) nepohyblivé ionty (Pb++, Ba++) - přístupy ke snížení dielektrických ztrát · 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 (ε´ ∼ 7 – 8) · boritokřemičitá skla (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 B. skla dlouhá krátká • chemické složení alkalická alkalicko – olovnatá (vysoký index lomu světla) alkalicko – vápenatá (vysoký lesk) hlinito – vápenatá

78

•

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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) • olovnaté sklo Zátavová skla • tvrdá - MoKa (Mo-Kavalier) WoKa kovarové sklo Pyrex (obd. Simax) - v podstatě boritokřemičitan s malým obsahem alkálií •

měkká

- olovnatá

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 VI – VI V – VI IV – VI III – VI

dvojprvková skla v soustavě 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 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


• •

79

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 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 speciálních podmínek. 5.4.3 Speciální skla Speciální skla pro elektrotechniku a elektroniku A. Křemenné sklo B. Skleněná vlákna C. Slinovaná skla D. Zátavová skla a skleněné průchodky 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 Rozdělení slinovaných skel - 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

80


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. 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 bjemové 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) Fotosensitivní skla, která obsahují rovnoměrně dispergované ionty Au, Ag nebo Cu spolu se sensibilisátory (Ce3+, Sn4+ nebo soli Au,Cu) umožňují,po ozáření při určité vlnové délce (300 až 350 nm) a následujícím tepelném zpracování, vyloučení částeček kovu


81

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) Sklokeramické materiály s nízkou nebo nulovou teplotní roztažností. 2) Mechanicky opracovatelné skelně krystalické materiály (fluoroslídy). 3) Chemicky opracovatelné skelně krystalické materiály (Fotoform,Fotoceram). 4) Slinované skelně krystalické materiály. 5) Skelně krystalické materiály s orientovanou mikrostrukturou. 6) 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 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 jsou 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 prvky vysokoteplotních zařízení, vodoznaky, pláště (specifický spektrální prostup) zdrojů vysoké světelné a tepelné intenzity, topné panely, samočistící okna tepelných zařízení, laboratorní nádobí mechanická pevnost, odolnost k teplotnímu kryty radiolokátorů, elektrické izolátory, rázu, speciální elektrické vlastnosti vakuové obaly mechanická pevnost, oděruvzdornost, stavební materiál (obklady stěn pro zvýšený chemická odolnost provoz podlahy, dlažba, sanitární výrobky), nádoby pro roztavené kovy nebo soli, součásti čerpadel pro agresivní kapaliny, trubky a potrubí pro chemický a petrochemický průmysl, kanalizační potrubí vakuové součástky mechanická opracovatelnost, dielektrické elektroizolační vlastnosti, vakuotěsnost, stálost při zvýšené komplikovaných tvarů, šablony, modely, lisovací nástroje, razidla pro plasty, pryž a teplotě kovy, formy

82


tvrdost, oděruvzdornost

ložiska, ventily, břity, součástky textilních strojů, třecí misky, vrchní desky pracovních stolu 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) speciá1ni elektrické vlastnosti, možnost mikroelektronika, izolační vrstvy pro křížení spojení s jiným materiálem plošných spojů, povlaky pro podložky hybridních obvodů, pájky pro elektrotechniku a světelnou techniku feromagnetismus nebo ferimagnetismus, vysokofrekvenční technika nízká elektrická vodivost 5.5 Keramické materiály Keramika je anorganicky 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 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


83

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 2. Pomocné suroviny – vyžaduje technologický postup 1. Hlavní suroviny 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 - 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 - 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)

84 •

•

• •

•

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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

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 úpravárenské 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


85

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 výráběné keramiky, velikosti částic umleté vsázky a na zvolené technologii tváření Tváření surové keramické látky Technologické postupy • běžné způsoby lití do forem obsah plastifikační vody 15 - 40 % plastické tváření – točení, tažení 18 – 25 % vlhké lisování 15 – 20 % suché lisování 4- 8% • způsoby pro žáruvzdornou (nikoli elektrotechnickou) keramiku polosuché lisování 8 – 15 % • 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 Smrštění Sušení polotovarů • cíl operace: odstranění přebytečné vody • surový výrobek se suší na konečnou vlhkost znehodnocení při výpalu (popraskání)

±3–5% ±2–3% ±1–2% 2 ÷ 30 % 1 – 2 % před výpalem, aby se zamezilo

Keramická látka 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

86 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 rozklad uhličitanů vznik nových chemických sloučenin • fázové přeměny 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 kulaté (zastaralý typ) komorové tunelové • předměty se vypalují volně uložené (v tunelových nebo komorových pecích) v šamotových pouzdrech ( v kulatých pecích – ochrana před pecní atmosférou a nečistotami z topeniště • měření teploty termočlánky radiační teploměry = optické pyrometry • indikace teploty 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,


87

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

88


• tmelení • lepení • pájení • zátavy keramiky Systematika keramických materiálů 1. Křemičitá (silikonová) 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. 900 – 1 000 °C II. 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 C. Bezkyslíkatá keramika • karbidy (SiC) • nitridy (BN) • boridy • silicidy • sulfidy • fluoridy


89

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 % lab. 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 (5 až 6) 8,5).10-6 .10-6

součinitel tepelné 10 až 35 140 170 vodivosti (W m-1 K-1) rezistivita (Ωm) modul (MPa)

až 15 až 20 60

108

107

4

3 pružnosti (300 až (300 až3 (60 3až 450.10 3 380).10 310).10 80).10

tvrdost (Mohs) *

> 1012

(1 až 6.10-6 -6 10).10

9

7

7

9

(6,5 až (4,4 až (3,1 až 0,5.10-6 6,8).10-6 5).10-6 3,2).10-6

11.10-6

150 250

10 až 40 0,1

1 až 3

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

107

1011

8 až 9

-

až 90

9

1016

(280 až (70 až (1500 až 3 320).103 72,5).10 200).103 5,5

7

Při této teplotě dochází k rozkladu. 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, 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 fetězců 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 atomu v řetězci jinými atomy nebo skupinami atomu (silikony),

90 •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 j sou tvořeny benzénovými kruhy, spojenými třemi druhy vazeb: izopropylidénovou, éterovou a sulfonovou. Strukturou vysvětlit dobrou odolnost proti oxidaci (atomy síry jsou obsazeny atomy kyslíku, přičemž sulfonová skupina při ti elektrony ze sousedních benzénových kruhů) a odolnost] vysokým teplotám (v důsledku přítomnosti fenylénsulforu a fenylénoxidových skupin). Dobré mechanické vlastnosti podmíněny přítomností éterových a propylidénových skupin. 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, isolační součásti velektrotechnice, osvětlovací tělesa, sterilisovatelné 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,


91

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) = 20 kV mm-1. 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 temoplast. Má velkou pevnost a tuhost. Trvalá stálost za tepla 200°C, použitelnost trvale do 170°C. Konstantní dielektrické vlastnosti ve velkém rozsahu teplot a frekvencí. 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 isolátory, součásti mikrovlnných vařičů, součásti reflektorů, zámky bezpečnostních pásů, součásti velektrotechnice. 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.

92


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 kV mm-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) . 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 neprůřezné rukavice, brzdová obložení), vlákna Nomex (nehořlavé textilie, filtrační a izolační materiály, ochranné oděvy).

SI1IKONY (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 siloxanová skupina ‫׀‬ ‫׀‬ ‫׀‬ R R R 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.


93

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 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.

5.6.7 Plastikářské technologie I. 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 polykondensačním. Polykondensace 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 polykondensační produkty buď se strukturou lineární nebo prostorovou: • •

2 funkční skupiny - látky s lineární strukturou (PA typu Nylon) 3 funkční skupiny - látky s prostorovou strukturou (PF).

Při polykondenzaci se chemické složení konečného produktu liší od složení 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 nebo aminy, vznik polykarbonátů - kondenzací dianů (skupiny dihydroxysloučenin) s fosgenem, vznik epoxidových pryskyřic - kondensací epichlorhydrinu s diany.

Hlavními činiteli, které mají vliv na konečný polykondenzační produkt, jsou:

94 • • •

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně chemické složení a struktura výchozích látek, reakční podmínky (teplota), poměr výchozích složek, přítomnost a druh katalysátorů a způsob odstraňování vedlejších zplodin.

Podle technologie výroby polykondenzačních produktů lze provádět •

polykondenzaci v tavenině v tom případě, kdy výchozí látky jsou stálé při b( uskutečňuje se při 200 – 300 °C v inertní atmosféře s ním ve vakuu, aby bylo možno odstranit vznikající nízkomolekulární látku)

•

polykondensaci v roztoku (lze ji uskutečnit při nízkých teplotách, ale používá se zřídka)

•

polykondenzaci na mezifázovém rozhraní (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. 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 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 jadersouhlasí s počtem elektronů. Technologické procesy polymerace Bloková polymerace probíhá v prostředí samotného 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.


95

Výhodou je snadná ovladatelnost polymeračního pochodu a skutečnost, že neobsahuje zbytky emulgátorů. Emulzní polymerace se provádí ve vodném prostředí za přítomnosti emulgátoru. Jako emulgátory se používají látky, které s vodou vytvářejí koloidní roztoky. Polymerace je iniciátorem rozpustným ve vodě. Polymerace je dobře ovladatelná, avšak výsledné 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 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–Bb) s náhodným sledem -A–B–B–A–A–A3. kopolymery roubované - v tomto případě vytváří řetězec 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 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 monomer. Podmínky pro vznik roubovaných polymerů možno vyvolat např. • • •

působením ionizačního záření na polymery, intenzivním mechanickým mícháním směsi polymerů na hnětacím stroji za zvýšené teploty a za nepřítomnosti kyslíku nebo rozkladem polymerních peroxidů.

II. Plasty - zpracovatelské způsoby A. Úpravy plastů před zpracováním • Hnětení, míchání • Plastifikace

96

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně • • • • •

Želatinace Granulování Tabletování Aglomeráty a suché směsi Dispergace

B. Tvářecí technologie • Vstřikování • Lisování • Vytlačování • Vyfukování • Kalandrování (válcování) • Rotační tváření • Tvarování • Máčení • Potírání • Odlévání • Nanášení • Spojování • Obrábění 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. 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.

b)

zvýšení pevnosti v tahu zvýšení pevnosti v ohybu zvýšení modulu pružnosti v tahu zvýšení pevnosti v ohybu rázem zvýšení tuhosti zvýšení tvrdosti

dosažení vyšší tvarové stability c) dosažení výhodnějších tepelných vlastností

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 1. 2. 3. 4. 5. d) e) f) g) h) i) j)

97

zvýšení tepelné vodivosti zvýšení trvalé tepelné odolnosti zvýšení odolnosti proti žáru zvýšení odolnosti proti tepelným rázům modifikace délkové a objemové roztažnosti

omezení hořlavosti zvýšení chemické odolnosti zmenšení smrštění a zamezení vzniku dutin a prasklin zmenšení nasáklivosti 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 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

a)

b)

Obr. 5.11 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

98


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. Kompozity a zpevnění složené soustavy Jsou-li základním hlediskem při vytváření a využití kompozitů mechanické vlastnosti, je účelné rozlišovat tři základní typy kompozitů: 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.

a)

b)

c)

Obr. 5.12 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)

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. Plniva kaučuků se tradičně dělí na plniva aktivní a neaktivní.


99

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. 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. 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,

100

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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.). 5.11.1 Kapalné izolanty 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 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.

104


Část 6. Speciální výrobní procesy Obsah: 6. 1 Elektronové procesy 6. 2 Iontové procesy 6. 3 Rentgenové procesy 6. 4 Jaderné procesy 6. 5 Laserové procesy 6. 6 Ultraakustické procesy 6. 7 Elektroerozivní 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 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 obr. 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 Wk = qU AK =


105

Obr. 6. 1 Jevy v oblasti dopadu elektronového svazku na objekt

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 je energie vyzářena atomem buď ve formě tepelné energie nebo kvanta záření. 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 í r max = q U AK

(6. 3)

106


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[−ì(ë) x] , (6. 4) 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 obr. 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.


107

Obr. 6. 2 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 , (6. 6) Zñ kde A je atomová hmotnost kovu, U je urychlovací napětí, Z je atomové číslo kovu a ρ je měrná hmotnost kovu. h e = 1,47.10 −11 ⋅

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. h e ≈ 2,1.10 −11 ⋅

U2 , ñ

[10 kV ≤ U ≤ 100 kV]

(6. 8)

5

U3 h e ≈ 6,67.10 −10 ⋅ , ñ he ≈

(6. 7)

[100 kV ≤ U ≤ 1 MV]

1 (5,1.10 -6 U - 2,6) , [U ≥ 1MV] ñ

(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. Výkon a hustota výkonu elektronového svazku. Důležité parametry, které ovlivňují daný technologický proces, jsou zejména výkon elektronového svazku N0, plošná hustota

108


výkonu NS, měrný objemový výkon NV, urychlující napětí U a průměr svazku v místě dopadu na materiál ds . Tyto veličiny lze vypočítat ze vztahů Is

N 0 = U Is , je proud elektronového svazku NS =

kde

N 0 U IS 4 U IS = = = U je , SS SS π d S2

(6. 10)

(6. 11)

Ss je průřez svazku v místě dopadu na materiál je je plošná hustota proudu elektronového svazku

N 0 ça U je = , V he Dosadíme-li do (6. 12) za he např. vztah (6. 7), obdržíme NV =

(6. 12)

je , (6. 13) U 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 obr. 6. 3 jsou naznačeny oblasti nejdůležitějších procesů elektronové technologie a jsou zde uvedeny i typické hodnoty urychlovacích napětí a průměru elektronového svazku. NV ≈

Obr. 6. 3 Nejdůležitější procesy elektronové technologie a jejich základní parametry 6. 1. 3. 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


109

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 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

(6. 14)

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 − , kT  

(6. 15)

 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 , kde S je účinná plocha katody.

(6. 17)

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 obr. 6. 4. Pro vyšší hodnoty proudu se používají nepřímo žhavené katody.

110


a) Obr. 6. 4 Základní konstrukce katod a) přímo žhavená katoda z wolframového drátu b) přímo žhavená katoda pásková 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 obr.6. 5. Takový zdroj může pracovat v rozsahu tlaků 100 až 102 Pa. Při tomto tlaku vzniká vysokonapěťový doutnavý výboj mezi anodou a pomocnou Obr. 6. 5 Principiální schéma elektrodou. V oblasti anody vzniká plazma, která zdroje elektronového svazku se je zdrojem kladně nabitých částic - iontů. Mezi studenou katodou. anodou a katodou existuje elektrické pole dané 1 - studená katoda, 2 - anoda, urychlovacím napětím v rozmezí 103 do 105 V. Je3 - pomocná elektroda, likož katoda je vůči anodě na záporném potenciálu, 4 - plazma, 5 - elektronový svazek 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


111

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 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 obr. 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 Obr. 6. 6 Uspořádání výkon elektronového svazku. Toto elektrické pole však elektronové trysky s termůže sloužit i k prvotní fokusaci svazku, jak bude uvedeno mickou katodou. dále. Nedílnou součástí elektronové trysky bývá K - katoda, ŘE - řídicí magnetická čočka, která umožňuje převést koncentrovaný elektroda, I - izolátor, svazek na větší vzdálenosti a zaostřit svazek v místě A - Anoda, dopadu na předmět do kruhové stopy o požadovaném F - fokusační cívka, průměru. Pro řízení místa dopadu elektronového svazku na V - vychylovací cívka, povrchu obráběného předmětu slouží soustava P - předmět vychylovacích cívek. Na obr. 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 obr. 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.

112


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 napařovací aparatury využívající elektronového svazku k Obr. 6. 7 Princip odpařovacího zařízení ohřevu materiálu je zřejmý z obr. 6. 7. elektronovým svazkem Elektronový svazek je přiveden do 1 - elektronová tryska se zaostřovacím syspracovní komory a v magnetickém poli témem, 2 - elektronový svazek, 3 - vodou je otočen o 90°. Tím se zabraňuje chlazený kelímek, 4 - mechanická uzávěrka přístupu par do prostoru trysky. par, 5 - tok par, 6 - podložka, 7 - zařízení pro Elektronový svazek je zaostřen na ohřev podložky, 8 - vývod pro vakuový systém 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 obr. 6. 8. Vhodným uspořádáním lze realizovat zařízení k napařování vrstev různého složení, k vytváření slitin kovů, k napařování velkoplošných materiálů atp. Některé možnosti jsou uvedeny na obr. 6. 9.


a)

b)

113

c)

d)

Obr. 6. 8 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

Obr. 6. 9

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

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 obr. 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. Jak bylo řečeno, lze realizovat řadu variant, z nichž některé typické jsou uvedeny na obr. 6. 11. 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

114


106 W. Jsou realizována metalurgická zařízení umožňující tavbu ingotů až do hmotnosti 20 t s elektronovými tryskami s výkonem od 5 do 10 MW. 6. 1. 4. 3 Svařování materiálů

Obr. 6. 10 Princip zařízení pro tavení pomocí elektronového svazku. ET - elektronová tryska, PM přetavovaný materiál CH - chladič, I – ingot

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. 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

Obr. 6. 12 Protavování elektronového svazku do materiálu při různých hodnotách plošné hustoty výkonu oblasti způsobí 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).


115

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

Sublimace

odběr materiálu, rytí, řezání

diamant, grafit, křemenné sklo

Rozložení na těkavé komponenty


celulóza, syntetické materiály, keramika

Rozložení na tuhé komponenty


GaAs, GaP

Tavení

mikrosvařování, leštění, legování, odběr odtavením

kovy, křemík, germanium, keramika

Vypařování


kovy, dielektrika, materiály

Rázová vlna

rozrušování materiálu

keramika, kámen

syntetické

116


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. Primární etapa reakcí - při interakci s rychlými elektrony může dojít k ionizaci, vybuzení molekul disociaci spojené s uvolněním elektronu 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. 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 obrábění materiálů.

k

- 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


117

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 obr. 6. 13. 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. Obr. 6. 13 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 obr. 6. 14. Jedná se o relativně vysokoproudový zdroj se širokým svazkem, který lze upravit iontovou optikou. Může ionizovat i rozprášené látky z pomocné katody. Obr. 6. 14 Freemanův zdroj iontů A - anoda K - katoda, EE - extrakční elektrody, IS - iontový svazek, P - plazma

118


6. 2. 1. 4 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 obr. 23. 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, 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. 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, Obr. 6. 15 Kaufmanův zdroj iontů. na který iontový svazek dopadá A – anoda, K - katoda, SE - stínící elektroda, provádí se tzv. neutralizace EE - extrakční elektroda, B - magnetické pole iontového svazku injekcí elektronů o indukci B, IS - iontový svazek do svazku zpravidla z přímožhavené pomocné katody. 6. 2. 1. 5 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.


119

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. 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.

120


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 obr. 6. 16.

Obr. 6. 16 Základní typy suchého leptání a) fyzikální, b) chemický, c) chemicko-fyzikální, d) fotochemický


121

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 obr. 6. 17. Obr. 6. 17 Typická závislost intenzity rentgenového záření na vlnové délce U spojitého spektra je nejkratší vlnová délka obsažená ve spektru dána energií dopadajícího elektronu: ëmin =

h c 1,239.10 −6 = , qU U

(6. 18)

Maximální intenzita záření se ve spektru objeví asi při 60 % energie svazku hc 2,065.10 −6 = , 0,6 q U U h je Planckova konstanta, c je rychlost světla, q je náboje elektronu, U je urychlovací napětí. λ Imax =

kde

(6. 19)

Pro stanovení intenzity rentgenového záření při zvolené vlnové délce neexistuje matematické vyjádření a průběh dle obr. 6. 17 se stanovuje experimentálně. Existuje však Pr = 1,69.10 −8 I Z U 1,75 , kde

I Z U

Pr = 3.10-6 I Z U1,75 [W, mA, kV], je proud elektronového svazku je atomové číslo látky na kterou dopadl elektronový svazek je urychlovací napětí.

(6. 20) (6. 21)

122


Prochází-li rentgenové záření látkou, dochází k absorpci záření. Intenzitu prošlého záření látkou určíme ze vztahu: kde

Io α(λ) x

I r = I 0 exp [− α(λ ) x ], je intenzita rentgenového záření dopadající na povrch látky je lineární absorpční koeficient závislý na vlnové délce záření je souřadnice orientovaná od povrchu látky ve směru záření

(6. 22)

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 paměť. Vyrábí se kabely s izolací ze silikonového kaučuku vulkanizovaného pomocí záření. Rychlý rozvoj zaznamenávají radiační technologie při vytvrzování tenkých vrstev.


123

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 obr. 42. 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. Obr. 6. 18 Prostor trysky a pracovní komora jsou odděleny Principiální schéma rentgenového okénkem z berylia. litografu. Vlnová délka rentgenového záření hraje nejen ET - elektronová tryska, Be - beryliroli v otázce Kontrastu masky, ale i rozlišovací ové okénko 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 obr. 6. 18. Malé tloušťky membrán o extrémních hodnotách 0,1 až 0,4 µm lze realizovat odleptáním základního nosiče na malých ploškách asi 2x2 mm.

124


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

Obr. 6. 19 Typická konstrukce masky pro rentgenovou litografii

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 Obr. 6. 20 Rezisty pro rentgenovou a materiálu z vnějšku, ale vzniká v procesu ozáření elektronovou litografii. materiálu z atomů základního polovodiče. PMMA - polymetylmetakrylát, P(MMAJadernými reakcemi se nazývají děje, při MA) - kopolymer metylmetakrylátu a kterých urychlená částice (střela) zasáhne jádro kyseliny metakrylátové, FBM -1 – poly (terčík) a po splnění určitých podmínek může (2,3,3,3-tetrafluorpropyImetakrylát), způsobit jeho změnu. Vzniká nové jádro PGMA - polyglycidylmetakrylát, (produkt) a obecně jiná částice. Při vniknutí neP(GMA-EA) - kopolymer glycidylu utronu do jádra přináší každý neutron do jádra metakrylátu a etylakrylátu, EPB energii rovnou své kinetické energii a vazbové epoxidizovaný polybutadien 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. 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.


125

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 14

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 Si 30 + 0 n 1 → 14 Si 31 + 0 γ 0 (6. 23) 31 Radioaktivní izotop křemíku 14Si se dále rozpadá za vzniku stabilního fosforu při emisi elektronu 14

14

Si 31

4

≈ 10 s τ →

15

P 31 +

-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. 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

126


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

- barvivové roztoky (např. rhodanin)

- Plynové

- 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 6. 5. 2 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 kde

(6. 25)

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


127

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. Nejjednodušší kvantový systém, u kterého můžeme dosáhnout inverzní populaci pomocí vnějšího pole, je systém tříhladinový. Schematicky je zobrazen na obr. 6. 21. 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

Obr. 6. 21 Tříhladinový laserový systém. 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

Obr. 6. 22 Čerpání laseru s aktivním prostředím v tuhé fázi

128


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 obr. 6. 22. 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 obr. 6. 23.

Obr. 6. 23 Čerpání laseru s aktivním prostředím v plynné fázi

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. 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 , kde

I0 α β L

(6. 26)

je intenzita záření vstupující do systému je koeficient charakterizující zesílení na jednotkové délce je koeficient charakterizující ztráty na jednotkové délce je délka sledovaného úseku aktivního prostředí.

Zesílení intenzity záření rovno I = exp(α − β) L > 1, (6. 27) I0 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 Z=


129

systém je tzv. Fabry-Perotův interferometr s rovinnými zrcadly, jak je naznačeno na obr. 6. 24. 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 %. 6. 5. 2. 2. 3 Charakteristika laserového svazku Důležitým parametrem laserového zářeni je monochromatičnost, která je určena šířkou spektrální čáry laseru. U Obr. 6. 24 Rezonanční systém laseru jednofrekvenčního laseru za běžných podmínek lže naměřit šířku čáry asi 10 kHz. Ve speciálním případě byla naměřena šířka čáry He-Ne laseru na vlnové 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

130


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. 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 Laserové leptací technologie Mechanismus 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).


131

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. 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. 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.

Obr. 6. 25 Systém GTL laseru s předionizací metoda SAGE

132


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 obr. 6. 25. 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 obr. 6. 26.

Obr. 6. 26 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 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 obr. 6. 27. Typické pro takové uspořádání je svazek, jehož řez má tvar prstence.


133

Obr. 6. 27 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 obr. 6. 28. 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.

Obr. 6. 28 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.

134


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.

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 kmitočet od 20 Hz do 20 kHz kmitočet nad 20 kHz do l GHz kmitočet vyšší než l GHz

-

infrazvuk akustické pásmo (slyšitelné) ultrazvuk hyperzvuk


135

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 ∂ 2 u(t, x) ∂ 2 u(t, x) , = v ∂x 2 ∂t 2 jejíž partikulární řešení pro rovinnou vlnu je rovnice pro harmonický pohyb

(6. 28)

 x u(t, x) = Y sin ω  t −  v 

(6. 29)

u(t, x) = Y sin (ω t - ϕ ) ,

(6. 30)

resp. 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 va =

du(t, x) = ω Y cos (ω t - ϕ ) , dt

(6. 31)

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 T=

1 , f

(6. 33)

Jestliže se akustická vlna šíří prostředím rychlostí v , platí mezi délkou vlny λ, periodou T a kmitočtem f vztah λ = vT=

v , f

(6. 34)

Délku vlny můžeme definovat vždy jak při spojitém vlnění, tak i pro impulsy, kdy se v určitém časovém intervalu opakuje alespoň několik period kmitů.

136


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 kde

∂u(t, x) ∂x

= ps ± ω

K x  Y cos ω  t −  , v v 

(6. 35)

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)

Za = ρ v ,

(6. 39)

kde

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

(6. 40)

Za předpokladu platnosti vztahu Ns =

F va S va  x = pa = p a v s = Z a ω 2 Y 2 cos ω  t -  , S S  v

(6. 41)

obdržíme I=

1 ρ v ω 2 Y2 , 2

(6. 42)

I=

1 1 1 Pa2 1 Z a Y 2 ω 2 = Za V 2 = = Pa V , T 2 2 Za 2

(6. 43)

resp.


137

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. Pef =

P 2

,

Vef =

V 2

(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 obr. 6. 29 jsou znázorněny dva případy šíření akustické vlny.

Obr. 6. 29 Odraz a lom akustické vlny na rozhraní různých látek Na obr. 6. 29 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

138


vlna příčná (transverzální) T pod úhlem βT. Na obr. 6. 29 b) je naznačena situace, kdy podélná vlna L přichází z prostředí tuhé látky. Zpět do tohoto 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 , sin β L v 2L

(6. 46)

resp.

kde

sin α L v1L LT = = n 12 , (6. 47) sin β T v 2T 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 sin β m =

1 , n 12

(6. 48)

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 = = = , v1L v 2T v1T v 2L

(6. 50)

kde symbolika je obdobná jako na obr. 6. 29. 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 výsledek interference vlnění. Kolmý dopad ultrazvukové vlny na rozhraní dvou prostředí je znázorněn na obr. 6. 30. 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:

Obr. 6. 30 Kolmý dopad ultrazvukové vlny na rozhraní dvou prostředí

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy  A  p a = Pa sin ω  t -  = ρ1 v1 v a ,  v1 

139

(6. 51)

 A  p a1 = Pa1 sin ω  t -  = - ρ1 v1 v a1 ,  v1 

(6. 52)

 A p a2 = Pa2 sin ω  t  v2

(6. 53)

  = - ρ 2 v 2 v a2 , 

S přihlédnutím k obr. 6.30 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 R=

Pa1 ρ 2 v 2 - ρ1 v1 1- m = = , Pa ρ1 v1 + ρ 2 v 2 1+ m

(6. 54)

m=

ρ1 v1 ρ2 v2

(6. 55)

kde

,

Část vlnění současně projde do druhého prostředí a tato skutečnost je charakterizována součinitelem průchodu D Pa2 2 ρ1 v1 2 = = , Pa ρ1 v1 + ρ 2 v 2 1+ m Mezi součinitelem odrazu a průchodu akustických tlaků platí vztah D=

(6. 56)

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 K χp = , ρ ρ K je modul objemové pružnosti, ρ je hustota, p je tlak, χ je poměr měrných tepel (Poissonova konstanta) vp =

kde

(6. 58)

Při nevelkých změnách teplot a tlaků lze vyjádřit závislost šíření ultrazvukové vlny v plynu jako funkci teploty vztahem vp = kde

χ p0 + bϑ = v p0 + bϑ = v p0 (1 + b ′ϑ ) , ρ0

po je počáteční tlak při 0 °C,

(6. 59)

140

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 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 ) , kde

(6. 60)

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 vk = kde

γi γa χ

1 χ , = γaρ γiρ

(6. 62)

je izotermická stlačitelnost, je adiabatická stlačitelnost, 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 )] , kde

(6. 63)

ϑo je referenční teplota, b, b´ je absolutní, resp. relativní teplotní součinitel

6. 6. 2. 2. 3 Šíření ultrazvuku v tuhých látkách 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 ) 

E je Youngův modul pružnosti v tahu, µ je Poissonovo číslo.

V prostředí, kde jsou jeden nebo dva rozměry ohraničeny (např. deska), platí:

(6. 64)


vL =

141

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) kde

(6.68)

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 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 Přehled ultrazvukových měničů Druh měniče Aerodynamické generátory

píšťaly sirény

Hydrodynamické generátory Elektromagnetické Elektrodynamické Elektrostatické Magnetostrikční Elektrostrikční Piezoelektrické 6. 6. 3. 1 Magnetostrikční ultrazvukové měniče

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

142


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 obr. 90a. Jak plyne z obr. 90b, 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 obr. 6. 31.

Obr. 6. 31 Okénkový magnetostrikční měnič

Obr. 6. 32 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


143

pole. Závislost deformace na intenzitě elektrického pole při elektrostrikci a při piezoelektrickém jevu je naznačena na obr. 6. 33 a) , resp. 6. 33 b).

Obr. 6. 33 Závislost deformace látky na intenzitě elektrického pole a) při elektrostrikci b) při piezoelektrickém jevu 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 obr. 6. 34.

144


Obr. 6. 34 Piezoelektrické ultrazvukové měniče a) půlvlnný měnič b) čtvrtvlnný měnič c) složený měnič Pro kmitočtový rozsah 200 kHz až 5 MHz se nejčastěji používá módu tlouštkově-podélných 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 obr. 6.35.

Obr. 6. 35 Oboustranně vyzařující měnič Je třeba říci, že takové uspořádání se používá jen výjimečně a častěji se používá jednostranně vyzařujícího měniče, jehož principiální uspořádání je na obr. 6. 36. 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 Obr. 6. 36 Jednostranně vyzařující měnič 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. Pro kmitočtové pásmo 10 kHz až 100 kHz je typické uspořádání měniče typu "sandwiche" naznačené na obr. 6. 37. 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


145

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 obr. 6. 38. 6. 6. 4 Akustické transformátory 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 obr. 6. 39.

Obr. 6. 37 Měnič typu "sandwiche"

Obr. 6. 38 Průběh deformace v keramice namáhané střídavým elastickým napětím a) bez předpětí b) s tlakovým předpětím

146

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 6. 39 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 = , 2A ρ 2A

(6. 69)

A=

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. 5

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 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


147

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 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.

Obr. 6. 40 Princip ultrazvukového vrtání

Při opracovávání tvrdých materiálů se používá obrábění ultrazvukovými vibracemi. Podstata vrtání je zobrazena na obr. 6. 40. 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. Obr. 6. 41 Princip svařování plastů

148


Spojování dvou kovů pomocí ultrazvuku našlo uplatnění i v mikroelektronice při tzv. kontaktování. Používají se dvě metody, a to "Thermosonic" (TS) a "Ultrasonic" (US).

Obr. 6. 42 Ultrazvukové kontaktování

Obr. 6. 43 Ultrazvukové kontaktování

a) uspořádání pro metodu "Thermosonic" b) zvětšený detail sonotrody

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.


149

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 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.

150


4) Ochlazuje elektrody. Proces eroze si můžeme znázornit pomocí obr. 6. 44, 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. Obr. 6. 44 Charakteristika elektrických impulsů l - výbojový kanál, 2 - plynová zóna, 3 - roztavená oblast na elektrodách, 4 - roztavené částice kovu, 2. 1 Charakteristika 56.- 7. částice ochlazeného kovu v kapalině V procesu elektroeroze hraje velmi důležitou roli charakter elektrických impulsů. Z toho důvodu je nutné definovat si některé základní pojmy. Na obr. 68 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. Obr. 6. 45 Tvary elektrických impulsů 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


q=

T , ô

151

(6. 71)

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. f=

1 1 = T qô

(6. 72)

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 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 6. 3. Jestliže vezmeme za základ elektroerozívní obrobitelnost oceli, bude poměrná obrobitelnost ostatních kovů dle zmíněné tabulky.

152


Tabulka 6.3 Kov

Poměrná obrobitelnost

Kov

Poměrná obrobitelnost

hořčík hliník měď ocel

6,0 4,0 1,1 1,0

nikl titan molybden wolfram

0,8 0,6 0,5 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. 6. 7. 3 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 obr. 6. 46. Obr. 6. 46 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 obr. 6. 47 a, b, c, d. Generátory zobrazené na obr. 6. 47 a, b mohou mít ještě celou řadu modifikací podle kombinace prvků RLC jako např. RLCL, RCR, RCL, LRC, LC atp.


153

Obr. 6. 47 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 obr. 6. 48. 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.

154


Obr. 6. 48 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.


155

Pro ilustraci jsou na obr. 6. 49 schematicky znázorněny některé operace při použití výše uvedených technologiích.

Obr. 6. 49 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.

156


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. Jako nevýhodné se ukazuje relativně malá obráběná plocha, velká zóna teplotního vlivu (velký ohřev celého obrobku) a rozstřik roztaveného kovu.

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy

Recommend Documents