Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta elektrotechniky a informatiky

Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Karel Witas Autor textu: Karel Witas

Ostrava 2014

Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

Autor

Ing. Karel Witas

Název

Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Vydavatel

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba

Počet stran

92

Vydání

první

Rok vydání

2014

Náklad

elektronicky

Neprodejné Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.

ISBN 978-80-248-3567-9

Obsah 1

ÚVOD ................................................................................................................................. 1

2

PŘEHLED ELEMENTÁRNÍCH PRVKŮ A JEJICH VYUŽITÍ V ELEKTROTECHNICE .................................................................................................... 2 2.1 MATERIÁLY S DOBROU ELEKTRICKOU VODIVOSTÍ ........................................................... 2 2.1.1 Měď – Cuprum – Cu .................................................................................... 2 2.1.2 Hliník – Aluminium - Al ............................................................................... 4 2.2 UŠLECHTILÉ KOVY ........................................................................................................... 6 2.2.1 Zlato – Aurum - Au ...................................................................................... 6 2.2.2 Stříbro – Argentum - Ag............................................................................... 7 2.2.3 Platina – Platinum – Pt ............................................................................... 8 2.2.4 Rhodium – Rhodium – Rh ............................................................................ 9 2.2.5 Palladium – Palladium - Pd ........................................................................ 9 2.2.6 Osmium – Osmium - Os ............................................................................. 10 2.2.7 Iridium – Iridium - Ir ................................................................................. 11 2.3 KOVY SKUPINY ŽELEZA ................................................................................................. 11 2.3.1 Železo – Ferrum - Fe ................................................................................. 11 2.3.2 Kobalt – Cobaltum – Co ............................................................................ 13 2.3.3 Nikl – Niccolum -Ni ................................................................................... 14 2.3.4 Chróm – Chromium - Cr ............................................................................ 16 2.3.5 Mangan – Manganum – Mn....................................................................... 16 2.4 TĚŽKÉ NÍZKOTAVITELNÉ KOVY ...................................................................................... 17 2.4.1 Zinek – Zincum - Zn ................................................................................... 17 2.4.2 Kadmium – Cadmium – Cd........................................................................ 17 2.4.3 Rtuť – Hydrargyrum - Hg .......................................................................... 18 2.4.4 Galium – Gallium – Ga ............................................................................. 19 2.4.5 Indium – Indium – In ................................................................................. 20 2.4.6 Cín – Stannum – Sn .................................................................................... 20 2.4.7 Olovo – Plumbum – Pb .............................................................................. 21 2.4.8 Antimon – Stibium - Sb .............................................................................. 22 2.4.9 Bismut – Bismuthum – Bi ........................................................................... 22 2.5 VYSOKOTAVITELNÉ KOVY ............................................................................................. 24 2.5.1 Titan – Titanium - Ti .................................................................................. 24 2.5.2 Zirkonium – Zirkonium - Zr ....................................................................... 25 2.5.3 Niob – Niobium - Nb .................................................................................. 26 2.5.4 Molybden – Molybdaneum - Mo ................................................................ 27 2.5.5 Tantal – Tantalum - Ta .............................................................................. 27 2.5.6 Wolfram – Wolframium – W ...................................................................... 28 2.6 ALKALICKÉ KOVY .......................................................................................................... 30 2.6.1 Lithium – Lithium - Li ................................................................................ 30 2.6.2 Sodík – Natrium – Na................................................................................. 30 2.6.3 Cesium – Caesium – Cs ............................................................................. 31 2.7 KOVY ALKALICKÝCH ZEMIN .......................................................................................... 32 2.7.1 Baryum – Baryum -Ba ............................................................................... 32 2.8 NEZAŘAZENÉ KOVY ....................................................................................................... 33 2.8.1 Beryllium – Beryllium - Be ........................................................................ 33 2.9 POLOKOVY .................................................................................................................... 34 2.9.1 Křemík – Silicium - Si ................................................................................ 34

Germanium – Germanium - Ge ................................................................. 36 Arsen – Arsenicum – As ............................................................................ 38 Tellur – Tellurium - Te .............................................................................. 39 2.10 NEKOVY ........................................................................................................................ 40 2.10.1 Vodík – Hydrogenium – H ......................................................................... 40 2.10.2 Uhlík – Carboneum - C ............................................................................. 41 2.10.3 Dusík – Nitrogenium – N ........................................................................... 42 2.10.4 Kyslík – Oxygenium – O ............................................................................ 44 2.10.5 Fosfor – Phosphorum – P ......................................................................... 44 2.10.6 Selen – Selenium - Se ................................................................................ 45 2.11 VZÁCNÉ PLYNY ............................................................................................................. 46 2.11.1 Helium – Helium - He ............................................................................... 46 2.11.2 Neon – Neon - Ne ...................................................................................... 46 2.11.3 Argon – Argon - Ar.................................................................................... 47 2.11.4 Krypton – Krypton - Kr ............................................................................. 48 2.11.5 Xenon – Xenon - Xe ................................................................................... 48 2.9.2 2.9.3 2.9.4

3

PŘEHLED MATERIÁLŮ PODLE POUŽITÍ ..............................................................49 3.1 MATERIÁLY PRO VODIČE ............................................................................................... 49 3.1.1 Vedení vysokofrekvenčního elektrického proudu ...................................... 50 3.2 ODPOROVÉ MATERIÁLY................................................................................................. 50 3.2.1 Odporové materiály pro rezistory ............................................................. 51 3.2.2 Odporové materiály pro měniče elektrické energie na teplo .................... 52 3.2.3 Konstrukce rezistorů pro elektroniku ........................................................ 52 3.3 MATERIÁLY PRO KONTAKTY ......................................................................................... 53 3.3.1 Vlastnosti kontaktních materiálů ............................................................... 53 3.3.2 Přehled materiálů pro kontakty................................................................. 53 3.4 MATERIÁLY PRO PÁJKY ................................................................................................. 55 3.4.1 Měkké pájky ............................................................................................... 56 3.4.2 Tvrdé pájky z těžkých kovů ........................................................................ 56 3.4.3 Měkké a tvrdé pájky pro lehké kovy .......................................................... 58 3.4.4 Pájky neobsahující těžké kovy ................................................................... 58 3.5 MAGNETICKÉ MATERIÁLY ............................................................................................. 59 3.5.1 Magnetické materiály měkké ..................................................................... 59 3.5.2 Magnetické materiály tvrdé ....................................................................... 60 3.6 MATERIÁLY PRO ODVOD TEPLA ..................................................................................... 60 3.7 KONSTRUKČNÍ MATERIÁLY ........................................................................................... 62 3.8 MATERIÁLY PRO VAKUOVOU TECHNIKU ....................................................................... 62 3.8.1 Kovy pro vakuum ....................................................................................... 63 3.8.2 Sklo pro vakuum ........................................................................................ 63 3.8.3 Keramika pro vakuum ............................................................................... 64 3.8.4 Organické materiály pro vakuum .............................................................. 64 3.9 POLOVODIČOVÉ MATERIÁLY ......................................................................................... 64 3.9.1 Elementární polovodiče............................................................................. 65 3.9.2 Polovodiče jako sloučeniny typu AIIIBV ..................................................... 66 3.9.3 Polovodiče jako sloučeniny typu AIIBVI ..................................................... 68 3.9.4 Polovodiče jako sloučeniny typu AIBVII ..................................................... 71 3.9.5 Polovodiče jako sloučeniny typu AIVBVI .................................................... 71 3.9.6 Polovodiče jako sloučeniny typu A3IIB2V ................................................... 72 3.9.7 Polovodiče jako sloučeniny typu A2VB3VI a A2IIIB3VI.................................. 72

3.9.8 4

Polovodiče jako sloučeniny typu AIVBIV ..................................................... 72

PLASTY V ELEKTROTECHNICE A ELEKTRONICE........................................... 73 4.1 TERMOPLASTY ............................................................................................................... 73 4.1.1 Polyetylen (PE) .......................................................................................... 73 4.1.2 Polypropylen (PP) ..................................................................................... 74 4.1.3 Polystyren (PS) .......................................................................................... 76 4.1.4 Vinylové polymery (PVC, PVAC, PVA) ..................................................... 76 4.1.5 Akrylové polymery (PAA, PMMA – plexisklo)........................................... 78 4.1.6 Polyuretany (PUR) .................................................................................... 79 4.1.7 Polykarbonáty (PC) ................................................................................... 80 4.1.8 Polyamidy (PA) .......................................................................................... 81 4.1.9 Polytetrafluoretylen (PTFE - teflon).......................................................... 83 4.1.10 Polyimidy (PI) ............................................................................................ 85 4.2 REAKTOPLASTY ............................................................................................................. 85 4.2.1 Fenoplasty (PF) ......................................................................................... 85 4.2.2 Epoxidové pryskyřice (EP) ........................................................................ 86 4.2.3 Polyestery (UP).......................................................................................... 87 4.2.4 Organokřemičité polymery – silikony (SI) ................................................. 88

Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

1

1 Úvod Předkládaná skripta podávají přehled nejdůležitějších materiálů a technologií využívaných v elektrotechnice a dalších příbuzných oborech. Všímají si výroby nejen elektronických součástí, ale i větších elektronických celků. Vzhledem k současnému stavu techniky se však jedná o velmi stručný výtah. I když se skripta zaměřují především na vlastnosti materiálů, neopomíjejí diskuzi nad některými fyzikální principy. Skripta jsou věnována kurzu Technologie elektronických zařízení, nicméně najdou uplatnění i v dalších předmětech podobného zaměření. Látka je rozdělena na tři hlavní částí. V první části jsou probírány základní chemické prvky, jejich fyzikální parametry, chemické vlastnosti a typické aplikace. Zmiňována jsou rovněž některá zdravotní rizika, která zpracování a používání prvků doprovází. Prostudováním první části skript čtenář získá základní představu o elementárních prvcích s možností jejich vzájemného porovnání. Druhá část skript sleduje materiály podle konkrétního zaměření. Hlavní podíl zaujímají slitiny a sloučeniny, jejichž vlastnosti často překonávají vlastnosti výchozích elementárních prvků. Mezi důležitou část elektrotechnických materiálů rovněž patří organické sloučeniny - plasty. I když se jedná o umělé materiály, jejich vlastnosti jsou pozoruhodné a jen těžce se nahrazují materiály přírodními. V elektrotechnice se uplatňují jako izolanty a konstrukční materiály. Plastům je věnována závěrečná část. Přáním autora je, aby se skripta staly užitečným průvodcem v labyrintu elektrotechnických materiálů a aby rovněž posloužily jako odrazový můstek k dalšímu hlubšímu studiu. Jakékoli postřehy k probírané látce je možné zasílat na [email protected].

FEI Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava

2

2 Přehled elementárních prvků a jejich využití v elektrotechnice 2.1 2.1.1

Materiály s dobrou elektrickou vodivostí Měď – Cuprum – Cu

Jedná se o základní prvek v elektrotechnice. Vyznačuje se velmi dobrou elektrickou i tepelnou vodivostí, tak jak ukazuje Tab. 1. Tab. 1: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání mědi. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.01678 (při 20 °C) 395 8.96 1084.6

Je to ušlechtilý, měkký, tažný kov načervenalé barvy. Za běžných podmínek je měď stálá, za vyšších teplot reaguje s řadou nekovů, jako je např. síra nebo selen. Nereaguje s vodou, nicméně za přítomnosti atmosférické vlhkosti a oxidu uhličitého tvoří zásaditý produkt zelené barvy CuCO3.Cu(OH)2 zvaný měděnka. Ten ji účinně chrání proti další korozi. V žáru plamene reaguje s O2 tak, že na povrchu vzniká černý CuO a pod ním vrstva červeného Cu2O. Oxid měďnatý CuO představuje druhý oxidační stupeň. Měď je v tomto oxidačním stupni nejstabilnější. Měď je dobře tvářitelná za tepla i studena. Lze ji spojovat pájením i svařováním. Měď s potlačeným obsahem kyslíku nese označení Cu OFHC (Oxygen Free High Conductivity). Snížení obsahu kyslíku se dosahuje tavením a odléváním ve vakuu nebo v ochranné atmosféře. Obsah kyslíku bývá pod 0.003 %. Měď tohoto typu netrpí vodíkovou nemocí (Cu2O + H2 → 2 Cu + H2O) a je vhodná pro použití ve vakuu (odplyňování ve vodíkové atmosféře). Použití mědi: Dobré elektrické a teplené vodivosti mědi se využívá při výrobě vodičů, fólií desek plošných spojů a chladičů. Měď se rovněž používá v mikroelektronice. Jednou z oblastí je tvorba metalizačních vrstev. Zatímco hliníkové vrstvy se nanášely naprašováním, měděné vrstvy se nanášejí galvanicky. Kontaktní plošky je ale nutné opatřit vrstvou NiPd pro zajištění spolehlivého spoje. Další aplikací mědi jsou drátky pro kontaktování čipů. Oproti zlatým drátkům jsou levnější. Používá se buď čistá měď, nebo měď potažená palladiem. Měď je dále součástí mnoha pájek a slitin. O těch se rozvádí následující kapitoly. 2.1.1.1 Mosaz Jedná se o slitinu mědi Cu a zinku Zn. Mosazi pro výrobu šroubů a jiných soustružnických součástek obsahují přibližně 58 % mědi (Ms 58), ale často se legují olovem (Ms 58 - Pb ). Olovo se přidává v množství 1 až 3 % za účelem zlepšení obrobitelnosti. Hlubokotažné mosazi mívají obsah mědi okolo 70 % (Ms 70). Mosazi s obsahem mědi vyšším než 80 % (Ms 80, Ms 85, Ms 90, Ms 96) jsou tzv. tombaky. Těch se využívá v elektrotechnice (objímky žárovek, části vypínačů, elektroinstalační materiál) nebo např. ve


3

zbrojním průmyslu při výrobě nábojů. Díky vysokému obsahu mědi jsou měkké a zabraňují tak opotřebení hlavně. Dále je mědi využíváno při výrobě pájek (Ms 54 – tvrdá pájka s teplotou tavení 750°C). 2.1.1.2 Cínový bronz Maximální obsah cínu je 33 %. Pokud se jedná o cínové bronzy pro technické využití, obsah cínu je nižší. Měrný elektrický odpor cínového bronzu je vysoký, za nárůst může právě přítomnost cínu. U bronzů s 5 % obsahem cínu je asi 0.1 Ωmm2m-1, u bronzů s 15 % obsahem cínu asi 0.2 Ωmm2m-1. Tvářené cínové bronzy mívají nejčastěji 6–9 % cínu. Odolnost cínových bronzů proti korozi je dobrá, téměř jako u mědi. Cínový bronz vykazuje dobrou chemickou odolnost při styku s mořskou vodou. Cínové bronzy se používají ve slévárenství a na výrobu kluzných ložisek. 2.1.1.3 Hliníkový bronz Obsahuje zpravidla 5 % hliníku. Hliník zvětšuje pevnost a tvrdost. Tato slitina je velice odolná proti korozi. Odolává rovněž žáru až do 800 °C. Používá se na součásti vystavené agresivnímu prostředí. 2.1.1.4 Manganový bronz Používá se ho především při výrobě měřicích rezistorů, Obr. 1. Po správném umělém vystárnutí udržuje hodnotu odporu v úzké toleranci po mnoho let. Resistin, který obsahuje asi 15 % manganu, má měrný elektrický odpor 0.5 Ωmm2m-1. Známější je manganin se složením 86 % Cu, 12 % Mn a 2 % Ni. Jeho měrný elektrický odpor je asi 0.42 Ωmm2m-1. Manganin vyniká nejnižším činitelem teplotní závislosti odporu s hodnotou přibližně 0.02 x 10-3 K-1.

Obr. 1: Vinuté výkonové rezistory využívající manganinový drát 2.1.1.5 Niklový bronz Používá se rovněž při výrobě měřicích rezistorů. Hlavním představitelem je konstantan se složením 55 % mědi a 45 % niklu. Měrný elektrický odpor konstantanu je 0.5 Ωmm2m-1. Jeho činitel teplotní závislosti odporu je rovněž nízký. Pohybuje se kolem 0.05 x 10 -3 K-1. Konstantan proti mědi vykazuje velké termoelektrické napětí (cca 40 V/°C). Toho se využívá při konstrukci termoelektrických článků. Na druhou stranu, konstantanu nelze použít u zařízení zpracovávajících malá elektrická napětí. Mezi niklové bronzy patří ještě nikelin se složením 67 % mědi, 30 % niklu a 3 % manganu. 2.1.1.6 Beryliový bronz Vykazuje výborné mechanické vlastnosti při velké elektrické vodivosti. Beryllium se nevyskytuje samostatně, obvykle se kromě 0.5 až 2.3 % beryllia přidává také cín, nikl, železo, kobalt, chrom aj. Kromě velké pevnosti, a to i za vyšších teplot, jsou beryliové bronzy značně


4

odolné proti korozi a opotřebení, mají vysokou mez únavy, vysokou mez tečení, jsou nemagnetické a dobře elektricky vodivé. Vyrábějí se z nich např. pružiny a kontakty. 2.1.1.7 Alpaka Průmyslově používaný poměr kovů činí 65 % mědi, 18 % niklu a 17 % zinku. Dobré opracovatelnosti slitiny se využívá při výrobě hudebních nástrojů (např. flétna, saxofon). Příkladem technického využití je realizace armatur, kontaktů apod. 2.1.2

Hliník – Aluminium - Al

Nestálý, stříbřitě šedý, kujný kov. Vyznačuje se rovněž velmi dobrou elektrickou i tepelnou vodivostí, podobně jako měď. Podrobnosti ukazuje Tab. 2. Tab. 2: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání hliníku. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0282 (při 20 °C) 237 2.702 660.32

Hliník je levnější a dostupnější než měď. Získává se rafinací bauxitu. Speciálními metodami lze hliník vyčistit až na 99.9999 %. Přestože je hliník bohatě zastoupen v zemské kůře, patřila jeho průmyslová výroba ještě do nedávna k velmi obtížným procesům. Čistý hliník je velice reaktivní. Na vzduchu se rychle pokrývá tenkou vrstvičkou oxidu hlinitého, která ho chrání před další oxidací. Oxid hlinitý Al2O3 je také znám jako minerál korund. Jedná se o druhý nejtvrdší minerál ihned po diamantu. Použití hliníku: Hliník jako kov nalézá široké uplatnění především díky své dobré chemické odolnosti a nízké hmotnosti. Z hliníku se vyrábí jak kuchyňské nádobí, tak i stavební profily oken a dveří. Každý se jistě setkal s hliníkovou fólií - Alobalem. Hliník a jeho slitiny patří k základním konstrukčním materiálům v elektrotechnice. Za všechny příklady lze uvést hliníkové montážní skříně vyráběné tlakovým litím nebo konstrukčních hliníkové profily „Almez“. Malá hmotnost a dobrá tepelná vodivost ho předurčuje k výrobě chladičů pro odvod tepla z polovodičových součástek. Hliník také zlevnil výrobu kompaktních disků (CD), kde nahradil fólii ze stříbra. Vrstva hliníku se na plastový podklad obvykle napařuje tichým elektrickým výbojem ve vakuu. Hliník je rovněž výchozím materiálem při výrobě vodičů. Oproti mědi má ovšem tyto nevýhody:  Je křehčí, opakovaným ohybem se snadno zlomí.  Je plastický, působením síly mění tvar, tzv. „teče“.  Návrh elektroinstalace s hliníkovými vodiči vyžaduje zvýšenou pečlivost. Průchodem elektrického proudu se totiž vodič zahřívá a odtud i rozpíná. Pokud se v průřezu rozpíná nerovnoměrně (tlak šroubu), tvar průřezu se vlivem plasticity změní. Protože se průřez vodiče při chladnutí opět rovnoměrně smršťuje, dochází díky předchozí deformaci k uvolnění spoje. Tyto vlastnosti vedly v posledních letech k omezování hliníku ve prospěch mědi, a to zejména v domovních rozvodech. Výjimku tvoří nadzemní domovní přípojky, kde se hliník díky nízké hmotnosti stále používá. Nadále se hliníku používá v dálkových rozvodech a


5

průmyslových aplikacích, které jsou pod neustálým dohledem. Z hliníku se rovněž vyrábí klece asynchronních motorů. Hliník našel své místo i v mikroelektronice. Jeho naprašováním se provádí tzv. metalizace, která vytváří vodivé propojení jednotlivých křemíkových struktur čipu, obr. 2. Nepoužívá se čistého hliníku, ale slitin AlCu, AlSi, případně AlCuSi. Důvodem je zvýšení odolnosti vůči elektromigraci a průrazům velmi tenkých vrstev. Dále je hliníku používáno při výrobě elektrolytických kondenzátorů. Tvoří zde zápornou elektrodu. Používá se hliníková fólie o čistotě alespoň 99.999%. Pro zvýšení pracovní plochy se leptá. V průběhu formování se pokryje vrstvou Al2O3, která zde slouží jako pracovní dielektrikum. Kladnou elektrodou je elektrolyt.

a)

b)

Obr. 2: a) Kompletní čip před rozborem, b) tentýž čip po odstranění pasivací a metalizace. Hliník je rovněž součástí slitin. Mezi nejvýznamnější patří dural. Dural je obchodní označení pro různé slitiny, obvykle s obsahem 90 – 96 % hliníku, 4 – 6 % mědi, dále pak s menšími přísadami hořčíku nebo manganu. Oproti čistému hliníku je dural jen nepatrně těžší, ale až pětkrát pevnější při namáhání v tahu. Je také tvrdší. Dural se velmi snadno obrábí. To ho předurčuje k použití v automobilovém a leteckém průmyslu. Hliník a většinu jeho slitin lze dobře svařovat. Ochranná atmosféra je samozřejmostí. Výjimkou je slitina dural, která je svařitelná jen obtížně. Mezi nejvýznamnější sloučeniny hliníku patří oxid hlinitý Al2O3, tzv. korund. V Mohsově stupnici tvrdosti dosahuje hodnoty 9 z 10 a patří tedy k nejtvrdším materiálům. Oxid hlinitý je součástí drahých kamenů. Jejich zabarvení se liší podle příměsí. Červený rubín je zbarven příměsí oxidu chromu, modrý safír obsahuje především stopová množství oxidů titanu a železa. Obě zmíněné formy korundu patří k nejvíce ceněným drahým kamenům na světě, ale mají i významné využití v technice. Safírové hroty vynikají svou tvrdostí a odolností. Jsou součástí ložiskových pouzder špičkových měřicích přístrojů. První sestrojený laser zase používal rubínový optický rezonátor. Korundová keramika našla široké uplatnění ve vysokofrekvenční a mikrovlnné technice. Její elektrické vlastnosti jsou však silně závislé na složení a obsahu nečistot. K výraznému zhoršení parametrů dochází při výskytu oxidů alkalických kovů. Vysoce čistý oxid hlinitý vykazuje malé dielektrické ztráty, dobrou tepelnou vodivost ( = 15 Wm-1K-1 při 75 °C) a mechanickou pevnost. U dielektrického rezonátoru z materiálu AK4 (vyvinutý v ČR) byla naměřena jakost kolem 15 000 na frekvenci


6

10 GHz. Nicméně teplotní závislost korundového rezonátoru je pro praktické použití příliš vysoká. Důležitou aplikací korundu jsou klystrony a magnetrony. Jedná se o výkonové vysokofrekvenční součástky. Korund zde vyhovuje jak z hlediska dobrého odvodu tepla, mechanické a elektrické pevnosti, tak z hlediska malých ztrát při vysokých kmitočtech. Substráty pro tlusté vrstvy hybridních integrovaných obvodů se vyrábí litím z materiálu 96% Al2O3. Technologie „doctor blade“ umožňuje vytvářet substráty pro sítotisk přímo, bez nutnosti dalšího opracování po výpalu. Pro depozici tenkých vrstev je nezbytný kvalitní, leštěný povrch substrátu. Takového povrchu je možno dosáhnout u jemnozrnných materiálů s nejméně 98% Al2O3. Při požadavku na vyšší tepelnou vodivost lze použít nitrid hliníku, který má navíc srovnatelnou teplotní roztažnost s křemíkem. Korund se používá i pro vícevrstvé laminované substráty technologie MLC. Dnes ale převažuje technologie LTCC na bázi sklo-keramiky. Oxid hlinitý zvyšuje termickou a mechanickou odolnost skel. Při zpracování zvyšuje viskozitu a povrchové napětí taveniny. Bývá součástí téměř všech druhů skel (tabulové, laboratorní apod.).

2.2 Ušlechtilé kovy 2.2.1

Zlato – Aurum - Au

Zlato je drahý, chemicky odolný, ale poměrně měkký kov žluté barvy. Patří rovněž k dobrým elektrickým i tepelným vodičům, Tab. 3. Tab. 3: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání zlata. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.02214 (při 20 °C) 318 19.32 1064.18

V horninách se díky své inertnosti vyskytuje jako ryzí kov. Z běžných anorganických kyselin reaguje pouze s lučavkou královskou. Speciální případ představuje rozpouštění zlata v elementární rtuti, kdy vzniká amalgám.

a)

b)

Obr. 3: a) Detail zlatého drátku, b) připojení čipu k vývodům keramického pouzdra.


7

Použití zlata: Jedná se o základní kov klenotníků, který vyniká svým vzhledem, ale také dobrou kujností a tažností. Zlatá fólie, která má vynikající odrazivost infračervených paprsků, zase chrání před únikem tělesného tepla např. v porodnictví. Chemickou stálost zlata využívá nejen zubní lékařství, ale i mnoho technických oborů. V elektronice se zlato používá k povrchové ochraně kontaktů, dosedacích ploch konektorů a vývodů elektronických součástek. Zlato se rovněž používá v mikroelektronice ve formě zlatých drátků, Obr. 3. Ty slouží při kontaktování křemíkových čipů k vývodům integrovaných obvodů. Vysoce čisté zlato je křehké, proto je legováno malým množstvím beryllia (5-10ppm) nebo mědi (asi 30-100ppm), aby se zajistila dostatečná pevnost drátku. Přitom zlato obohacené berylliem je asi o 10-20% pevnější než zlato obohacené mědí. Zlata se začalo rovněž používat k povrchové ochraně pájecích plošek hotových plošných spojů a nahradilo tak kdysi běžné cínové techniky, jako HAL (Hot Air Leveling). 2.2.2 Stříbro – Argentum - Ag Čisté stříbro má nejvyšší elektrickou i tepelnou vodivost, Tab. 4. Tab. 4: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání stříbra. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.01587 (při 20 °C) 429 10.49 961.78

Na čistém vzduchu je stříbro neomezeně stálé. Stačí však i velmi nepatrné množství sirovodíku H2S, aby stříbro začalo černat. To je způsobeno vznikem sulfidu stříbrného Ag2S, Obr. 4. Po mechanické a metalurgické stránce je velmi dobře zpracovatelné, má dobrou kujnost a dobře zatéká do forem. Použití stříbra: Stříbro nebo jeho slitiny, jako např. AgPd, jsou výchozím materiálem při realizaci kontaktů keramických čipů (kondenzátory, odpory, rezonátory apod.). Děje se tak napařováním. Elektronické součásti, jejichž kontakty tvoří čisté stříbro, je potřeba osazovat pomocí stříbrných pájek, např. Sn62Pb36Ag2. Jinak hrozí rozpuštění stříbrných kontaktů v pájce. Pro použití klasických pájek se doplňují ochrannou vrstvou niklu. Dále se ho používá k povrchové ochraně měděných a mosazných předmětů, např. VF konektorů. Vysoké vodivosti stříbra se rovněž využívá při snižování útlumu vlnovodových dílců. Postříbřovány jsou jak vnitřní stěny vlnovodů, tak i styčné plochy přírub. Stříbro se dobře zpracovává na tenké fólie (5m) i vodiče (20m), které slouží jako konstrukční prvek hybridních integrovaných obvodů (HIO). Propojování součástí na čipech HIO se rovněž provádí pomocí vypalování stříbrných past. Stříbro se rovněž používá v knoflíkových bateriích. Ty jsou sestaveny z oxidu stříbrného Ag2O, který slouží jako katoda (kladný pól), zinku Zn, ve funkci anody (záporný pól) a z elektrolytu, kterým může být hydroxid sodný NaOH, nebo draselný KOH. Jejich předností je vysoká účinnost. Fotografický průmysl využívá dusičnanu stříbrného AgNO3. Tato stříbrná sůl kyseliny dusičné je fotosenzitivní. Bývá proto přísadou fotografických filmů.


8

V optice se stříbro používá při výrobě zrcadel. Využívá se jeho vysoké odrazivosti pro viditelné spektrum záření. Velmi tenká vrstva kovového stříbra slouží jako záznamové médium na CD a DVD discích. Stříbro se také používá při výrobě stříbrných šperků. V zubním lékařství je součástí amalgámů. Trochu zvláštním využitím stříbra je jodid stříbrný, kterého se využívá při umělém vyvolávání deště.

a)

b)

Obr. 4: a) Postříbřený konektor N s vrstvou sulfidu stříbrného, b) tentýž konektor po vyčištění 2.2.3

Platina – Platinum – Pt

Platina je velmi těžký a chemicky mimořádně odolný drahý kov stříbřitě bílé barvy. Společně s osmiem a iridiem patří k prvkům s největší známou hustotou, Tab. 5. Je velmi dobře tvářitelná za tepla i za studena, lze z ní zhotovit fólie o tloušťce 2.5 μm a dráty o průměru 15 μm. Tab. 5: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání platiny. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.105 (při 20 °C) 71.6 21.45 1768.3

Použití platiny: Vzhledem k dobré chemické odolnosti i za vysokých teplot jsou platina a její slitiny s rhodiem a iridiem používány na výrobu odolného chemického nádobí pro rozklady vzorků tavením nebo spalováním. Platina je spolu s palladiem a rhodiem základním stavebním prvkem automobilových katalyzátorů. Ve sklářském průmyslu je zase součástí speciálních pecí na výrobu optických vláken. Používá se rovněž k výrobě polopropustných zrcadel. Dále se používá jako zátavový kov v těch případech, kdy se vyžaduje maximální spolehlivost zátavů (speciální elektronky). V elektrotechnice a elektronice se platina používá jako chemicky odolný materiál pro elektrody, kontakty a odporové dráty. Platinový drát tvoří vinutí speciálních potenciometrů, dále se používá pro žárovková vlákna a vlákna pyrometrů. Slitina platiny a 10 až 25 % iridia se používá na kontakty pro nejnáročnější aplikace. Většinou se jedná o spínání malých proudů a napětí v agresivních podmínkách.


9

Platinový drát je rovněž základem velmi přesných odporových teploměrů pro průmysl a automatizaci. Nejznámější platinový odporový teploměr nese označení Pt100. Při teplotě 0°C vykazuje elektrický odpor právě 100 . Jedno z možných praktických provedení teploměru Pt100 ukazuje Obr. 5. Kromě odporových teploměrů je platina součástí i teploměrů termočlánkových. Pro rozsahy teplot 0 ÷ 1500°C se jedná o termočlánek Pt-Pt90Rh10 (slitina 90 % platiny a 10 % rhodia). Pro rozsahy teplot 1400 ÷ 1700°C se jedná o termočlánek Pt70Rh30-Pt94Rh6.

Obr. 5: Odporový teploměr Pt100 využívající teplotní závislosti odporu platinového drátku. 2.2.4 Rhodium – Rhodium – Rh Rhodium je drahý kov stříbřitě bílé barvy. Chemicky je mimořádně stálý. Čisté rhodium se vyznačuje vysokou odolností vůči kyselinám, včetně lučavky královské. Rhodium je nejdražší platinový kov. Jeho cena dosáhla rekordu v roce 2008, kdy se průměrná cena za trojskou unci (31,103 g) na světových trzích pohybovala okolo 6530 USD. Tab. 6: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání rhodia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0433 (při 0 °C) 150 12.41 1964

Použití rhodia: Hlavní uplatnění nalézá ve slitinách. Nejčastěji se jedná o slitinu 10 % rhodia a 90 % platiny. Tato slitina se používá při výrobě termočlánků, nebo při výrobě chemicky a teplotně odolných součástí. Typickým příkladem jsou průvlaky pro tažení optických vláken. Ve směsi s platinou a palladiem je součástí automobilových katalyzátorů. Čisté rhodium slouží jako povrchová ochrana kontaktů před opalováním elektrickým obloukem. Jako ochranný povlak se také nanáší na vnitřní stěny vlnovodů, Obr. 6. Zde chrání vrstvu stříbra před korozí. Vrstva rhodia musí být zanedbatelná v porovnání s hloubkou vniku elektromagnetické vlny, aby nedocházelo ke zhoršení vodivosti. Tenká vrstva rhodia rovněž chrání některé stříbrné šperky. 2.2.5 Palladium – Palladium - Pd Palladium je lesklý, bílý kov podobný stříbru. Palladium je kujné a dobře svařitelné. Ve skupině drahých kovů se vyznačuje největší reaktivitou. Má velkou schopnost pohlcovat


10

plyny. Za pokojové teploty pohltí až 370krát více vodíku, než je jeho vlastní objem. Je dostupnější a levnější než platina. Tab. 7: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání palladia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.1054 (při 20 °C) 71.8 12.023 1554.9

Použití palladia: Palladium se společně s platinou a rhodiem využívá v automobilových katalyzátorech, kde z výfukových plynů odbourává nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý. Pokud je obsaženo v tvrdé pájce, vylepšuje smáčivost. Absorpční schopnost paládia se využívá při aditivní výrobě plošných spojů. Proces začíná obtisknutím obrazce plošného spoje na substrát. Jako inkoustu je použito speciálních sloučenin na bázi paládia. Po vysušení obrazce je celek ponořen do roztoku s mědí, kde dochází k vysrážení mědi na obrazci. Vrstva mědi ještě bývá dalšími technikami zesílena. Paládia se rovněž používá při výrobě kontaktů. Zde je ovšem jeho katalytické působení ke škodě. Organické nečistoty vedou ke vzniku polymerů (hnědý povlak) a ruší tak funkci kontaktu. Tento nedostatek se odbourává pomocí slitin palladia a stříbra nebo palladia a mědi.

a)

b)

Obr. 6: a) Vlnovod pro kmitočtové pásmo X (8 až 12 GHz), b) detail příruby a dutiny s ochrannou vrstvou stříbra a rhodia. Rhodium zabraňuje vzniku sulfidu stříbrného. 2.2.6

Osmium – Osmium - Os

Osmium je modrošedý, velmi tvrdý a křehký kov. Společně s iridiem a platinou se řadí mezi těžké platinové kovy. Přitom osmium je ze všech kovů nejtěžší. Se vzduchem reaguje již za normální teploty za vzniku charakteristicky páchnoucího a jedovatého oxidu osmičelého OsO4. Použití osmia: Vzhledem ke svým mechanickým vlastnostem nemá ryzí kovové osmium žádné praktické využití. Používá se pouze ve slitinách s ostatními platinovými kovy za účelem


11

zvýšení tvrdosti. Jedná se o slitiny pro výrobu velmi odolných elektrických kontaktů nebo hrotů plnicích per. Jeho slitiny s iridiem jsou výchozím materiálem při výrobě přesných ložisek pro jemnou mechaniku. Tab. 8: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání osmia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0812 (při 0 °C) 87.6 22.59 3033

2.2.7 Iridium – Iridium - Ir Iridium je ušlechtilý, tvrdý kov šedivě bílé barvy. Je poměrně křehký. Má středně dobrou elektrickou i tepelnou vodivost, Tab. 9. Iridium je chemicky odolnější než platina. Nerozpouští se v žádné z běžných kyselin. Má velice vysokou odolnost proti korozi. Tab. 9: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání iridia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0471 (při 20 °C) 147 22.56 2466

Použití iridia: Vzhledem ke své mimořádné chemické odolnosti je iridium legováno do slitin s rhodiem a platinou, které se používají při výrobě odolného chemického nádobí nebo v pecích při výrobě optických vláken. Slitiny iridia a osmia zase slouží při výrobě součástí pro jemnou mechaniku. Slitina platiny a iridia je odolným kontaktním materiálem vůči elektrickému oblouku. V automobilovém průmyslu se z iridia vyrábějí elektrody zapalovacích svíček s mimořádnou životností.

2.3 Kovy skupiny železa 2.3.1 Železo – Ferrum - Fe Železo je poměrně měkký, světle šedý až bílý kov. Působením vzdušné vlhkosti se snadno oxiduje za vzniku hydratovaných oxidů (rez). Tato reakce přitom nevede k ochraně povrchu materiálu, jako u mnoha jiných kovových prvků. Vrstva oxidů se snadno uvolňuje a koroze pokračuje do hloubky materiálu. Atomové jádro železa se vyznačuje nejvyšší vazební energií ze všech známých prvků. Další rozbor vlastností podává Tab. 10. Železo je feromagnetické. Pokud je vloženo do magnetického pole o intenzitě H, dochází v jeho průřezu ke zvětšení magnetické indukce B. Ke ztrátě feromagnetických vlastností dochází až při teplotě vyšší než 768 °C. Uvedená teplota bývá označována jako tzv. Curieho bod. Použití železa: Čisté železo nemá větší praktický význam.

12


Surové železo, litina, obsahuje řadu nežádoucích příměsí, jako je uhlík C (3 až 5 %), křemík Si a fosfor P. Dobře se odlévá, nejčastěji do forem požadované velikosti nebo do ingotů. Výsledný produkt, litina, je poměrně pevný a tvrdý. Bývá ovšem velice křehký. Jakákoli možnost dalšího opracování je minimální. Tab. 10: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání železa. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0961 (při 20 °C) 80.4 7.874 1538

Přeměna surového železa na ocel spočívá v redukci obsahu uhlíku. Toho je možné dosáhnout pomocí oxidace. Děje se tak buď kyslíkem ze vzduchu (Thomasův konvertor), profukováním kyslíkem (LD konvertor) nebo přisazováním železné rudy a ocelového odpadu do taveniny v nístějových pecích (Siemens-Martinův proces). Další zkvalitnění vyrobené oceli se dosahuje legováním, tedy tvorbou slitiny s jinými kovy. Hlavními prvky pro legování ocelí jsou nikl, chrom, vanad, mangan, wolfram, kobalt a ve speciálních aplikacích ještě mnoho dalších. O slitinách železa zajímavých pro elektrotechniku pojednávají následující kapitoly.

Obr. 7: Invar - teplotní koeficient délkové roztažnosti  v závislosti na procentuálním obsahu niklu. 2.3.1.1 Kanthal Kanthal je registrovaná ochranná známka slitiny železa, chromu (20 až 30 %), hliníku (4 až 7,5 %) a stopového množství kobaltu. Slitina vyniká svou vysokou odolností vůči teplotám a velkým měrným elektrickým odporem . Ten se pohybuje kolem 1.4 mm2m-1. Kanthal se používá k přeměně elektrické energie na teplo. Bývá součástí topných spirál. 2.3.1.2 Invar Invar je slitina 64 % železa a 36 % niklu, s malou příměsí uhlíku a chromu. Význačnou vlastností invaru je velice nízký teplotní koeficient délkové roztažnosti o hodnotě α = (1.2 x 10–6) K-1. Jak je vidět z Obr. 7, vhodný poměr železa a niklu dává nižší teplotní koeficient délkové roztažnosti, než mají samostatné kovy. Invaru se používá všude tam, kde je potřeba zajistit rozměrovou stálost i při teplotních změnách. Může se jednat o fyzikální normály, přístroje jemné mechaniky, optické přístroje, seismické měřiče apod. Z invaru se rovněž vyráběly stínicí masky barevných vakuových televizních obrazovek.


13

2.3.1.3 Superinvar Superinvar je slitina 63 % železa, 32 % niklu a 5 % kobaltu. Její teplotní koeficient délkové roztažnosti je téměř nulový. 2.3.1.4 Kovar Je to slitina 54 % železa, 29 % niklu a 17 % kobaltu. Její teplotní koeficient délkové roztažnosti odpovídá koeficientu borito-křemičitých skel. Ten se pohybuje kolem (5 × 10−6) K-1 v rozsahu teplot od 30°C do 200°C. Hlavní aplikací kovaru jsou vodivé zátavy do skla. Těch se hojně využívá ve vakuové technice. 2.3.2 Kobalt – Cobaltum – Co Kobalt je lesklý kov s modrým nádechem. Svojí tvrdostí a pevností předčí ocel. Kobalt je feromagnetický až do teploty 1000 °C. Na vzduchu i ve vodě je stálý. Cena kobaltu je díky jeho vzácného výskytu i obtížnosti výroby dosti vysoká a v některých obdobích dosahuje úrovně stříbra. Tab. 11: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání kobaltu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0624 (při 20 °C) 100 8.90 1495

Použití kobaltu: Kobalt se přidává do speciálních nástrojových ocelí, které musí vykazovat vynikající mechanické vlastnosti, především tvrdost, pevnost a odolnost. Kobalt je rovněž součástí řezných slitin. Nejznámější je stellit. Skládá se z 50 % kobaltu, 27 % chromu, 12 % wolframu, 2.5 % uhlíku a 5 % železa. Zbytek ještě tvoří mangan a křemík. Stellit se používá k výrobě řezných nástrojů pro vrtání hornin.

Obr. 8: Gamma nůž a jeho radioaktivní zdroj. Váha granulí 60Co (vlevo dole) je pouhých 142 g, zatímco váha ocelového stínění je 20 kg. Převzato z materiálu [1]. Dále je kobalt součástí velmi silných permanentních magnetů. Jedná se o slitiny s obchodním názvem alnico. Obsahují železo, kobalt, nikl, hliník a měď. Síla těchto magnetů je až 25x větší než síla magnetů ocelových.


14

Kobalt jako jediný prvek zvětšuje indukci nasycení železa. Jedná se o slitinu s obsahem 50 % kobaltu a 50 % železa. Slitiny Fe-Co se obtížně tvářejí za studena. Pro zlepšení jejich tvárnosti se přidává vanad nebo chrom. Slitina se 49 % kobaltu, 49 % železa a 2 % vanadu se nazývá permendur. Zhotovují se z ní pólové nástavce trvalých magnetů nebo magnetické obvody elektromagnetů. Ozářením stabilního izotopu kobaltu 59Co pomocí neutronů s velkou energií (např. v jaderném reaktoru) vzniká nestabilní 60Co. Tento radioizotop se rozpadá s poločasem 5.2714 let za uvolňování silného gama záření. Protože 60Co lze poměrně snadno připravit a manipulace s ním není obtížná, využívá se v medicíně a technice jako zdroj gama záření. Podstatou tzv. kobaltového děla je silná schránka válcovitého tvaru, která propouští gama záření pouze v úzkém svazku žádaným směrem, Obr. 8. Za všechny aplikace možno zmínit ozařování zhoubných nádorů, vyhledávání skrytých vad materiálů nebo automatizaci v těžkých provozech. 2.3.3

Nikl – Niccolum -Ni

Nikl je stříbrobílý, lesklý kov. Má výborné mechanické vlastnosti, je dobře kujný a tažný. Nikl je feromagnetický až do Curieho teploty 631 °C. Za běžných teplot je na vzduchu i ve vodě stálý. Nikl má velký součinitel magnetostrikce (změna mechanických rozměrů při změně vnějšího magnetického pole). Magnetostrikce se využívá např. v generátorech ultrazvuku nebo tenzometrických snímačích. Účinky niklu na lidský organismus jsou jednoznačně negativní. Nikl patří mezi karcinogeny (zvyšuje riziko vzniku rakoviny) a teratogeny (ovlivňuje vývoj lidského plodu negativním způsobem). Poměrně často se lze také setkat s kožní alergií na nikl. Použití niklu: Vzhledem k dobré odolnosti niklu vůči atmosférickým vlivům i vodě se ho používá k povrchové ochraně jiných méně odolných kovů, nejčastěji železa. Nikl je součástí magneticky měkkých feritů. Ferity jsou materiály, které vznikají chemickým sloučením oxidu železitého Fe2O3 s oxidem vhodného dvojmocného kovu, např. niklu NiO-Fe2O3. Tab. 12: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání niklu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0693 (při 20 °C) 90.9 8.908 1455

Nikl je rovněž základním stavebním prvkem některých akumulátorů. Mezi nejrozšířenější patří NiMH akumulátory. Záporná elektroda je tvořena speciální kovovou slitinou (nikl, kobalt, mangan, hliník a lanthany), která s vodíkem vytváří směs hydridů. Kladná elektroda je z oxid-hydroxidu niklitého NiO(OH). Elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného. NiMH akumulátory dokážou dodávat relativně vysoké proudy, mají dlouhou životnost a malé pořizovací náklady. Snesou rychlé nabíjení. Jejich nevýhodou je nižší elektrické napětí (1.2 V) a malá odolnost vůči nízkým teplotám. Mezi další známé akumulátory patří NiCd. NiCd akumulátor je druh galvanického článku. Kadmium tvoří zápornou elektrodu. Vyrábí se buď otevřený s kapalným elektrolytem (velké staniční baterie), nebo uzavřený s gelem (akumulátory přenosných nástrojů). NiCd akumulátory snášejí


15

hluboké vybití i skladování ve vybitém stavu, což je jejich veliká výhoda. Při srovnání s NiMH akumulátory mají nižší měrnou kapacitu, ale lepší odolnost vůči nízkým teplotám. Nikl je významnou součástí slitin. Podrobnosti uvádí následující kapitoly. 2.3.3.1 Nichrom Jedná se o slitinu niklu, železa a chromu v zastoupení 61 % Ni, 25 % Fe a 14 % Cr. Ta má vynikající korozní odolnost i při vyšších teplotách. Její měrný elektrický odpor se pohybuje v rozmezí 1 až 1.5 mm2m-1. 2.3.3.2 Chromnikl Slitiny nikl-chrom NiCr, a nikl-chrom-molybden NiCrMo, vynikají žáruvzdorností a tím i odolnosti proti elektrickému oblouku. Toho se využívá při konstrukci kontaktů silových elektrických zařízení. Jedná se rovněž o významný odporový materiál. 2.3.3.3 Nitinol Je slitinou niklu a titanu NiTi, která patří do skupiny intermetalických sloučenin. Jedná se o sloučeniny dvou a více kovů, které mají uspořádanou krystalickou strukturu. Nitinol je charakteristický tvarovou pamětí. Materiály s tvarovou pamětí přecházejí při určité teplotě z jedné krystalické struktury do druhé. Děje se tak s rychlostí a v případě vnějšího odporu i se silou. Snahou je zachovat co nejúspornější energetický stav krystalické mřížky. Drát z této slitiny si "pamatuje" předchozí stav před deformací. Po dodání energie (ohřevu) se vrací do původního tvaru. Slitiny s tvarovou pamětí našly uplatnění např. u regulátorů teploty. Výhodou je, že regulace pomocí tvarové paměti je mnohem přesnější než dvojkovem (bimetalem), a na druhé straně levnější než elektronikou.

a)

b)

Obr. 9: a) Magnetické stínění vstupního transformátoru, tzv. „vajíčko“, b) pohled na vnitřní uspořádání. 2.3.3.4 Permalloy Slitiny niklu a železa NiFe, jsou známé pod názvem permalloy. Obsahují přibližně 80 % niklu a 20 % železa. V porovnání s křemíkovou ocelí mají velkou počáteční i maximální permeabilitu r. Ta dosahuje hodnot kolem 100 000, zatímco u obyčejné oceli je v řádech tisíců. Mají malou koercivitu a nasytí se již ve slabém magnetickém poli (velice strmá BH charakteristika). Jedná se tedy o magneticky měkké materiály. Magnetické vlastnosti závisejí na konečném tepelném zpracování ve vodíkové atmosféře při teplotě až 1300 °C. Po tepelném zpracování se již součásti nesmějí znovu mechanicky deformovat. Permalloye se používají na


16

jádra transformátorů a tlumivek. Jsou rovněž nezastupitelným materiálem při výrobě magnetických stínicích krytů, Obr. 9. 2.3.3.5 Ostatní slitiny Jak již bylo zmíněno výše, nikl je součástí niklových bronzů. Mezi další významnou slitinu niklu ještě patří Monelův kov ve složení 67 % Ni, 28 % Cu, 5 % Fe. Jedná se o odolnou slitinu určenou k výrobě např. lodních šroubů. 2.3.4

Chróm – Chromium - Cr

Chrom je bílý, lesklý a křehký prvek. Je nejtvrdší ze všech kovů. Vyznačuje se mimořádně vysokou chemickou odolností. Co se týká vlivu na živé organismy, trojmocný chrom je pokládán za převážně prospěšný a je nezbytnou součástí každodenní stravy. Naopak šestimocný chrom působí negativně a je pokládán za potenciální karcinogen. Od roku 2006 směrnice RoHS (Restriction of Hazardous Substances) použití šestimocného chromu omezuje. Další vlastnosti shrnuje Tab. 13. Tab. 13: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání chromu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.125 (při 20 °C) 93.9 7.19 1907

Použití chrómu: Chrom je významný legující prvek. Korozi odolná ocel se dosahuje již s 12 % obsahem chromu. Chrom také zvyšuje žáruvzdornost a tvrdost. Slouží rovněž k povrchové ochraně materiálů před korozí za současného zvýšení jejich estetického vzhledu. 2.3.5

Mangan – Manganum – Mn

Mangan je stříbřitě bílý, lesklý a křehký kov. Je rovněž velice tvrdý, podobně jako chrom. Po železe a titanu je třetím nejrozšířenějším kovem na Zemi. Z běžných kovů má nejnižší hodnotu tepelné vodivosti, viz Tab. 14. Tab. 14: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání manganu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

1.440 (při 20 °C) 7.81 7.21 1246

Použití manganu: Více než 85% celkové produkce manganu se využívá jako legující přísada ocelí. Slouží zde ke zvyšování pevnosti v tahu a tvrdosti. Vysoce houževnatá je Hadfieldová ocel s 12 % obsahem manganu. Používá se ve zbrojní výrobě, dále ke konstrukci velice namáhaných strojních součástí. Manganu se rovněž používá pro legování hliníku za účelem zvyšování jeho odolnosti vůči chemické korozi. S hliníkem také utváří slitinu dural. Dále je mangan součástí tzv. Heuslerových slitin (Friedrich Heusler, 1898). Jedná se o slitiny manganu s mnoha kovy, např. hliníkem, cínem nebo antimonem. Zvláštností těchto slitin je, že jsou ferromagnetické, aniž obsahují ferromagnetický kov. Heuslerovy slitiny jsou


17

dalším příkladem intermetalických sloučenin, což jsou sloučeniny dvou a více kovů, které mají uspořádanou krystalickou strukturu. Mangan je rovněž důležitou složkou manganových bronzů pro výrobu odporových materiálů (rezistin, manganin). Mangan je základem nejstaršího komerčně vyráběného galvanického článku. Anodu tvoří vnější zinkový obal článku. Katodu tvoří uhlíková tyčinka umístěná v ose článku a práškový oxid manganičitý MnO2 (burel). Elektrolytem je vodný roztok chloridu amonného NH4Cl (salmiak), který je nasáknut do kladné elektrody - burelu. Článek poskytuje napětí přibližně 1.5V.

2.4 Těžké nízkotavitelné kovy 2.4.1 Zinek – Zincum - Zn Zinek je měkký, modrobílý kov se silným leskem, který se však na vlhkém vzduchu vytrácí. Za normální teploty je křehký, zatímco v rozmezí teplot 100 – 150 °C je tažný a dá se válcovat na plech. Zinek je velmi snadno tavitelný a patří k nejsnáze těkajícím kovům. Podrobnosti uvádí Tab. 15. Na vzduchu je zinek stálý, neboť ho chrání stabilní vrstva oxidu. Zinek dobře zatéká, hodí se proto na výrobu odlitků. Jeho přítomnost v potravě je nezbytná pro správný vývoj organismu. Použití zinku: Mezi hlavní využití zinku patří výroba slitin, přitom nejvýznamnější je slitina s mědí, tzv. mosaz. Dále se zinku používá k povrchové ochraně železa pomocí tzv. žárového pozinkování. Je rovněž součástí tvrdých pájek. Poměrně významné místo patřilo zinku při výrobě galvanických článků. Dodnes se hojně používá zinko-uhlíkový článek. Významné je rovněž použití sulfidu zinečnatého ZnS, např. při výrobě fotoodporů pro ultrafialové záření, nebo s mědí při výrobě luminoforů. Tab. 15: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání zinku. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.059 (při 20 °C) 116 7.14 419.53

Oxid zinečnatý ZnO bývá součástí skel odolných proti vodě a změnám teplot. Varistory na bázi ZnO využívají jevy, které se v keramice mohou odehrávat na hranicích zrn. Typické, poměrně komplikované složení keramiky pro varistor je 96,5% Zn0 + 0,5% Bi2O3 + 1% CuO + 0,5% MnO2 + 1% Sb2O3 + 0,5% Cr2O3. Uvedené dotující prvky se koncentrují mezi zrny ZnO. Mn, Cr a Cu jsou prvky, které se mohou vyskytovat v řadě oxidačních stavů a mohou tedy pracovat jako „pasti“, zachycující elektrony uvolněné v důsledku částečného těkání kyslíku ze zrn ZnO. Na hranicích zrn se tak vytváří potenciální bariéra. Navenek prvek vystupuje jako dvě Zenerovy diody zapojené proti sobě. Kromě ZnO se pro výrobu varistorů používá rovněž SiC. 2.4.2 Kadmium – Cadmium – Cd Kadmium je bílý, lesklý, měkký a velmi tažný kov. Má rovněž nízkou teplotu tání. Vzhledem k jeho toxicitě se v současnosti od jeho používání upouští. Je rovněž omezován směrnicí RoHS.


18 Použití kadmia:

Kadmium je nezbytné pro výrobu nikl-kadmiových akumulátorů, kde slouží jako materiál pro zápornou elektrodu. Přitom hydroxid kademnatý Cd(OH)2 slouží jako elektrolyt. Tab. 16: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání kadmia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0727 (při 22 °C) 96.6 8.65 321.07

Sloučeniny kadmia se používají k výrobě modrých a zelených luminoforů CRT obrazovek. Sulfid kademnatý CdS, selenid kademnatý CdSe a arsenid kademnatý CdAs se používají při výrobě fotorezistorů s maximem citlivosti ve viditelné a krátkovlnné infračervené oblasti. Wolframan kademnatý CdWO4 zase slouží k výrobě detektorů gama záření. Tellurid kademnatý CdTe je základem některých solárních článků. Díky výborné smáčivosti se kdysi kadmia hojně používalo k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Dále se používá k výrobě lehce tavitelných slitin, ložiskových kovů s velmi nízkým koeficientem tření a pájek. 2.4.3

Rtuť – Hydrargyrum - Hg

Rtuť je toxický kovový prvek stříbřitě bílé barvy. Za normálních podmínek bývá kapalná. Základní vlastnosti shrnuje Tab. 17. Na suchém vzduchu je rtuť stálá, vlivem vlhkosti rychle oxiduje za vzniku HgO. S některými kovy, např. se zlatem, stříbrem, mědí, zinkem, kadmiem a sodíkem, tvoří kapalné i pevné slitiny, tzv. amalgámy. Její použití omezuje směrnice RoHS. Tab. 17: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání rtuti. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.961 (při 25 °C) 8.30 13.534 -38.8290

Použití rtuti: Zvláště v minulosti se rtuť velice často používala jako náplň teploměrů a tlakoměrů. Její dobrá elektrická vodivost se dodnes využívá ve spínačích. Jedná se buď o polohové spínače, nebo relé, Obr. 10. Základní výhodou rtuťových spínačů je vysoká životnost a spínání bez zákmitů. Toho je možné dosáhnout díky vysokému povrchovému napětí rtuti. Rtuť je základním stavebním prvkem vysokotlakých výbojek. Jedná se o výbojky s luminoforem nebo bez něj, v nichž mají rtuťové páry tlak řádu 105 Pa. Světlo vzniká jednak ve rtuťových parách křemenného hořáku, jednak v luminoforu vnější baňky, přeměnou UV záření. Rtuťové výbojky mají středně dobrou světelnou účinnost dosahující až 50 lm/W. Mezi jejich nevýhody patří diskrétní spektrum záření a nutnost přeměny UV části záření do viditelné části spektra. Kapající rtuťová elektroda je základem polarografie, elektrochemické analytické metody. Za její objev byl Jaroslav Heyrovský v roce 1959 odměněn Nobelovou cenou za


19

chemii. Metoda slouží k určování přítomnosti (kvality) a koncentrace (kvantity) redukovatelných nebo oxidovatelných neznámých látek v roztoku.

a)

b)

Obr. 10: a) Rtuťový polohový spínač, b) rtuťové relé. Šipka „UP“ ukazuje požadovanou prostorovou orientaci. 2.4.4 Galium – Gallium – Ga Galium je bílý, měkký, tažný kov. Jeho vlastnosti shrnuje Tab. 18. Má druhou nejnižší teplotu tání hned po rtuti. Galium je rozptýlené v nerostech, které obsahují hliník (bauxit). Odtud vyplývá, že se získává extrakcí z odpadních produktů při výrobě hliníku. Vysoce čisté galium se získává zonální rafinací, podobně jako křemík. Tab. 18: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání galia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.270 (při 20 °C) 40.6 5.91 29.7646

Použití galia: Je součástí speciálních slitin s velice nízkou teplotou tání. Slitina galia s indiem taje již při 16°C. Slitina galia, india a cínu, tzv. galistan, má teplotu tání -20°C a používá se jako náhrada rtuti v teploměrech. Nejdůležitější sloučeniny galia jsou arsenid galitý GaAs, nitrid galitý GaN, fosfid galitý GaP a antimonid galitý GaSb, které se používají při výrobě LED diod. Sloučenina GaAs je základem vysokofrekvenčních a mikrovlnných polovodičových součástek. Mezi moderní elektronické součástky na bázi galia patří tenkovrstvý fotovoltaický článek CIGS (Copper Indium Gallium DiSelenide). Jak již napovídají anglické názvy, skládá se z mědi, india, galia a selenu. Mezi hlavní výhody článku CIGS patří zejména jeho citlivost na červenou složku spektra. Článek CIGS dokáže využívat energii difuzního světla, které převládá při zatažené obloze nebo mlze. Z těchto podmínek je účinnější než článek z křemíku. Galium se dále používá při výrobě vysoce kvalitních zrcadel. Je součástí některých feritů.


20 2.4.5

Indium – Indium – In

Indium je stříbrobílý, lesklý, velmi měkký kov. Na vzduchu je indium poměrně stálé, oxidem inditým In2O3 se pokrývá velice pomalu. Má rovněž nízkou teplotu tání, viz Tab. 19. Tab. 19: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání india. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0837 (při 20 °C) 81.8 7.31 156.5985

Použití india: Díky nízké teplotě tání se drátků z india používá při výrobě tavných pojistek. V současnosti se indium stále více využívá k výrobě tenkovrstvých fotoelektrických článků, viz výše zmíněný článek CIGS. Sloučeniny InGaN a InGaP jsou základním stavebním kamenem polovodičových LED diod, včetně laserových. Antimonid india InSb slouží pro výrobu Hallových generátorů, magnetorezistorů a detektorů infračerveného záření. Oxid inditý In2O3 je zase výchozím materiálem při výrobě průhledného vodivého polepu skleněného substrátu u elektroluminiscenčních panelů, Obr. 11. Indium dále slouží k výrobě těsnění pro vysoké vakuum (urychlovače částic, elektronové mikroskopy). Pokovují se s ním zrcadla pro náročná použití.

Obr. 11: Zvětšený detail LCD panelu. Bílé tečky odpovídají řídicím tranzistorům. Obrázek zachycuje celkem 12 pixelů. Převzato z materiálu [2]. 2.4.6

Cín – Stannum – Sn Cín je stříbrobílý, lesklý, velmi měkký kov. Na vzduchu i ve vodě je stálý.

Tab. 20: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání cínu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.115 (při 0 °C) 66.8 7.365 231.93

Kovový cín se vyskytuje ve třech alotropních modifikacích. Nejznámější je přechod mezi formou bílého a šedého cínu, který nastává při teplotě 13,2 °C. Jsou-li cínové předměty (nádoby, sošky) dlouhodobě vystaveny takto nízkým teplotám, může dojít k přechodu


21

původně bílého cínu na jeho šedou modifikaci. Předmět se rozpadne na prach. Tento jev je označován jako cínový mor a byl znám již ve středověku. Fyzikální vlastnosti shrnuje Tab. 20. Použití cínu: Cín je pro svoji chemickou odolnost a zdravotní nezávadnost žádaným materiálem v potravinářském průmyslu. Slouží např. k výrobě staniolu nebo pocínovaného plechu pro konzervy. Pocínovaný plech našel své uplatnění i v elektronice. Používá se k výrobě stínicích krabiček a přepážek. Ve sklářském průmyslu je používáno roztaveného cínu jako podkladu pro odlévání rozměrných, dokonale rovných skleněných tabulí. Cín slouží k přípravě celé řady slitin. Mezi nejznámější patří cínové bronzy a pájky. Nejjednoduššími cínovými pájkami jsou slitiny s olovem, používané pro pájení elektronických obvodů. Dnes se postupně od slitiny s olovem ustupuje a začíná se využívat slitina s bismutem, která má podobné vlastnosti. Bod tání těchto pájek je dán poměrem obou kovů. Pohybuje se v rozmezí od 250 do 400 °C. 2.4.7 Olovo – Plumbum – Pb Olovo je modrobílý, měkký kov. Vyniká svojí hmotností, viz Tab. 21. Olovo dobře odolává atmosférickým vlivům. Rozpouští se v kyselině dusičné, naopak s koncentrovanou kyselinou sírovou nereaguje. Olovo i všechny jeho sloučeniny jsou toxické. Jeho používání rovněž omezuje směrnice RoHS. Tab. 21: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání olova. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.208 (při 20 °C) 35.3 11.34 327.46

Použití olova: Mezi základní využití olova patří akumulátory. I přes svoji vysokou hmotnost a obsah vysoce žíravé kyseliny sírové nenašly dosud v dopravě lepšího zastoupení. Olověné akumulátory vynikají malým vnitřním odporem, díky kterému lze zajistit dostatek výkonu na svorkách motorového spouštěče. Kovové olovo velice dobře pohlcuje rentgenové záření. Slouží proto k odstínění prostor medicínských rentgenů a jejich obsluhy. Ne jinak je tomu i v případě gama záření. Na druhou stranu, pro beta záření je olovo naprosto nevhodné z důvodu silného druhotného záření. Olovo se rovněž používá k výrobě křišťálového skla. To zpravidla obsahuje 18 až 35 % oxidu olovnatého PbO. Sklo tak získává větší hustotu, menší tepelnou vodivost, větší odolnost, vyšší index lomu a odtud i vyšší lesk. Bod měknutí těchto skel je velmi nízký. Sklovina s oxidem olovnatým má dlouhý interval zpracování. Olovnaté sklo rovněž pohlcuje škodlivé rentgenové a gama záření. Ze slitin olova jsou nejvýznamnější pájky. Nejčastěji se jedná o slitiny olova a cínu. Mezi další významnou sloučeninu olova patří sulfid olovnatý PbS. Ten je citlivým detektorem infračerveného záření, při kterém vykazuje fotoelektrickou vodivost. Toho se využívá při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků.


22 2.4.8

Antimon – Stibium - Sb

Antimon je stříbřitě bílý, lesklý, velmi křehký polokov. Je charakteristický hrubě krystalickým lomem. Kovový antimon se vyskytuje v několika alotropních modifikacích: modro-bílý kovový antimon a nestálé nekovové formy žlutého a černého antimonu. Jeho základní fyzikální vlastnosti shrnuje Tab. 22. Použití antimonu: Přibližně 60 % produkce primárního antimonu se spotřebovává ve formě oxidu antimonitého Sb2O3 a antimoničnanu sodného Na3SbO4 při výrobě zpomalovačů hoření některých druhů plastů, např. PVC (polyvinylchlorid). Nehořlavost je vítanou vlastností elektrické izolace silových vodičů. Tab. 22: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání antimonu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.417 (při 20 °C) 24.4 6.697 630.63

Slitina olova, antimonu a selenu se používá při výrobě elektrod olověných akumulátorů. Vyšší mechanická pevnost této slitiny značně prodlužuje životnost akumulátorů. Antimon se rovněž používá při výrobě pájek, kde slouží ke zvýšení pevnosti spoje. U bezolovnatých pájek navíc zvyšuje smáčivost. Antimon patří mezi příměsové prvky při výrobě polovodičů. Přídavkem definovaného množství atomů antimonu do krystalu vysoce čistého křemíku vzniká polovodič typu N, který společně s polovodičem typu P vytváří PN přechod. Bez PN přechodu se neobejde žádná dioda nebo tranzistor. Optické disky (CD, DVD) s možností vícenásobného zápisu používají pro záznam dat vrstvy nejčastěji na bázi slitin germania, antimonu a telluru nebo stříbra, india, antimonu a telluru. Záznam spočívá ve změně struktury materiálu z krystalické do amorfní formy, přičemž obě formy mají významně odlišné optické vlastnosti. Antimonid galia GaSb je intermetalická polovodičová sloučenina galia (Ga) a antimonu (Sb) s teplotou tání 712 °C. Pohyblivost elektronů je 4000 cm2V-1s-1 a šířka zakázaného pásu 0.7 eV. Používá se pro výrobu tunelových a LED diod. Antimonid india InSb je intermetalická polovodičová sloučenina india (In) a antimonu (Sb) s teplotou tání 525 °C. Vyznačuje se velkou pohyblivostí elektronů (až 80 000 cm2V-1s-1) a malou šířkou zakázaného pásu (0.18 eV). Je vhodná pro výrobu Hallových generátorů, magnetorezistorů, detektorů infračerveného záření apod. 2.4.9

Bismut – Bismuthum – Bi

Bismut je růžový, lesklý, velmi křehký kov, který se dá snadno rozetřít na prášek. Za normální teploty je bismut stálý, za vyšších teplot ochotně reaguje např. s kyslíkem nebo chlorem. Bismut není toxický, nekumuluje se rovněž v živých organismech. Společně s manganem má ze všech známých kovů nejnižší hodnotu tepelné vodivosti. Podrobnosti rozvádí Tab. 23.


23

Bismut má ze všech kovů největší diamagnetickou konstantu. Jeho relativní permeabilita r má hodnotu 0.999834. Pokud je diamagnetický materiál vystaven působení vnějšího magnetického pole, vytvoří vlastní pole opačného směru. Tím je schopen vnější magnetické pole potlačit. Tab. 23: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání bismutu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

1.29 (při 20 °C) 7.97 9.78 271.5

Bismut má ze všech kovů rovněž nejvyšší Hallovou konstantu RH = - 6 x 10-10 m3A-1s-1. Hallovo napětí je definováno podle následujícího vzorce: (1) Hallovo napětí naměříme na elektrodách destičky o tloušťce d ve směru kolmém na směr protékajícího proudu I a působícího magnetického pole B, Obr. 12.

Obr. 12: Hallův článek Použití bismutu: Bismut se společně s tellurem využívá ke konstrukci Peltierových článků. Peltierův jev je opačný k jevu Seebeckovu. Při přechodu elektronů z materiálu s menší šířkou zakázaného pásma do materiálu s větší šířkou zakázaného pásma nebo opačně dochází buď k přebytku, nebo nedostatku energie v místě styku. To je kompenzováno generováním nebo odváděním tepla. Bismut je součástí mnoha slitin a pájek. Protože není toxický a svými vlastnostmi se podobá olovu, používá se jako jeho náhrada při výrobě pájek. Slitina bismutu a manganu, tzv. bismanol, se používá k výrobě silných permanentních magnetů. Bismut je rovněž součástí Woodova kovu s teplotou tání 60 až 70 °C. Jedná se o slitinu 4 kovů s přibližným složením 50 % bismutu, 25 % olova, 12,5 % cínu a 12,5 % kadmia. Zhotovují se z něho nejrůznější pojistky a požární čidla.


24

2.5 Vysokotavitelné kovy 2.5.1

Titan – Titanium - Ti

Titan je šedý, velmi tvrdý a přitom lehký kov. Má nejvyšší poměr mezi pevností a hustotou ze všech kovových materiálů. Vyniká vysokou pevností v tahu, která je ve srovnání s ocelí větší při téměř poloviční úspoře hmoty. Titan je průměrným vodičem tepla i elektřiny, viz Tab. 24. Vyznačuje se mimořádnou chemickou stálostí. Je zcela netečný k působení vody a atmosférických plynů. Tab. 24: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání titanu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.420 (při 20 °C) 21.9 4.506 1668

I když je titan sedmým nejrozšířenějším kovem na zemi, byl jako čistý kov po dlouhou dobu velmi vzácným a drahým materiálem. Důvodem je skutečnost, že běžné hutní metody, které se využívají k výrobě jiných kovů, jsou v případě titanu neúčinné. Mezi nevýhody titanu patří špatné třecí vlastnosti, zadírá se. Jeho obrobitelnost je horší než u ostatních kovů. Titan je zdravotně nezávadný. Použití titanu: Titan má jedinečnou odolnost vůči korozi a abrazi (narušování povrchu ještě tvrdšími částicemi). Tyto vlastnosti zachovává i přes velký rozsah teplot. Odtud jsou titan a jeho slitiny základním kosmickým materiálem. Bývá součástí opláštění a skeletů raketoplánů, družic, vesmírných sond apod. Díky vysoké pevnosti v tahu je žádaným konstrukčním materiálem leteckých motorů, především lopatek leteckých turbín a kompresorů. Nitrid titanu TiN patří ke skupině nejtvrdších látek, naleží mu místo ihned po diamantu. Jeho aplikací jsou brusné materiály, ale i povrchová úprava titanových nástrojů, tzv. nitridování, kdy je na povrchu nástroje určeného pro extrémní fyzické namáhání vytvořena tenká ochranná vrstva TiN. Nejrozšířenější slitinou titanu je Ti-6Al-4V. Její objem výroby činí přibližně 70% všech titanových slitin. Použitelná je do teploty 400°C. Použití nachází v medicíně (implantáty), dále pak v kosmickém, leteckém a lodním průmyslu. Slitina titanu a mědi TiCu vyniká svojí pružností. Drát z této slitiny lze ohnout do pravého úhlu, aniž dojde k plastické deformaci. Po odstranění síly se drát opět narovná. Významné jsou rovněž slitiny s tvarovou pamětí, např. NiTi (viz kap. 2.3.3.3). Titaničitan barnatý BaTiO3 (permitit) a titaničitan olovnatý PbTiO3 patří do skupiny feroelektrik. Pokud se jejich pracovní bod nachází pod Curieovou teplotou, vykazují spontánní polarizaci. Jejich závislost elektrostatické indukce D na intenzitě elektrického pole E opisuje hysterezní smyčku. Odtud je jejich relativní permitivita εr nelineární a závislá na E. Pohybuje se v rozmezí 104 až 105. Používá se jich na výrobu miniaturních kondenzátorů (blokovací a vazební funkce), součástí s elektricky řízenou kapacitou, násobičů kmitočtů apod. Feroelektrika jsou rovněž základem termistorů s kladným teplotním koeficientem (PTC). Využívá se průchodu skrz Curieho teplotu, kde dochází k prudké změně odporu. MgTiO3 je dobře známým mikrovlnným dielektrikem. Má záporný teplotní koeficient. Substitucí Ca za Mg lze dosáhnout nulové teplotní závislosti, ovšem v nepříliš širokém


25

rozsahu teplot. Permitivita kompenzovaného materiálu je 20.5 a jakost se pohybuje kolem 7000 na 10 GHz. Využívá se pro koaxiální rezonátory, filtry a tlustovrstvé substráty. ZrSnTiO4 patří stále k nejrozšířenějším mikrovlnným keramikám (označení ZTS). Permitivita se pohybuje okolo 37 a jakost dosahuje 6000 na 10 GHz. Používá se jak pro dielektrické tak pro koaxiální rezonátory a filtry. Oxid titaničitý TiO2 je základem rutilové keramiky. Bývá zastoupen až 95%. Používá se ho při výrobě miniaturních vysokofrekvenčních kondenzátorů. Oxid titaničitý bývá rovněž příměsí optických skel, kde zvyšuje index lomu. Dále snižuje viskozitu. Má velmi malý součinitel teplotní roztažnosti, přispívá tedy ke zvýšení tepelné odolnosti skla. 2.5.2 Zirkonium – Zirkonium - Zr Zirkonium je šedý až stříbřitě bílý kov. Má vysokou korozní odolnost, lepší než titan. Na vzduchu je stálé. Hlavní uplatnění nalézá v jaderné energetice, protože vykazuje velmi nízký účinný průřez pro záchyt neutronů a jeho vlastnosti se vlivem ozáření prakticky nemění. Použití zirkonia: Dobré nukleární vlastnosti zirkonia společně s jeho vysokou odolností proti korozi jsou využívány při konstrukci ochranných potahů palivových článků vodou chlazených jaderných reaktorů. Při teplotách do 400 °C se rovněž uplatňuje při konstrukci chladičů na kovová chladiva (sodík), která jinak napadají většinu kovů. Zirkonium se však chová netečně. Tab. 25: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání zirkonia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.421 (při 20 °C) 22.6 6.52 1855

Zirkonium je také žádané ve vakuové technice. Jeho malá sekundární emise elektronů se využívá při konstrukci speciálních elektronek. Zirkonium je vyhledávaným getrem (pohlcovačem zbytků plynů ve vakuu). Getry mívají nejčastěji tvar uzavřeného kroužku (závitu nakrátko), Obr. 13. Pokud se dostanou do střídavého magnetického pole, rozžhaví se indukovaným proudem a pohltí plyny. Plyny, které jsou zirkoniem pohlcovány, neuzavírají jeho povrch, což je výhodné. Kromě toho, ani při vysokých teplotách do 1200 °C pohlcené plyny netěkají. Při ohřevu nad 300 °C se uvolňuje pouze vodík. Pro zlepšení mechanických vlastností bývá zirkonium legováno pomocí hliníku, cínu, tantalu, niobu, molybdenu, chromu a železa. Korozní vlastnosti zůstávají stejné jako u čistého zirkonia. Jedině slitiny s cínem ZrSn mají lepší korozní vlastnosti a staly se tak důležitými konstrukčními slitinami ve stavbě reaktorů. Jsou obchodně označovány jako Zircaloy (přísada 1.3 až 1.65 % cínu). Slitiny s niobem ZrNb vykazují supravodivé vlastnosti i při relativně vysokých teplotách (desítky stupňů K) a slouží pro výrobu supravodivých magnetů. Oxid zirkoničitý ZrO2 je vysoce žárovzdorným keramickým materiálem. Výrobky z něho lze použít až do teploty 2400 °C. Nicméně pro praktické použití je nutná jeho stabilizace. Existuje totiž ve třech krystalových modifikacích, kde při změnách teploty může docházet k rekrystalizaci spojené s velkou objemovou změnou. Při teplotách nad 600 °C se stabilizovaný oxid zirkoničitý chová jako pevný elektrolyt s iontovou vodivostí. Tohoto jevu lze využít např. k měření obsahu kyslíku v plynech a roztavených kovech, k čištění plynů od kyslíku (např. čištění argonu) apod.


26

Obr. 13: Vnitřní systém vakuové diody PY88. Zirkoniový kroužek slouží jako getr. Oxid zirkoničitý se uplatňuje při výrobě speciálních skel (např. pro laboratoře). Dodává sklu velkou odolnost proti vodě, kyselinám a louhům, dále velkou pevnost a houževnatost. 2.5.3

Niob – Niobium - Nb

Niob je šedý, kujný, středně tvrdý kov. Má podobné vlastnosti jako tantal, je však lépe zpracovatelný. Vyznačuje se dobrou chemickou stálostí za běžných teplot. Hlavní překážkou pro širší využití čistého niobu je jeho cena a malá odolnost proti oxidaci za zvýšené teploty. Niob má ze všech kovů nejvyšší přechodovou teplotu (9.13 K), proto se používá jako supravodič. Mezi supravodiče rovněž patří slitiny niobu s titanem nebo zirkoniem. Niob je fyziologicky inertní. Fyzikální vlastnosti shrnuje Tab. 26. Tab. 26: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání niobu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.152 (při 0 °C) 53.7 8.57 2477

Použití niobu: Niob nalézá uplatnění ve vakuové technice. Teplotní součinitel délkové roztažnosti niobu je velice blízký součiniteli korundové keramiky. Z tohoto důvodu se niobu nebo jeho slitiny NbZr používá při výrobě vodivých průchodek. Ty jsou pak součástí sodíkových výbojek, jejichž obal je tvořen průsvitnou korundovou keramikou. Niob je rovněž vyhledávaným getrem a konstrukčním materiálem při realizaci elektronek. Dále je niob zkoumán jako možná náhrada tantalu v kondenzátorech. Niobičitan draselný KNbO3 patří společně s titaničitany mezi feroelektrika (více viz kap. 2.5.1). Niobát lithia LiNbO3 zase patří společně s tantaličnany mezi piezoelektrika (více viz kap. 2.5.5). Niob je součástí slitin, které odolávají vysokým teplotám. Bez těch se neobejdou např. proudové motory. Pro lopatky turbín na velké výkony byly vyvinuty slitiny niobu s 13.7 % wolframu, 4.55 % molybdenu a 1.75 % zirkonia, nebo slitiny niobu s 10.7 % wolframu, 2.9 % molybdenu a 2 % hafnia. Ty jsou ještě potahovány povlaky, např. MoSi2 nebo NbSi2, které je chrání před oxidací až do teploty 1300 °C. Niob je také hlavní složkou slitin pro výrobu kardiostimulátorů a kostních implantátů.


27

2.5.4 Molybden – Molybdaneum - Mo Molybden je stříbrobílý, lesklý, značně tvrdý kov. Vyniká vysokým bodem tání, viz Tab. 27. Na vzduchu je za normální teploty stálý, stejně tak odolává působení vody. Od teploty 400 °C začíná molybden oxidovat, od 600°C je průběh oxidace velice rychlý, neboť vznikající MoO3 sublimuje a tím neustále odkrývá nový kovový povrch. Molybden má velmi dobré mechanické vlastnosti i při vyšších teplotách. Při porovnání s wolframem má podstatně větší rychlost odpařování a menší chemickou odolnost, na druhou stranu ale vyniká lepší tažností. Použití molybdenu: Největší množství molybdenu se spotřebovává ve formě přísad do konstrukčních žáropevných ocelí, dále do rychlořezných, kyselinovzdorných a magnetických ocelí. Molybdenu se používá na tepelně namáhané součásti výkonových elektronek. Vyrábějí se z něj přívody proudu vysílacích elektronek, vinutí mřížek, anody rentgenek a vysílacích elektronek chlazené sáláním. Z molybdenu se rovněž zhotovují pomocné elektrody, vrchlíky, ochranné plechy, chladící žebra apod. Molybdenové dráty se používají v žárovkách jako nosiče žhavících vláken. Tab. 27: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání molybdenu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0534 (při 20 °C) 138 10.28 2623

Sloučenina MoSi2, známá pod obchodním názvem superkanthal, se používá jako topný odporový materiál elektrických pecí s teplotami až do 1700 °C. Má podobné vlastnosti jako SiC, ale jeho měrný odpor je podstatně nižší. Nevýhodou je jeho vysoká cena. 2.5.5 Tantal – Tantalum - Ta Tantal je šedý, kujný a velmi pevný kov. Při teplotách do 150 °C je mimořádně chemicky odolný, nereaguje dokonce ani s lučavkou královskou. Základní fyzikální parametry uvádí Tab. 28. Použití tantalu: Tantal je základním stavebním materiálem tantalových elektrolytických kondenzátorů. Tantalová fólie tvoří první elektrodu kondenzátoru, oxid tantaličný Ta2O5 jeho dielektrikum a elektrolyt je ve funkci druhé elektrody kondenzátoru. Tantalové elektrolytické kondenzátory vynikají velkou kapacitou při malém objemu. Toho je možné dosáhnout díky pozoruhodné vrstvě Ta2O5. Ta je vytvořena anodickou oxidací, odolává většině kyselin a navíc vyniká dobrými dielektrickými vlastnostmi a tepelnou stálostí až do +175 °C. Relativní permitivita oxidu tantaličného, Ta2O5, dosahuje hodnot r = 25 ÷ 27, zatímco relativní permitivita oxidu hlinitého, Al2O3, pouze r = 8 ÷ 9. Při zachování kapacity a tloušťky dielektrika se tak dosahuje oproti hliníkovým elektrolytickým kondenzátorům až trojnásobné úspory místa. Tantalové kondenzátory se rozdělují na kondenzátory s kapalným a pevným elektrolytem. Kondenzátory s kapalným elektrolytem snesou větší nabíjecí proud, mají menší šum a samoregenerační schopnosti. K jejich nevýhodám patří jejich větší rozměr, který vyplývá z poměrně náročného utěsnění. Jeho velikost je srovnatelná s funkční částí


28

kondenzátoru. Kondenzátory s pevným elektrolytem vynikají malými rozměry. Vzhledem ke stále rostoucím požadavkům na miniaturizaci jsou upřednostňovány. Tab. 28: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání tantalu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.131 (při 20 °C) 57.5 16.69 3017

Oxid tantalu je rovněž součástí speciálních skel pro výrobu optických součástek (např. čoček filmových kamer). Jeho přítomnost zvyšuje index lomu materiálu. Dále se tantalu používá k výrobě tenkovrstvých rezistorů, kde vytváří funkční kovovou vrstvu. Vrstva se nanáší chemicky buď katodovým naprašováním, nebo vakuovým napařováním. Tantaličnan lithný LiTaO3 má piezoelektrické vlastnosti. Rozlišují se látky vykazující přímý piezoelektrický jev, kde se vlivem mechanického namáhání na povrchu látky generují separované náboje, a elektrostrikce, kde po přiložení vnějšího elektrického pole dochází ke změně objemu látky. Těchto materiálů se využívá při konstrukci piezoelektrických rezonátorů, elektromechanických filtrů s povrchovou akustickou vlnou (SAW - Surface Acoustic Wave), elektroakustických měničů (mikrofony, sirény), elektromechanických měničů (zapalovače), apod. Nelze rovněž opomenout využití tantalu ve vakuové elektronice při výrobě žhavicích vláken elektronek. Díky své netečnosti se tantal používá pro výrobu pouzder elektronických zařízení implantovaných do lidského těla, např. kardiostimulátorů. Tantal se také využívá v mnoha slitinách, které díky němu získávají vysokou teplotu tání, pevnost a kujnost. Ty se uplatňují při výrobě vysoce namáhaných součástek např. v proudových motorech nebo atomových reaktorech. Směsný karbid TaC·ZrC má nejvyšší teplotu tání ze všech doposud známých látek. Překračuje 4000 °C. 2.5.6

Wolfram – Wolframium – W

Wolfram je šedý až stříbřitě bílý kov. Jeho teplota tání je nejvyšší ze všech kovů a po uhlíku druhá nejvyšší ze všech prvků, viz Tab. 29. Vyniká rovněž nejmenším teplotním součinitelem délkové roztažnosti (4.5 x 10-6 K-1) a tvrdostí, která je hned druhá po chromu. Wolfram je na suchém vzduchu stálý, odolává také působení většiny běžných minerálních (anorganických) kyselin. Oxiduje pouze ve vlhku a za zvýšených teplot. Oxidace začíná asi při teplotě 400 °C, při 600 °C je oxidace značná a nakonec při teplotách nad 850 °C oxidy wolframu sublimují. Použití wolframu: Wolfram je výchozím materiálem při výrobě žárovkových vláken. Zahřívá se průchodem elektrického proudu do vysokých teplot za vzniku infračerveného a viditelného optického záření. Protože odolnost wolframu proti oxidaci za vysokých teplot již není velká, musí být vnitřní prostor žárovky vyplněn vakuem nebo inertním plynem. Provozní teplota při životnosti asi 1000 hodin je 2050 až 2150 °C (žárovka s dlouhým vláknem a vakuem), nebo 2500 až 2600 °C (žárovka se spirálou plněná plynem). Wolfram tyto extrémní pracovní podmínky snáší díky své vysoké teplotě tání a nízkému odpařování. Odpařování wolframu lze


29

dále potlačit pomocí halogenů. Wolframové páry reagují s halogenem, zabraňují tak jeho usazování na skle a při styku se spirálou se opět rozkládají. Nedochází tedy k úbytku spirály a zkracování její životnosti. Jedná se o tzv. halogenový cyklus. Tab. 29: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání wolframu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0528 (při 20 °C) 173 19.25 3422

Wolfram našel své uplatnění rovněž v elektronice, především při výrobě elektronek. Hlavním představitelem povlakových katod je wolfram pokrytý vrstvou thoria. Bylo zjištěno, že při shodném tepelném zpracování dodává thoriová povlaková katoda elektronovou emisi několikrát větší, než čistá wolframová katoda. Jen pro srovnání: výstupní práce čistého wolframu je 4.54 eV, výstupní práce povlakové katody s vrstvou thoria 2.63 eV, výstupní práce povlakové katody s vrstvou barya 1.56 eV a výstupní práce povlakové katody s vrstvou cesia 1.36 eV. Významné je mechanicky pevné a vakuově těsné zatavování wolframových přívodů do skel. Používají se speciální tvrdá skla, která mají teplotní součinitel délkové roztažnosti podobný teplotnímu součiniteli wolframu. Taková skla se vyznačují velkou teplotní odolností a používají se při výrobě tepelně namáhaných elektronek. Wolfram je také odolný elektrickému oblouku. Je proto vyhledávaným materiálem při výrobě silových elektrických kontaktů. Wolframové kontakty nepodléhají opalování a svařování, jejich opotřebení je celkově nižší. V oblasti elektrických kontaktů se rovněž využívá wolframových pseudoslitin, tj. slinutých hmot. Jedná se o heterogenní soustavy dvou nebo více kovů, které se vyrábějí buď slinováním směsi prášků, nebo nasáváním jednoho materiálu pórovitou strukturou druhého materiálu. Sintrovanou kostru wolframu vyplňuje nejčastěji měď nebo stříbro. Wolframová kostra tvoří nosnou část kontaktu odolnou proti opalu, měď nebo stříbro zase zajišťují dobré elektrické a tepelné vlastnosti. Wolframu se rovněž používá při výrobě wolframových elektrod. Ty se používají při svařování elektrickým obloukem v ochranné atmosféře, např. argonu. Jedná se o metodu TIG (tungsten inert gas). Při této metodě dochází vlivem elektrického proudu a vyvolaného oblouku k roztavení zpracovávaných kovů bez úbytku materiálu elektrod. Wolfram je rovněž součástí elektrod zapalovacích svíček zážehových motorů. Do slitin se wolfram přidává za účelem zvýšení tvrdosti a mechanické i tepelné odolnosti. Některé rychlořezné oceli obsahují až 18 % wolframu. Velmi tvrdý karbid W2C spolu s kobaltem tvoří známou tvrdou slitinu vidium. Velký význam mají slitiny WMo. Drát ze slitiny W-Mo25 společně s wolframovým drátem vytvářejí termočlánek pro měření teplot až do 3000 °C. Wolframan vápenatý CaWO4 má luminoforní vlastnosti. Používá se ho k výrobě zářivek.


30

2.6 Alkalické kovy 2.6.1

Lithium – Lithium - Li

Jedná se o velmi lehký a měkký kov (ještě měkčí než mastek), který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Fyzikální vlastnosti rozvádí Tab. 30. Lithium má nejmenší hustotu ze všech pevných prvků, je lehčí než voda nebo petrolej a plave na nich. Ve srovnání s ostatními kovy má poměrně nízké teploty tání a varu. Kovové lithium je hodně reaktivní. Použití lithia: Elementární lithium se uplatňuje v jaderné energetice, kde v určitých typech reaktorů odvádí roztavené lithium teplo. V současné době patří lithiové baterie a akumulátory k velmi perspektivním prostředkům pro dlouhodobější uchování elektrické energie. Nabízejí nejlepší poměr kapacity a hmotnosti. Zápornou elektrodu akumulátorů tvoří slitina LiSi, kladnou elektrodu zase FeSx a jako elektrolyt se používá roztavený LiCl nebo KCl. Tento akumulátor je nejrozšířenější, vyvíjí se ale další typy. Nevýhodou lithiových akumulátorů je potřeba přesného nabíjení. Překročení napětí může znehodnotit akumulátor. Tab. 30: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání lithia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0928 (při 20 °C) 84.8 0.534 180.5

Lithium se rovněž používá jako donorová příměs u polovodičových detektorů ionizujícího záření. Součinitel difuze je pro atomy lithia až 107 krát větší, než jakého lze dosáhnout u bóru nebo fosforu, které se používají v technologii detektorů s povrchovou bariérou. Vpravením atomů lithia do prostoru mezi dvěma vysoce dotovanými oblastmi typu N a P se vytvoří ochuzená vrstva, jejíž tloušťka nezávisí na přiloženém napětí. Tím je zajištěno lineární elektrické pole a konstantní proudový signál. Kovové lithium se uplatňuje jako součást lehkých slitin, zejména pro leteckou a kosmickou techniku. Slitiny s obsahem lithia se vyznačují nízkou hustotou, vysokou pevností, značným modulem pružnosti a velmi vysokou kryogenní odolností. Nejčastěji se používají slitiny lithia s hliníkem a hořčíkem. Největší množství lithia (asi 20 %) se spotřebovává ve formě uhličitanu lithného Li2CO3 v keramickém a sklářském průmyslu pro snižování bodu tání, úpravu viskozity a součinitele tepelné roztažnosti. 2.6.2

Sodík – Natrium – Na

Sodík je stříbrobílý, lesklý a neušlechtilý kov. Je lehčí než voda, viz Tab. 31. Sodík je rovněž velice měkký, dá se krájet nožem. Na vzduchu je nestálý a rychle se pokrývá vrstvou hydroxidu sodného, NaOH. Použití sodíku: Sodík je základním materiálem při výrobě výbojek. Rozlišujeme dva druhy: Nízkotlaká sodíková výbojka je v mnohém podobná zářivce. Sodíkové páry mají při svícení tlak přibližně


31

0.5 Pa při teplotě stěny trubice kolem 270 °C. Charakteristickou vlastností nízkotlaké výbojky je monochromatické vyzařování (čáry na 589.0 a 589.6 nm) a velká světelná účinnost přesahující 150 lm/W. Vysokotlaká sodíková výbojka svým tvarem připomíná vysokotlakou rtuťovou výbojku. Sodíkové páry mají při svícení tlak přibližně 20 kPa při teplotě stěny trubice až 1200 °C. Vysokotlaká sodíková výbojka má rozprostřené spektrum a odtud lepší podání barev. Její světelná účinnost přesahuje 100 lm/W. Hlavní výhoda obou typů sodíkového výboje spočívá v tom, že vlnové délky emitovaného záření (žlutá) jsou velice blízko maximální citlivosti lidského oka. Není zde nutná přeměna ultrafialových fotonů na viditelné světlo, tak jak je tomu třeba u rtuťového výboje. Nevýhodou těchto výbojek je velká chemická aktivita ionizovaného sodíku, která omezuje výběr vhodných konstrukčních materiálů pro výbojkovou trubici. U vysokotlakých sodíkových výbojek vyhovuje pouze korund Al2O3, který je rovněž průchozí pro žluté světlo. Tab. 31: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání sodíku. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.0477 (při 20 °C) 142 0.968 97.794

Roztavený kovový sodík se často uplatňuje v jaderné energetice jako látka odvádějící teplo. Nahrává tomu poměrně nízká teplota tání sodíku a především fakt, že sodík při styku s vysoce energetickými neutrony nebo  paprsky nepodléhá radioaktivní přeměně na nebezpečné β nebo  zářiče s dlouhým poločasem rozpadu. Pro přenos tepla rovněž slouží v letecké technice. Kovový sodík se používá jako redukční činidlo při výrobě těžkotavitelných kovů, tj. titanu a zirkonia, Krollovým postupem. Sodíkem se vysoušejí kapaliny i transformátorový olej. Co se týká sloučenin sodíku, asi nejznámější je chlorid sodný NaCl, jinými slovy kamenná či kuchyňská sůl. Oxid sodný Na2O je velmi důležitou složkou skel a vyznačuje se po oxidu lithném nejsilnějším tavicím účinkem na oxid křemičitý. Sklovina s oxidem sodným má krátký interval zpracování. Oxid sodný zvyšuje součinitel teplotní roztažnosti a snižuje chemickou odolnost skel, a to nejvíce ze všech oxidů. 2.6.3 Cesium – Caesium – Cs Cesium je lehký, zlatožlutý kov. Je měkčí než vosk. Ze všech kovů je cesium nejměkčí. Snadno se krájí nožem. Na rozdíl od lithia a sodíku je těžší než voda. Vede dobře elektrický proud a teplo. Pro podrobnosti viz Tab. 32. Ve srovnání s ostatními kovy má nízký bod tání a varu. Na vzduchu je nestálý. Cesium je ze všech alkalických kovů nejreaktivnější. Tab. 32: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání cesia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.205 (při 20 °C) 35.9 1.93 28.5


32

Použití cesia: Zpočátku nemělo cesium většího využití. Od roku 1920 se začalo používat při výrobě elektronek jako getr, tj. látka sloužící k odstraňování zbytků plynů při vakuovém čerpání skleněných trubic a baněk. Cesium je nenahraditelné při výrobě povlakových katod. Má nejnižší výstupní práci, která činí 1.36 eV. Toho je rovněž využíváno při konstrukci fotonek. Jako jediný kov je totiž schopen uvolňovat elektrony při ozařování světlem všech barev. Krystalický jodid a bromid cesný se používají na výrobu citlivých vrstev scintilačních přístrojů, zejména k detekci paprsků  a rentgenového záření. Cesium se dále používá ve formě intermetalické sloučeniny KCsSb k výrobě citlivé vrstvy fotoelektrických článků do přístrojů pro noční vidění. Velmi agresivní hydroxid cesný CsOH je hlavní složkou leptacích lázní při výrobě polovodičů. Od roku 1967 je v soustavě SI definována základní jednotka času, 1 sekunda, na základě frekvence emitovaného světelného záření izotopu 133Cs.

2.7 Kovy alkalických zemin 2.7.1

Baryum – Baryum -Ba

Baryum je šedobílý, lesklý, lehký a měkký kov. Chemicky je velice reaktivní. Baryum i všechny jeho rozpustné soli jsou prudce jedovaté. Fyzikální vlastnosti rozvádí Tab. 33. Tab. 33: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání barya. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.332 (při 20 °C) 18.4 3.51 727

Použití barya: Ve vakuové technice je baryum používáno při výrobě povlakových katod. Baryum má malou výstupní práci, která činí 1.56 eV, a je jen o něco větší od cesia. Jeho tenké vrstvy se pak používá k elektronové emisi. V některých zářivkách slouží elementární baryum jako getr, tedy látka pohlcující zbytky kyslíku a vodních par z inertního plynu svítidla. Vzhledem k poměrně vysokému atomovému číslu barya (Z = 56) pohlcují baryum a jeho sloučeniny rentgenové záření silněji než sloučeniny s lehčím jádrem. Např. síran barnatý BaSO4 bývá složkou omítek, kterými jsou pokrývány zdi rentgenových pracovišť a brání tak nežádoucímu ozáření personálu. Síran barnatý se také využívá v klinické praxi jako radiokontrastní látka. Při rentgenovém snímkování trávicího traktu vypije pacient suspenzi síranu barnatého ve vodě a po několika desítkách minut je možno získat velmi kvalitní snímek pacientova žaludku a střev. Nízká rozpustnost této sloučeniny přitom zamezí možnosti otravy pacienta. Velice čistý síran barnatý je téměř ideálně bílý a proto nalézá uplatnění při výrobě součástí spektrometrických zařízení pro měření barevnosti různých látek. Boritan barnatý Ba(BO2)2 je používán jako UV stabilizátor PVC a k výrobě optických součástí pracujících v UV části spektra. Fluorid barnatý BaF2 slouží k výrobě detektorů rentgenového a gama záření. Titaničitan barnatý BaTiO3 vykazuje piezoelektrické vlastnosti a využívá se k výrobě mikrofonů a jako dielektrikum v keramických kondenzátorech. Feritu BaFe je používáno k výrobě permanentních magnetů. Oxid barnatý


33

BaO zlepšuje tavitelnost skla a prodlužuje interval zpracovatelnosti. Používá se proto v lisovaném skle (např. při výrobě baněk elektronek). Potlačuje rovněž ionizující záření, podobně jako oxid olovnatý. Barnatá skla jsou však méně odolná proti chemickým vlivům.

2.8 Nezařazené kovy 2.8.1 Beryllium – Beryllium - Be Beryllium je lesklý, ocelově šedý, velice tvrdý a křehký kov. Má poměrně vysokou teplotu tání, viz Tab. 34. Za běžné teploty je beryllium na suchém vzduchu stabilní. S vodou reaguje pouze na povrchu a pokrývá se tenkou vrstvou oxidu berylnatého BeO. Bývá součástí minerálu berylu, vyskytuje se rovněž ve smaragdech. Beryllium i všechny jeho sloučeniny jsou vysoce toxické. Z organismu vytěsňují důležité biogenní prvky, zejména hořčík a vápník. Beryllium se rovněž řadí mezi karcinogeny. Tab. 34: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání beryllia. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.036 (při 20 °C) 200 1.85 1287

Použití beryllia: Kovové beryllium vyniká vysokou propustností pro rentgenové záření a nízkoenergetické neutrony. Používá se ke konstrukci rentgenových analyzátorů kovů (beryliová okénka o síle několika mikrometrů pro vstup záření), v jaderné energetice je součástí neutronových zrcadel, moderátorových tyčí apod.

Obr. 14: Výkonový mikrovlnný tranzistor BFR94 a jeho katalogový list. Slitiny beryllia vykazují vysokou pevnost při malé hustotě, jsou proto vyhledávaným konstrukčním materiálem letadel a kosmických lodí. Slitiny beryllia s cínem a mědí, tzv.


34

beryliové bronzy, vynikají tvrdostí, pevností a zároveň dobrou elektrickou a tepelnou vodivostí (např. slitina 98 % mědi a 2 % beryllia se může srovnávat s nejkvalitnější nemagnetickou ocelí). Své uplatnění našly při výrobě kontaktů a pružin. Beryliové bronzy se rovněž používají při výrobě nejiskřivého nářadí pro práce v explozivním prostředí. Beryllium se rovněž využívá při konstrukci špičkových elektrodynamických vysokotónových reproduktorů. Využívá se jeho nízké hmotnosti (o 32 % nižší než hliník a o 59 % nižší než titan), vysoké tuhosti a rychlosti, se kterou přenáší zvuk (vlastní rezonance membrány bývá v neslyšitelném spektru). Nejdůležitější sloučeninou beryllia je oxid berylnatý BeO. Jedná se o stabilní sloučeninu. Beryliová keramika vyrobená z práškového spékaného oxidu berylnatého se používá jako izolant a keramický nosič čipů speciálních polovodičových součástek. Širšímu používání brání především toxicita beryllia. Beryliová keramika má největší tepelnou vodivost ze všech izolačních materiálů ( = 251 Wm-1K-1 při 25 °C,  = 146 Wm-1K-1 při 150 °C), výborné izolační vlastnosti ( > 1019 mm2m-1, Ep = 22.8 kVmm-1), malou permitivitu (r = 6.5 při 1 MHz, r = 6.6 při 10 GHz) a dielektrické ztráty (tg = 0.0004 při 1 MHz i 10 GHz). Uvedené vlastnosti jsou ocenitelné zejména ve výkonové a vysokofrekvenční technice. Je součástí pouzder výkonových mikrovlnných tranzistorů, kde výborně odvádí teplo, Obr. 14. Protože je oxid berylnatý transparentní pro mikrovlnné záření, používá se jako ochrana mikrovlnných antén před vnikáním nečistot (např. u mikrovlnných trub nebo v telekomunikacích). Dále je oxid berylnatý součástí tzv. Lindemanových skel, která propouštějí rentgenové záření.

2.9 Polokovy 2.9.1

Křemík – Silicium - Si

Křemík je modrošedá, křehká a značně tvrdá látka. Křemík je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře. Na vzduchu je za běžných teplot neomezeně stálý, za vysokých teplot pak značně reaktivní (více než germanium). Křemík krystaluje v krychlové soustavě a vytváří tzv. diamantovou strukturu. Z minerálů obsahujících křemík je asi nejznámější křemen, chemicky oxid křemičitý, SiO2. Minerály s tímto složením se mohou barevně lišit podle obsahu dalších prvků (ametyst, jaspis apod.). Zvláštním případem je amorfní forma této sloučeniny nazývaná opál (mléčné opálové sklo je často používané v osvětlovací technice). Tab. 35: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání křemíku. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

10 x 106 (při 20 °C) 149 2.329 1414

Použití křemíku: Křemík je základním prvkem v polovodičové technice. Jeho šířka zakázaného pásu je 1.12 eV při teplotě 300 K, pohyblivost elektronů je 1350 cm2V-1s-1 a pohyblivost děr je 480 cm2V-1s-1. K přechodu z vodivostního do valenčního pásu nebo opačně je potřeba změny krystalového momentu. Jedná se o polovodič s nepřímou oblastí zakázaného pásu (indirect bandgap), Obr. 19. Přidáním příměsí určitého množství prvku s přebytkem elektronů, tzv.


35

donorů (arsen, antimon, fosfor), vzniká polovodič s vodivostí elektronovou, neboli typu N. Přidáním akceptoru, prvku s nedostatkem elektronů (galium, indium, hliník), vznikají v krystalové mříži neobsazená místa, tzv. díry, jež mohou být považovány za nosiče kladného náboje. Polovodič má děrovou vodivost, neboli vodivost typu P. Využívá se jak monokrystalický křemík, Obr. 15 (výroba diod, tranzistorů, integrovaných obvodů), tak polykrystalický křemík (fotovoltaické články).

Obr. 15: Monokrystaly křemíku různých průměrů. Převzato z materiálu [3]. Křemík je součástí tzv. silikátové keramiky. Základním představitelem je porcelán. Vypaluje se z kaolínu a živce při teplotách 1100°C. Výsledný materiál vyniká tvrdostí a velkou elektrickou pevností (30 kV/mm). Je použitelný do 400 °C s tím, že jeho vlastnosti na teplotě silně závisí. Mezi jeho nevýhody patří velké dielektrické ztráty, je proto nevhodný pro vysokofrekvenční techniku. Nejčastěji se používá pro izolátory venkovních vedení. Příbuzným materiálem je kamenina. V mnohém se podobná porcelánu, má ovšem horší mechanické a elektrické vlastnosti. Protože je nasákavá, je ji potřeba glazovat. Používá se pro výrobu složitějších tvarů větších rozměrů. Dalším představitelem je steatit. Jeho základem je metakřemičitan hořečnatý, MgO × SiO2. Oproti porcelánu má homogennější strukturu, lepší jsou také elektrické a mechanické vlastnosti. Vysokofrekvenční vlastnosti se dále zlepší náhradou alkalických živců za uhličitany alkalických zemin (např. BaCO3 nebo CaCO3). Jedná se o nízko ztrátový steatit, nebo také stealit. Na frekvenci 1 MHz se dosahuje tg  = 7 x 10-4 a εr = 7. Ztrátový činitel s frekvencí roste, na frekvenci 10 GHz dosahuje 20 x 10-4. Používá se na kostry vf cívek, izolační části elektronek a vysokonapěťových kondenzátorů apod. Dále je známý forsterit. Hlavní složkou je ortokřemičitan hořečnatý, 2MgO × SiO2. Mechanická pevnost forsteritu je nižší než u steatitu, nepřekonatelný je ovšem co do dielektrických ztrát (okolo 5 x 10-4 na 10 GHz). I když je jeho teplotní délková roztažnost vysoká, lze ji poměrem složek a přísad přizpůsobit teplotní délkové roztažnosti některých kovů. Používá se proto ve vakuové technice. Za zmínku stojí rovněž kordierit. Krystaluje v komplikovaném složení 2MgO × 2Al2O3 × 5SiO2. Nejdůležitější vlastností kordieritu je velmi nízká teplotní délková roztažnost (až 0.8 ppm/K při nízkých teplotách) a z toho vyplývající vysoká odolnost vůči rychlým změnám teploty. Je odolný vůči elektrickému oblouku, odolává teplotám až do 1100°C. Vzhledem k vysokým dielektrickým ztrátám (až 80 x 10-4 ) není vhodné kordierit používat ve vysokofrekvenčních obvodech. Dále je křemík součástí silikonů. Jedná se o anorganicko-organické polymery. Jejich kostru tvoří řetězec atomů křemíku a kyslíku, které se vzájemně střídají. Jedná se o velmi stabilní chemickou skupinu. Mezi hlavní výhody silikonů patří dobrá stálost vlastností v širokém rozsahu teplot. Běžné typy zvládají −60 až +180 °C, speciální typy -100 až +260 °C. Silikony jsou základem laků, olejů, tmelů, zalévacích hmot, pryží apod. Pro zlepšení přestupu tepla mezi součásti a chladičem se rovněž používá silikonových teplovodivých past se součinitelem tepelné vodivosti  kolem 0.4 Wm-1K-1.

36


Oxid křemičitý SiO2 je nepostradatelný při výrobě monolitických integrovaných obvodů. Mezi jeho základní vlastnosti patří:  Vrstva oxidu křemičitého, která vzniká při okysličování na povrchu křemíkové destičky, je při dostatečně zvládnuté technologii bez pórů a těsně pokrývá povrch s dobrou adhezí. Tloušťku vrstvy lze snadno ovládat. Při výrobě integrovaných obvodů ovšem působí nemalé problémy rozdílná teplotní roztažnost. Křemík má s hodnotou (Si) = 2.5 x 10-6 K-1 cca 5x vyšší koeficient teplotní roztažnosti než oxid křemičitý, (SiO2) = 5.0 x 10-7 K-1.  Oxid křemičitý má velmi dobré maskovací vlastnosti proti difúzi většiny důležitých difúzních prvků.  Lze s ním realizovat napěťově nezávislé kondenzátory s vysokým činitelem jakosti.  Oxid křemičitý je možno dobře chemicky obrábět leptáním v roztocích kyselin. Lze ho obrábět i pomocí elektronového svazku.  Pomocí oxidu křemičitého je možné zajistit dobrou povrchovou ochranu funkčních vlastností v křemíkové destičce. Platí to především o difúzních přechodech PN. Sklářský písek, oxid křemičitý SiO2, je základní sklářskou surovinou. Požadavky na čistotu sklářského písku jsou značné. Hlavní škodlivou nečistotou je oxid železitý Fe2O3, jehož velmi malé procento již barví sklo zeleně. Oxid křemičitý lze ve skle zčásti nebo úplně nahradit oxidem boritým B2O3. Ten zvyšuje mechanickou pevnost, snižuje součinitel teplotní roztažnosti a teplotu tání. Malý obsah oxidu boritého zlepšuje tavbu skloviny a její zpracovatelnost (např. skla pro osvětlovací techniku). Skla s velkým obsahem oxidu boritého, tzv. boritokřemičitá skla, jsou teplotně a chemicky odolná (varné a laboratorní sklo). Oxid draselný je svými vlastnostmi podobný oxidu lithnému nebo sodnému, přitom skla draselná jsou ušlechtilejší, než skla sodná. Do skla se dostává přídavkem uhličitanu draselného K2CO3. Používá se ho při výrobě tabulového skla (výplně oken, dveří apod.). Sklo s přídavkem olova se vyznačuje vysokým indexem lomu. Používá se ho při výrobě křišťálu (lustry, vázy, sklenice), nebo s dalšími příměsemi (např. baryum, zinek, apod.) při výrobě optických přístrojů (čočky, hranoly, optické filtry). Čistý oxid křemičitý bez přísad je tzv. křemenné sklo. Vyniká vysokou chemickou a tepelnou odolností, je transparentní pro ultrafialové záření. Vzhledem k vysoké teplotě tání (1 800 °C) a energetické náročnosti při zpracování je vysoká i jeho cena. Používá se proto jen ve speciálních případech (např. výkonové žárovky, okénka pecí). Oxid křemičitý SiO2 je rovněž základem optických vlnovodů. Nejmenší hodnoty útlumu na jednotku délky vykazuje právě syntetický křemen s vhodnými příměsemi, jako je germanium, fosfor a bór. Velmi malé ztráty křemenných vlnovodů mají základ nejen v čistotě výchozích materiálů, ale i v mimořádné čistotě celého procesu jejich přípravy. 2.9.2

Germanium – Germanium - Ge

Germanium je šedobílá, lesklá a křehká látka. Na rozdíl od křemíku je poměrně vzácné. Na vzduchu je germanium za normální teploty stálé, s kyslíkem reaguje velice pomalu až při teplotách nad 250 °C za vzniku bílého oxidu germaničitého GeO2. V pevném skupenství se germanium chová jako polovodič, v kapalném skupenství je dobrým vodičem, podobně jako rtuť. Použití germania: Germanium započalo rozvoj elektroniky pevné fáze. Zhotovovaly se z něj první polovodičové diody a tranzistory, Obr. 16. Jeho šířka zakázaného pásu je 0.67 eV při teplotě 300 K, pohyblivost elektronů je 3900 cm2V-1s-1 a pohyblivost děr je 1900 cm2V-1s-1. Opět se


37

jedná se o polovodič s nepřímou oblastí zakázaného pásu (indirect bandgap), Obr. 19. Je vidět, že pohyblivost elektronů a děr v germaniu je asi 3x vyšší než ve křemíku. Je to dáno tím, že poloměr atomů germania je asi o 4% větší než u křemíku. Díky toho jsou atomy germania od sebe více vzdálené a uvolňují tak prostor nosičům náboje. Vyšší pohyblivost elektronů a děr umožňuje dosáhnout vyšších tranzitních kmitočtů. To je také důvod, proč se ze začátku germanium těšilo takové oblibě. Tab. 36: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání germania. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

1 x 106 (při 20 °C) 60.2 5.323 938.25

Dalším důvodem byla jednodušší výroba. Teplota tavení germania je přibližně o 500 °C nižší než u křemíku, a navíc, germanium reaguje s okolím jen velice pomalu, zatímco křemík se kontaminuje velice rychle již při výrobě základního monokrystalu. Zásadním problémem germania však byl a je omezený rozsah pracovních teplot, a to do 70 °C, z důvodu malé šířky zakázaného pásu. S tím souvisí velký nárůst svodového (zbytkového) proudu při zvýšené teplotě. Jen pro srovnání, šířka zakázaného pásu křemíku je takřka dvojnásobná. Odtud jsou možné podstatně vyšší pracovní teploty, které běžně dosahují 125 °C, při akceptovatelných svodových proudech.

a)

b)

c)

Obr. 16: Germaniové polovodičové součástky a) diody, b) tranzistory malého a c) velkého výkonu. Další nevýhodou germania je, že netvoří přirozený oxid jako křemík. Nelze tedy použít klasickou planární technologii s využitím termického oxidu jako masky proti difúzím, implantacím a také leptání. Z těchto důvodů se germanium používalo jen pro výrobu diskrétních prvků, integrace se realizovala hybridní montáží. Diskrétní prvky vytvářené na germaniu používaly „mesa“ leptání pro formování elektrických charakteristik (jednalo se


38

především o potlačení povrchových svodových proudů). Pro konečnou pasivaci se používaly různé silikonové a kaučukové laky, které však nebyly spolehlivé a zkracovaly životnost součástí. PN přechod germania vykazuje úbytek kolem 0.25 V, což je oproti křemíku asi o 0.4 V méně. S tím je potřeba v případě záměny za křemíkovou součástku počítat. Pro některé aplikace, jako je provoz za přítomnosti velice nízkých teplot, je germanium nenahraditelné a dodnes se zde s výhodou používá. Germanium je rovněž žádaný materiál pro detektory vlnových délek v rozsahu 1000 až 1700 nm. Germanid křemíku SiGe se využívá u tranzistorů s heteropřechodem (SiGe-HBT). Jeho emitor a kolektor jsou z křemíku, velmi tenká báze (tloušťka v řádu desítek nm) je tvořena epitaxní vrstvou směsi křemíku a germania (SiGe). Injekce děr do emitoru je omezena díky energetické bariéře pro díry mezi bází a emitorem (obvykle 0.1 až 0.2 eV). Významný nárůst proudového zesílení pak umožňuje použití velmi tenké epitaxní vrstvy báze (typicky 5 – 50 nm) s vysokou koncentrací příměsí (např. bóru). Výsledkem je pak zajištění malého sériového odporu báze, nízké průletové doby bází a vyššího Earlyho napětí (větší odolnosti proti kolísání napájecího napětí). HBT má proto oproti klasickému BJT velmi vysoký mezní kmitočet, nízké šumové číslo a velké zesílení. I když byly HBT s rekordními parametry dosaženy na InP nebo GaAs, zásadní předností SiGe je možnost integrace do výroby křemíkových integrovaných obvodů, a to v kombinaci s technologií CMOS. Výsledkem je technologie SiGe HBT BiCMOS zavedená firmou IBM pro další rozvoj monolitických IO se smíšeným analogovým a číslicovým signálem (1996). Oxid germaničitý GeO2 dodává sklu vysoký index lomu. Germanium je důležitou surovinou při výrobě optických vlnovodů. Je také nepostradatelné při výrobě optiky pro infračervenou oblast záření (např. termokamery). Pro infračervené záření je téměř dokonale transparentní. Značnou perspektivu má využití slitiny germania, antimonu a titanu pro výrobu vysoce kapacitních elektrických akumulátorů. 2.9.3

Arsen – Arsenicum – As

Arsen se vyskytuje ve čtyřech barevných alotropních modifikacích: žlutý, šedý, hnědý a černý. V zemské kůře je značně vzácným prvkem. Je toxický. Při otravách arsenem se jako protijed obvykle podávají rozpustné soli cesia. Tab. 37: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání arsenu. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota sublimace [°C]

0.333 (při 20 °C) 50.2 5.727 615

Použití arsenu: Volný arsen má pouze omezený praktický význam. Nejčastěji se používá jako součást speciálních slitin. Asi nejznámější je slitina s olovem s obsahem kolem 0.5 % arsenu, které se používá při výrobě broků a střeliva. Ze sloučenin je nejznámější oxid arsenitý As2O3, známý jako arsenik. Je to silně toxická sloučenina, dobře rozpustná ve vodě. Používá se jí např. k hubení hlodavců. Arsen je velice žádaný při výrobě polovodičů. Zde musí být ovšem zajištěna jeho vysoká čistota. Té se dosahuje zonálním tavením pomocí vysokofrekvenčního ohřevu,


39

podobně jako u křemíku. Čistý arsen slouží jako donor při získávání polovodiče s elektronovou vodivostí typu N. Arsenid galia GaAs je intermetalická polovodivá sloučenina galia (Ga) a arsenu (As). Vyznačuje se vysokou teplotou bodu tání (1237 °C), velkou šířkou zakázaného pásu (1.43 eV), pohyblivostí asi 2x větší než u germania (Ge) a 4x větší než u křemíku (Si). Má velmi krátkou dobu života minoritních nosičů. K přechodu z vodivostního do valenčního pásu není potřeba změny krystalového momentu. Jedná se o polovodič s přímou oblastí zakázaného pásu (direct bandgap), Obr. 19. Používá se pro výrobu vysokofrekvenčních součástí a elektroluminiscenčních diod. První elektroluminiscenční dioda byla vyrobena právě z GaAs a generovala světlo v infračervené oblasti spektra. Součásti na bázi GaAs se rovněž vyznačují velice nízkým šumem. Po křemíku a germaniu je to třetí nejpoužívanější polovodičový materiál. Jeho výrobní cena je poměrně vysoká. Arsenid india InAs je intermetalická polovodičová sloučenina india (In) a arsenu (As). Vyznačuje se úzkým zakázaným pásem (0.36 eV). Teplota tání je 942 °C. Je to vhodný polovodičový materiál pro výrobu Hallových generátorů a detektorů infračerveného záření. 2.9.4 Tellur – Tellurium - Te Tellur je stříbřitě bílý, lesklý a velmi křehký prvek, který lze snadno rozetřít. Je poměrně vzácný. Sloučeniny telluru jsou toxické. Společně se sírou a selenem patří mezi chalkogeny. Tab. 38: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání telluru. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

2 x 105 (při 20 °C) 1.97 až 3.38 6.24 449.51

Použití telluru: Tellur se používá k legování olova (zvyšuje pevnost a tvrdost) a mědi (zlepšuje obrobitelnost). Slitina MCT (mercury cadmium telluride) HgCdTe se vyznačuje úzkou oblastí zakázaného pásu. K přechodu z valenčního do vodivostního pásu není potřeba změny krystalového momentu. Jedná se o polovodič s přímou oblastí zakázaného pásu (direct bandgap), Obr. 19. MCT obsahuje dvě složky: slitinu CdTe a HgTe. Jejich vzájemný poměr určuje maximum citlivosti od krátkovlnného infračerveného záření až po dlouhovlnné (< 14 m). Vlnovou délku absorpce rovněž určuje množství kadmia ve slitině. CdTe má šířku zakázaného pásu přibližně 1.5 eV při pokojové teplotě. HgTe je polokov s šířkou zakázaného pásu ~ 0 eV. Poměr uvedených substancí tedy řídí šířku zakázaného pásu mezi 0 a 1.5 eV. Slitina MCT je výchozím materiálem při výrobě fotorezistorů a fotorezistorových matic (termokamery) Tellurid zinečnatý ZnTe se používá jako detektor -záření. Společně s dalšími chalkogeny, sírou a selenem, je tellur základní složkou pro přípravu chalkogenidových skel. Chalkogenidová (neoxidová) skla mají zajímavé optické vlastnosti a používají se zejména pro výrobu přístrojů pracujících v infračervené oblasti spektra. Chalkogenidové sklo se připravuje přímou syntézou chalkogenů s dalšími prvky, zejména arsenem, germaniem, galiem, antimonem, indiem, mědí nebo stříbrem. Telluridová skla se


40

vyznačují dobrou propustností až do vlnové délky 15 m. Patří mezi ně např. Si-As-Te nebo Ge-As-Te. Často se také experimentuje s nahrazováním selenu tellurem. Nejvhodnější složení skla s dobrými optickými vlastnostmi bylo odvozeno z Ge30As13Se57 substitucí Te na složení Ge30As13Se27Te30. Toto sklo je vhodné pro optické aplikace jak při vlnových délkách 3 až 5 m, tak při vlnových délkách 8 až 12 m. Zhotovují se z něho diskrétní optické prvky i optická vlákna. Těch se s výhodou používá jak u malých výkonů plynové spektrografie, tak u velkých výkonů plynových laserů CO2. Tellur je rovněž součástí Peltierova článku. Pokud prochází proud sériově řazenými vodiči z telluru a bismutu, jedna strana spojů se ochlazuje a druhá zahřívá. Záleží na směru proudu. Toho se využívá při konstrukci aktivních chladičů. Ty ale mají malou účinnost, kromě toho ještě generují vlastní teplo.

2.10 Nekovy 2.10.1 Vodík – Hydrogenium – H Vodík je bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu. Hoří namodralým plamenem, ale sám hoření nepodporuje. Je 14,38x lehčí než vzduch, přitom teplo vede 7x lépe než vzduch, viz Tab. 39. Tab. 39: Součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota varu vodíku. Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota varu [°C]

0.1805 0.00008988 -255.87

Vodík vytváří sloučeniny se všemi prvky periodické tabulky. Výjimku tvoří pouze vzácné plyny. Sloučeniny vodíku s uhlíkem, kyslíkem, sírou a dusíkem patří mezi základní stavební kameny živých organismů. Vodík je schopen tvořit zvláštní typ chemické vazby, tzv. vodíkovou vazbu. Ta spočívá v tom, že vázaný atom vodíku je schopen reagovat ještě s dalšími atomy, s nimiž není poután klasickou chemickou vazbou. Vodíková vazba je nejsilnější s atomy kyslíku, což vysvětluje anomální fyzikální vlastnosti vody. Vodík je dobře pohlcován některými kovy, např. paládiem nebo platinou. Je to dáno malými rozměry atomů vodíku, které přes uvedené materiály snadno difundují. Nevýhodou vodíku je hořlavost, výbušnost jeho směsí se vzduchem a malá elektrická pevnost. Použití vodíku: Vodík je výborným redukčním činidlem sloužícím k sycení násobných vazeb organických molekul (ztužování rostlinných olejů). Redukční vlastnosti plynného vodíku se rovněž využívají v metalurgii při získávaní kovů z jejich rud. Vodík uchovává velké množství chemické energie při nízké hmotnosti. Odtud je výhodným raketovým palivem. Vodík je rovněž základem palivového článku. Ten umožňuje přímou přeměnu chemické energie na elektrickou. Vodík slouží jako palivo, kyslík jako okysličovadlo. Účinnost palivových článků se v současnosti pohybuje kolem 60 %, což je podstatně více než nepřímá přeměna vodíku na teplo a odtud teprve na elektřinu.


41

Reakce vodíku s kyslíkem je silně exotermní a vyvíjí teploty přes 3000 °C. Toho se využívá při řezání nebo svařování, nebo v metalurgii při zpracování těžkotavitelných kovů. Vodík dále slouží jako chladivo. Používá se ho k chlazení velkých točivých strojů (elektrárny). Vodíkem se kdysi plnily vakuové součástky zvané variátory. Ty umožňovaly stabilizaci proudu v určitém rozsahu napětí. Jednalo se o železný drát, který byl umístěn do baňky naplněné vodíkem. Podle velikosti procházejícího proudu se měnil průměr plynného obalu, který tepelně izoloval vlákno. V závislosti na přestupu tepla do baňky a odtud do okolí pak docházelo ke stabilizaci. Vodík se používá k plnění výbojek. Jeho trubice generují světlo namodralé barvy. V elektrických vypínačích zase slouží ke zhášení elektrického oblouku. Jako deuterium se označuje atom s jádrem 2H, v němž se nachází jeden proton a jeden neutron a od běžného vodíku se liší především atomovou hmotností. Často mu bývá přiřazována i chemická značka D, přestože se nejedná o jiný prvek. Deuterium je stabilní izotop, který nepodléhá radioaktivní přeměně. V přírodě se běžně vyskytuje (průměrně 1 atom deuteria na 6 000 atomů normálního vodíku). Ve spojení s kyslíkem tvoří deuterium tzv. těžkou vodu D2O. Tato sloučenina je velice významná v jaderném průmyslu. Jedná se o velmi účinný moderátor, tedy látku zpomalující rychlost neutronů. Vodík dobře chrání kovové části před oxidací. Izolanty, pracující ve vodíkovém prostředí, stárnou pomaleji. Vodíku se velice často používá jako ochranné atmosféry, ať už se jedná o metalurgii kovů, odplyňování součástí pro vakuovou techniku nebo technologické operace v polovodičovém průmyslu. 2.10.2 Uhlík – Carboneum - C Uhlík má nejvyšší teplotu tání ze všech prvků, viz Tab. 40. Mezi jeho nejznámější alotropní modifikace patří grafit a diamant. Grafit (tuha) se skládá z vrstev tzv. grafenů, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí, tzv. van der Waalsovy síly. Této vlastnosti se využívá např. při výrobě tužek. Grafit je dobrým vodičem elektrického proudu. Diamant je tvořen uhlíkem krystalizujícím v soustavě krychlové. Diamanty vynikají svojí tvrdostí a výbornou tepelnou vodivostí (až 2300 Wm-1K-1). Tab. 40: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání uhlíku. Měrný elektrický odpor  [mm2m-1] Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota sublimace [°C]

diamant 1 x 109, grafit 100 diamant 900 až 2300, grafit 119 až 165 diamant 3.515, grafit 2.267 3642

Za poslední desetiletí byly objeveny nebo synteticky sestrojeny další modifikace. Nejvýznamnější je grafen a fulleren. Grafen je tvořen jedinou vrstvou atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků. Takto vytvořená rovinná síť představuje nejpevnější materiál na světě. Elektrony se v grafenu chovají tak, jakoby neměly žádnou efektivní hmotnost a pohybují se téměř rychlostí světla. Toho by se dalo využít při vývoji tranzistorů nové generace s mezní frekvencí až 1 THz. Tenká vrstva grafenu je rovněž transparentní pro viditelné záření. Při výrobě solárních článků a displejů dokáže zastoupit tenké vrstvy z oxidů india a cínu.


42

Fullereny označují sférické molekuly z jedné prostorově uzavřené vrstvy grafenu, tedy sítě uhlíkových atomů uspořádaných do šestiúhelníků, doplněných kvůli prostorovému uzavření dvanácti pětiúhelníky. Tyto molekuly jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. Zatím nejstabilnější známý fulleren je molekula obsahující 60 uhlíkových atomů. Použití uhlíku: Uhlík je součástí nepřeberného množství organických i anorganických sloučenin. Mezi významné aplikace uhlíku v elektrotechnice patří:  Uhlíkové kartáče – nepostradatelné u stejnosměrných komutátorových motorů.  Uhlíkové a grafitové topné články – pokud se nacházejí ve vakuu nebo v ochranné atmosféře, snášejí teploty až do 2000 °C.  Uhlíkové rezistory – vyznačují se záporným teplotním součinitelem odporu. Metalizované rezistory ho mají kladný.  Uhlíkové mikrofony – donedávna velice rozšířené. Membrána podle akustického tlaku zhušťuje nebo zřeďuje uhlíkový prášek a tím moduluje jeho odpor.  Uhlíkové elektrovodivé pasty a lepidla – nejčastěji pro účely servisu.  Uhlíková katoda zinkových článků – ta ještě bývá ponořená do směsi práškového uhlíku a práškového oxidu manganičitého MnO2 (burel) za účelem snížení vnitřního odporu článku.  Uhlíkové nanotrubice – jedná se o uměle vytvořené mikroskopické trubičky, které sestávají z válcově svinutých vrstev grafenu o průměru několika jednotek až desítek nanometrů. Perspektiva jejich využití je velká, např. výroba pevných a zároveň lehkých kompozitních materiálů, nanoelektronika (molekulární tranzistory).  Uhlíkové elektrody obloukových lamp – historicky první zdroje veřejného osvětlení. Dobrá elektrická vodivost uhlíku stejně jako odolnost vůči vysokým teplotám byly ideální kombinací pro zapálení a udržení elektrického oblouku.  Karbid křemíku SiC - vyznačuje se vysokou tvrdostí a proto se používá při výrobě brusných materiálů (Mohsova stupnice: diamant - 10, SiC - 9.5). Jedná se rovněž o velmi stálý polovodič s nepřímou oblastí zakázaného pásu o šířce asi 3 eV. Příměsí železa lze vytvářet polovodič typu N, příměsí vápníku nebo hliníku polovodič typu P. Používá se při výrobě Schottkyho diod s velkým závěrným napětím (až 1200 V!), které jsou navíc schopny pracovat při vysokých teplotách (až 175 °C). Odtud jsou ideální pro výkonové aplikace. Na matriálu SiC byly rovněž vytvořeny první modré LED. Spékaný SiC se dále používá pro varistory. SiC je také žádaným materiálem topných článků. Zvládá teploty až 1500 °C při životnosti vyšší než 3000 hod. v normální atmosféře.  CO2 lasery – v současnosti nabízejí nejvyšší optický výkon v kontinuálním režimu. Jsou poměrně účinné, výstupní světelná energie dosahuje až 20 % vstupní čerpací energie. Generují infračervené světlo v oblasti vlnových délek kolem 10 m. 2.10.3 Dusík – Nitrogenium – N Jedná se o bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu. Za normálních podmínek je dusík reaktivní jen málo. Dusík tvoří největší procentuální zastoupení atmosféry na Zemi (dusík 78,08 %, kyslík 20,945 %, argon 0,934 %, oxid uhličitý 0,0383 %, neon 0,001818 %, …).


43

Použití dusíku: Díky nízké teplotě varu a snadné dostupnosti je kapalný dusík žádanou surovinou v kryogenní technice. Jedná se např. o uchovávání tkání během transplantací v medicíně. Pomocí kapalného dusíku jsou také chlazeny polovodičové detektory ionizujícího záření. Plynný dusík nalézá využití jako inertní atmosféra, např. v prostředí, kde hrozí nebezpečí výbuchu, při výrobě integrovaných obvodů, nerezové oceli apod. Nejlepší je kapalný dusík, ve kterém H2O i CO2 zmrznou. U plynného dusíku dochází k desoxidaci a vysoušení. Dusík je základem tzv. nitridování. Při tomto procesu se povrch oceli nasycuje atomárním dusíkem při teplotě přibližně 500 °C. V povrchové vrstvě (do 0.1 mm) vznikají velmi tvrdé nitridy. Tvrdost dosažená nitridací převyšuje tvrdost dosaženou kalením. Jedná se o časově i energetický náročný proces. Odtud je vysoká i jeho cena. Např. nitridové vrstvy tloušťky asi 0.3mm se dosáhne asi za 30 hodin. Tato povrchová úprava se používá u silně namáhaných strojních součástí. Tab. 41: Součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota varu dusíku. Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota varu [°C]

0.02583 0.0012506 -195.795

Amoniak (čpavek) NH3 slouží jako hnojivo a chladivo, ale zejména jako základní surovina pro výrobu kyseliny dusičné a jejich solí, močoviny a kyanovodíku. Amoniak společně s kyselinou sírovou tvoří základ moderní průmyslové chemie. Amoniak byl rovněž náplní prvního bezšumového zesilovače, tzv. maseru. Zesílení se týkalo úzkého pásma frekvencí v okolí 24 GHz. Nitrid galia GaN je polovodičem s přímou oblastí zakázaného pásu o šířce 3.4 eV. Při dopování materiálu GaN atomy křemíku nebo kyslíku se získává struktura typu N, při dopování hořčíkem struktura typu P. Používá se při výrobě laserových a LED diod v modré a ultrafialové části spektra. Tranzistory GaN mohou pracovat při mnohem vyšších napětích i teplotách, než tranzistory GaAs. Odtud je materiál GaN ideální pro výkonové mikrovlnné zesilovače. Sloučeniny GaN a india (InGaN), případně GaN a hliníku (AlGaN) mají proměnnou šířku zakázaného pásu v závislosti na poměru příměsi a GaN. Toho se využívá při výrobě LED napříč celým barevným spektrem, od červené barvy až po ultrafialovou. Dalším perspektivním materiálem je nitrid hliníku AlN. Vyznačuje se velmi vysokou tepelnou vodivostí (vyšší než korund), vysokým elektroizolačním potenciálem, příznivou odolností proti změnám teploty, dobrou schopností pokovování, nízkou tepelnou roztažností, která je navíc srovnatelná s křemíkem. Z nitridů hliníku se vyrábí substráty pro výrobu polovodičů a výkonové elektroniky, rezonátory laserů, výměníky tepla apod. Nitrid křemičitý Si3N4 slouží k tvorbě pasivačních vrstev při výrobě integrovaných obvodů planárně epitaxní technologií. Jeho šířka zakázaného pásu je velká a dosahuje hodnoty 4.5 eV. Zajímavou sloučeninou sodíku a dusíku je výbušný azid sodný NaN3. Ten je schopen uvolnit během krátkého okamžiku velké množství dusíku. Toho se využívá u airbagů v automobilech. Nitrid berylnatý Be3N2 je součástí žáruvzdorné keramiky. Nitrid niobitý NbN zase slouží při výrobě detektorů infračerveného záření.


44 2.10.4 Kyslík – Oxygenium – O

Kyslík je plynný prvek tvořící druhou hlavní složku zemské atmosféry (21 %). Je nezbytný pro existenci života na naší planetě. Kyslík je velmi reaktivní prvek a přímo se slučuje téměř se všemi prvky. Neochotně reaguje pouze s halogeny. Slučování kyslíku s ostatními prvky se nazývá hoření. Nutnou podmínkou je zahřátí látky nad zápalnou teplotu. Prakticky vždy se jedná o exotermní reakci, při které dochází k uvolňování značného množství tepla. Produkty hoření se nazývají oxidy (dříve kysličníky). Tab. 42: Součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota varu kyslíku. Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota varu [°C]

0.02658 0.001429 -182.962

Dalšími sloučeninami kyslíku jsou peroxidy. Ty se vyznačují vzájemnou kovalentní vazbou dvou kyslíkových atomů. Nejdůležitějším představitelem je peroxid vodíku H2O2. Peroxid vodíku je velice slabá dvojsytná kyselina, která se samovolně rozkládá na vodu a volný kyslík. Vůči většině látek se peroxid vodíku chová jako silné oxidační činidlo, ale v přítomnosti některých extrémně silných oxidačních látek (např. PbO2) vystupuje naopak jako redukční činidlo. Při elektrických výbojích vzniká ze vzdušného kyslíku ozón O3. Použití kyslíku: Je velice široké. Mezi základní oblasti patří výroba elektrické energie (spalování fosilních paliv v tepelných elektrárnách), výroba technologického tepla, pohon spalovacích motorů a turbín, vytápění domácností (plynové kotle, kotle na tuhá paliva), příprava pokrmů (plynové sporáky). Kyslíku je dále potřeba při výrobě oceli. Např. Bessemerův způsob výroby spočívá ve vhánění čistého kyslíku do konvertoru s roztaveným železem. Při vysoké teplotě taveniny dochází k oxidaci přítomného uhlíku na plynné oxidy, které z taveniny vytěkají. Kyslík O2 a oxid dusný N2O tvoří nosnou anestetickou směs v medicíně. Bez kyslíku se rovněž neobejdou dýchací přístroje potápěčů a hasičů. Důležité jsou rovněž kyslíkové koncentrátory. Ty zvyšují procentuální obsah kyslíku výstupního média úpravou čerpaného vzduchu. Děje se tak absorpcí dusíku. Ten je pohlcován pomocí speciálních látek za zvýšeného tlaku. Pomocí kapalného kyslíku a acetylenu lze získat plamen o teplotě až 3200 °C. Ten nalézá široké uplatnění v metalurgii a strojírenství. 2.10.5 Fosfor – Phosphorum – P Elementární fosfor se vyskytuje ve třech alotropních modifikacích – bílý, červený a černý. Použití fosforu: Černý fosfor je díky svým kovovým vlastnostem v elektrotechnice nejrozšířenější. Slouží jako donor při výrobě polovodičů s elektronovou vodivostí, tj. typu N. Galium fosfid GaP je polovodičem s nepřímou oblastí zakázaného pásu o šířce 2.26 eV (300 K). Při dopování materiálu GaP atomy síry nebo telluru se získává struktura typu N, při dopování zinkem struktura typu P. Galium fosfid se používá již od 60 let k výrobě červených,


45

oranžových a zelených LED diod s nízkou nebo střední svítivostí. Jejich životnost je krátká a závislá na provozní teplotě. Indium fosfid InP je polovodičem s přímou oblastí zakázaného pásu. Toho se využívá v optoelektronice, např. při konstrukci laserů. Díky vysoké pohyblivosti nosičů náboje je vhodný pro vysokofrekvenční a výkonovou elektroniku. Předčí i GaAs. Tab. 43: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání fosforu. Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

bílý 0.236, černý 12.1 bílý 1.823, černý 2.69 bílý 44.2, černý 610

Fosforu se také používá k legování kovů. Jeho přítomnost zvyšuje tvrdost. Pomocí oxidu fosforečného P2O5 můžeme ve skle nahradit oxid křemičitý, a to buď částečně, nebo zcela. Používá se ho pouze na speciální skla (např. sklo propouštějící ultrafialové záření). 2.10.6 Selen – Selenium - Se Elementární selen se vyskytuje v několika krystalických formách, jejichž barva je buď šedá, nebo tmavě červená. Selen je poměrně vzácný prvek. Společně se sírou a tellurem patří mezi chalkogeny. Všechny jeho sloučeniny jsou toxické. Tab. 44: Měrný elektrický odpor, součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota tání selenu. Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [kg.dm-3] Teplota tání [°C]

0.519 (amorfní) 4.81 (šedý) 221

Použití selenu: Selenové usměrňovače patřily do skupiny polykrystalických polovodičových usměrňovačů. Na speciálně upravené desky z hliníku je nanesena vrstva selenu a kontaktní protielektroda. Aby bylo možné jednotlivé desky skládat do sloupců za účelem navýšení závěrného napětí, mají desky uprostřed otvory pro stahovací svorníky. Jejich nevýhodou byla rozměrná konstrukce, malá teplotní odolnost a změna parametrů při dlouhodobém provozu. Z většiny aplikací byly vytlačeny křemíkovými usměrňovacími diodami. Selen se dříve používal na výrobu fotocitlivého válce, který zajišťoval tisk v laserových tiskárnách. V současnosti je selen součástí fotočlánků v expozimetrech. Selenidy mědi, galia a india jsou perspektivními sloučeninami při výrobě solárních panelů. Mezi ně patří tenkovrstvý fotovoltaický článek CIGS (Copper Indium Gallium DiSelenide). Mezi hlavní výhody článku CIGS patří zejména jeho citlivost na červenou složku spektra. Článek CIGS dokáže využívat energii difuzního světla, které převládá při zatažené obloze nebo mlze. Za těchto podmínek je účinnější než článek z křemíku. Selen je rovněž součástí chalkogenidových skel. Ty se vyznačují oblastí propustnosti vlnových délek mezi 8 až 12 m. Nejčastěji se používají skla typu As2Se3, Ge30As15Se45 nebo Ge28Sb12Se60.


46

2.11 Vzácné plyny Jsou to bezbarvé plyny, bez chuti a zápachu. Vyznačují se malým průrazným napětím, snadnou ionizací a dobrou elektrickou vodivostí. Používá se jich při konstrukci výbojek. Přehled jejich fyzikálních vlastností podává Tab. 45. Tab. 45: Součinitel tepelné vodivosti, hustota a teplota varu vzácných plynů. Název vzácného plynu Součinitel tepelné vodivosti  [Wm-1K-1] Hustota [g.dm-3] Teplota varu [°C]

Helium 0.1513 0.1787 -268.93

Neon 0.0491 0.8999 -246.048

Argon 0,01772 1.7824 -185.7

Krypton 0.00943 3.708 - 152.3

Xenon 0.00565 5.88 -107.1

2.11.1 Helium – Helium - He Vyznačuje se dobrou chemickou netečností. Jsou zatím známy jen dvě sloučeniny helia. Jedná se o helidy rtuti, HgHe, HgHe2 a HgHe10. Dále je to sloučenina s uhlíkem - fullerenem, HeC60. Jak již bylo popsáno výše, fulleren představuje sférickou kouli, která v případě sloučeniny s heliem uvnitř uzavírá jeden atom helia. Fullereny vznikají kondenzací grafitových par v heliu. Helium je jediná látka, která při nízkých teplotách a normálním tlaku zůstává kapalná až k teplotě absolutní nuly. Pevné helium lze získat pouze za zvýšeného tlaku. S heliem se pojí zajímavý fyzikální úkaz, tzv. supratekutost. Kapalné helium totiž může existovat ve dvou formách. Helium I se vyskytuje při teplotách mezi 2.1768 K a 4.21 K, zatímco helium II při teplotách nižších než 2.1768 K. Mezi heliem I a heliem II neexistuje skupenské teplo, což znamená, že se tyto dvě formy hmoty nemohou současně vyskytovat vedle sebe. Zatímco helium I se chová jako jiné běžné kapaliny, helium II je kapalinou, která nemá žádné vnitřní tření. Teče nesmírně rychle a díky kapilárnímu jevu přetéká stěny nádob. Dále má helium II největší tepelnou vodivost ze všech doposud známých látek (3 000 000 x větší než měď). Použití helia: Mimořádně nízká teplota varu helia ho předurčuje pro použití v kryogenní technice, např. při výzkumu supravodivosti. Helium je součástí výbojek. Září intenzivně žlutě. Často se používá ve směsi s neonem. Známý je také He-Ne laser zářící v oblasti 600 nm. Helium bývá i přes svoji vysokou cenu používáno k plnění balónů a vzducholodí jako náhrada hořlavého vodíku. Helium ovšem není jednoduché uzavřít tak, aby nedocházelo k jeho únikům. Na vině je velmi malý průměr jeho atomů, které snadno difundují skrze stěny uzavírající nádoby. 2.11.2 Neon – Neon - Ne Jedná se o naprosto inertní plyn. Chemické sloučeniny neonu nejsou známy. Použití neonu: Kapalný neon se používá v kryogenní technice jako náhrada dražšího kapalného helia. Je rovněž součástí výbojek. Jeho trubice generují světlo červené barvy. Je součástí HeNe laseru.


47

2.11.3 Argon – Argon - Ar Vyznačuje dobrou chemickou netečností. Je známá jen jediná sloučenina, fluor-hydrid argonu, HArF. Je těžší než vzduch. Argon je nejrozšířenější vzácný plyn. Průměrný obsah argonu ve vzduchu činí přibližně 1 %. Použití argonu: Argon se používá jako ochranný plyn při svařování. Podobnou roli zastává v polovodičovém průmyslu při epitaxním růstu krystalu křemíku. V obou případech se využívá jeho dobré chemické netečnosti. Protože je poměrně dostupný a má menší tepelnou vodivost než vzduch, hojně se ho používá jako izolační výplně prostoru mezi skly okenních tabulí. Je rovněž náplní žárovek větších výkonů. Dovoluje používat vyšší provozní teploty vlákna při stejné životnosti.

a)

b)

c)

Obr. 17: a) Zásobník kapalného argonu (SLAC - Stanford Linear Accelerator Center, San Francisco, USA), b) ionizační komora vyhodnocující nejen přítomnost, ale i směr dopadající částice, c) konektorové pole. Jedním z nejjednodušších detektorů ionizujícího záření, kterými lze zjišťovat počet částic, je plynový ionizační detektor, Obr. 17. Skládá se z nádoby, dvou elektrod a vhodné plynové náplně. Tou je nejčastěji argon. Plynový ionizační detektor je v podstatě kondenzátor, který je připojen ke stejnosměrnému zdroji napětí a obvodu vyhodnocujícímu proud nebo proudové impulsy. Vlétne-li do plynové náplně detektoru částice, ionizuje molekuly plynu uvnitř detektoru a vytvoří podmínky pro vedení proudu. Přesná funkce detektoru závisí na tvaru elektrod a hodnotě napětí přiloženého na elektrody. Podle toho se rozlišuje:  Ionizační komora – deskové elektrody, lineární elektrické pole, integrální nebo impulsová.  Proporcionální detektor – válcová a drátová elektroda, nelineární pole, násobení náboje v blízkosti drátové elektrody.  Geigerův - Müllerův počítač – válcová a drátová elektroda, velké násobení náboje, zhášení přídavným plynem (etylalkohol) nebo vnějším obvodem (krátkodobý pokles napětí). Energie potřebná k ionizaci plynu je zhruba 20 eV až 40 eV. Např. v argonu, který se v ionizačních detektorech používá nejčastěji, má tato ionizační energie hodnotu 26 eV.


48 2.11.4 Krypton – Krypton - Kr

Je téměř inertní. Chemické sloučeniny tvoří pouze s fluorem a kyslíkem. Je těžší než vzduch. Má lepší tepelně izolační vlastnosti než argon, viz Tab. 45. Použití kryptonu: Krypton je součástí výbojek. Jeho trubice generují světlo zelené až světle fialové barvy, která při zřeďování plynu přechází v bílou. Kryptonu, stejně jako argonu, se používá při plnění okenních tabulí a žárovek větších výkonů. 2.11.5 Xenon – Xenon - Xe Je téměř inertní. Chemické sloučeniny tvoří pouze s fluorem, chlorem a kyslíkem. Použití xenonu: Praktické uplatnění xenon nalézá především jako náplň žárovek a výbojek. Jeho trubice generují světlo fialové až modré barvy, která při zřeďování plynu přechází v bílou.

Obr. 18: Xenonová výbojka Philips 85415XVS1 pro automobilové světlomety, standard D1S, 85 V, 35 W. Xenonová výbojka je zdrojem silného bílého světla o teplotě chromatičnosti 5600 – 6000 K, Obr. 18. Její využití je omezeno vysokým vnitřním přetlakem za provozu s možností exploze. Je ji proto možné používat pouze tam, kde je chráněna dalším krytem. Baňka výbojky je z taveného křemene. Je naplněna xenonem pod tlakem 1 až 2.5 MPa. Při provozu tlak narůstá na hodnotu 2.5 až 7.5 MPa. Zdrojem světla je oblouk mezi wolframovými elektrodami. Ty jsou pevně ukotveny. Zážeh oblouku obstarává impuls vysokého napětí o hodnotě až 60 kV, který pomůže vytvořit ionizovanou cestu. Zvláštností xenonových výbojek je velmi nízké napětí oblouku a vysoká proudová intenzita. Vysoce výkonné xenonové výbojky (stovky kW) mívají elektrody chlazené vodou. Fluorid xenonatý XeF2 se využívá k leptání křemíku při výrobě polovodičů.


49

3 Přehled materiálů podle použití 3.1 Materiály pro vodiče Patří sem materiály s dobrou elektrickou a tepelnou vodivostí, chemickou stálostí, vhodnými mechanickými vlastnostmi a přijatelnou cenou. Odpor vodiče se vypočítá podle vztahu: (2) Odpor vodiče R narůstá s jeho měrným elektrickým odporem  a délkou l, klesá s rostoucím průřezem S. Pokud se pracuje s vodivostí, vztah je následující: (3) Přitom  = 1/. Rozměr měrného elektrického odporu  je [mm2m-1] nebo [m], rozměr měrné elektrické vodivosti  [Sm-1]. Mezi základní materiály vodičů patří měď. Vyhovuje nejen po stránce vodivosti a chemické stálosti, ale i z hlediska mechanického zpracování. Klasickým protahováním lze získat měděné dráty až do průměru asi 25 μm (lakované dráty pro vinutí, lankové vodiče). Technologií bezprůvlakového tažení lze připravit dráty o průměru pod 10 μm (vodiče se skleněnou izolací pro vinutí miniaturních čerpadel, motorků, relé). Z mědi se rovněž zhotovují fólie pro plošné spoje. Jejich standardní tloušťka bývá 18 nebo 35 m, u ultratenkých fólií až 5 m. Povrch měděného vodiče se chrání nejčastěji vrstvou cínu. Jedná se o vývody elektronických součástek nebo vodiče s kaučukovou izolací. V prvním případě se měděný vodič chrání před vzdušnou oxidací, v druhém případě před pronikáním síry z kaučuku. Druhým poměrně rozšířeným materiálem je hliník. Vyhovuje po stránce vodivostní, jeho mechanické vlastnosti jsou ovšem horší. Vzhledem k jeho nízké pevnosti lze získat pouze dráty od průměru 200 m. Dráty s menším průměrem je možné vyrábět pouze ze slitiny hliníku s křemíkem, hořčíkem nebo mědí. Co se týká fólií, dosahuje se tloušťky od 20 m do 5 m k výrobě svitkových a elektrolytických kondenzátorů. Hlavní nevýhodou hliníku je nízká mez kluzu – materiál „teče“, mění tvar při působení síly. Tato vlastnost vyřadila hliníkové vodiče z běžných elektroinstalací. Hliník se ovšem nepřestal používat v energetických rozvodech, zvláště nadzemních, které jsou pod neustálým dohledem. Jeho hlavní předností je malá hmotnost. Hliníkový vodič se stejným elektrickým odporem jako měděný vodič má oproti měděnému poloviční hmotnost. Protože má nižší pevnost, kombinuje se s ocelovými lany. Hliníku se dá používat pro tlakové odlévání. Toho se využívá při výrobě kotev nakrátko (klecí) u asynchronních strojů. Používá se rovněž pro vinutí silových transformátorů. Hliník je rovněž rozšířeným materiálem v mikroelektronice. Používá se při tvorbě metalizačních vrstev na čipu, nebo ve slitině AlSi pro kontaktování čipů k vývodům pouzdra. Ve funkci vodičů se rovněž používá ušlechtilých kovů. Nejlepší antikorozní vlastnosti má zlato. Zlaté drátky se používají pro kontaktování čipů k vývodům pouzdra. Zlato se snadno připojuje k ostatním kovům. Na straně čipu jde o vrstvu hliníkové metalizace, na straně přívodů pouzdra o zlatý nebo stříbrný povlak. Pro spojování se používá termokomprese. Tento spoj nevyžaduje tavidla, provádí se pouze působením síly (0.9 N) a zvýšené teploty (360 °C). Pokud se čip uzavírá do plastového pouzdra, používá se buď zlatý, nebo měděný drátek. Pokud se jedná o kovové nebo keramické pouzdro, lze zlato nahradit např. výše zmíněnou slitinou AlSi. Děje se tak ale na vrub spolehlivosti. Zlaté drátky se


50

vyrábějí od průměru 10 μm. Pro zvýšení pevnosti za zvýšených teplot se legují berylliem, paládiem nebo yttriem. Stříbro má největší elektrickou a tepelnou vodivost. Na vzduchu je stříbro značně stálé až na černání vyvolané sirnými sloučeninami (sulfidické povlaky). Přesto se nepoužívá na samostatné vodiče. Brání tomu dvě skutečnosti. Především, elektrická vodivost stříbra značně závisí na stupni tváření a dále, čisté stříbro rekrystalizuje již za pokojové teploty a mění tak své mechanické vlastnosti. Výše zmíněné tedy nelze garantovat. Nezanedbatelná je rovněž vyšší cena. Existují však jiné způsoby, jak dobrých vlastností stříbra využít. Nejčastěji se používá k povrchové úpravě konektorů a mnoha jiných styčných ploch, kde je potřeba zajistit malý přechodový odpor. Stříbrné pasty bývají součástí keramických výrobků, se kterými se společně vypalují. Jedná se např. o šroubovice stabilních VF cívek. Používá se buď čisté stříbro, nebo jeho sloučeniny Ag2O, Ag2CO3, suspendované ve vhodných organických látkách a ve směsi s různými tavivy. Dále se ho používá ve vysokofrekvenční technice za účelem potlačení skinefektu. O tom se rozvádí následující kapitola. 3.1.1

Vedení vysokofrekvenčního elektrického proudu

Vysokofrekvenční elektromagnetické pole se šíří v prostoru mezi vodiči. Do vodičů vstupuje pouze omezeně, neboť spodní vrstvy vodiče jsou stíněny vrchními vrstvami. Pronikání elektromagnetického pole do vodiče se řídí exponenciálním zákonem, takže mezi hustotou proudu J0 na povrchu a hustotou proudu JX v hloubce x platí vztah: (4) Veličina x0 charakterizuje tzv. hloubku vniku. Ta odpovídá vzdálenosti mezi povrchem vodiče a jeho vnitřní vrstvou, kde se proudová hustota J0 utlumila e-krát. Přitom e je Eulerovo číslo, e = 2.71828. Vypočte se podle vztahu: (5) Jak je vidět ze vztahu (5), hloubka vniku je přímo úměrná měrnému elektrickému odporu matriálu  a nepřímo úměrná kmitočtu  a měrné permeabilitě µr. Veličina µ0 je permeabilita vakua, µ0 = 1.256637 x 10-6 H.m-1. Vedení vysokofrekvenčního elektrického proudu se tedy uskutečňuje jen v povrchové vrstvě vodiče, což se projeví nárůstem činného odporu, který byl změřen při průchodu stejnosměrného proudu. Jedná se o povrchový jev, nebo také „skinefekt“. Pro potlačení povrchového jevu se používají dvě základní techniky. V prvním případě se povrch vodiče uměle navýší jeho rozdělením na několik dalších vzájemně izolovaných vodičů menšího průřezu. Jedná se o tzv. VF lanka. V druhém případě se povrchy vodičů, vlnovodů a rezonančních dutin stříbří. Ztráta plochy se tak kompenzuje větší elektrickou vodivostí povrchu vodiče.

3.2 Odporové materiály Jedná se o materiály s měrným odporem v rozmezí od 0.2 mm2m-1 do 2 mm2m-1, což je 10 až 100krát více než u materiálů s vysokou vodivostí. Slouží k výrobě rezistorů a měničů elektrické energie na teplo. Odporové materiály by měly splňovat následující požadavky:  velký měrný elektrický odpor  minimální teplotní součinitel elektrického odporu αR

Materiály a techniky při realizaci el. obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO     

51

minimální teplotní součinitel délkové roztažnosti L časová stálost chemická stálost v rozsahu pracovních teplot malé termoelektrické napětí vůči mědi dobrá zpracovatelnost na konečný výrobek

Důraz na jednotlivé vlastnosti se liší podle konečné aplikace, např. rezistory pro měřicí aplikace by měly vykazovat co nejvyšší časovou stálost a co nejnižší teplotní součinitel elektrického odporu αR, zatímco měniče elektrické energie na teplo by měly vykazovat co nejvyšší chemickou stálost a co nejnižší teplotní součinitel délkové roztažnosti L. 3.2.1 Odporové materiály pro rezistory 

  

   



Manganin – jedná se o manganový bronz. Kromě mědi obsahuje 12 % manganu a 2 % niklu. Používá se k výrobě přesných a stabilních rezistorů s přesností ±0.1 až ±0.001 %. Závislost měrného odporu na teplotě má tvar paraboly. Pro ustálení parametrů je potřeba nechat manganinové rezistory uměle stárnout. Děje se tak pomocí teplotních cyklů. Manganinové rezistory se vyrábějí buď z drátu, nebo fólie tloušťky 10 m, která se nanáší na vhodnou podložku a leptá do tvaru meandru. Resistin – jedná se o manganový bronz s obsahem asi 15 % manganu. Jeho měrný elektrický odpor je 0.5 Ωmm2m-1. Zeranin – svými vlastnostmi se podobá manganinu. Obsahuje měď, mangan a germanium. Konstantan – jedná se o niklový bronz. Kromě mědi obsahuje 45 % niklu a 1 % manganu. Konstantan se vyznačuje velkým měrným odporem, jeho malým teplotním součinitelem, dobrou pevností za normální i zvýšené teploty a chemickou stálostí. Mezi nevýhody konstantanu patří velké termoelektrické napětí vůči mědi. Nehodí se proto pro výrobu rezistorů pro přesné stejnosměrné obvody. Nikelin – opět se jedná o niklový bronz s obsahem 30 % niklu a 3 % manganu. Používá se pro výrobu rezistorů s nižší stabilitou, jako jsou např. spouštěcí rezistory. Slitiny Ag – pro přesné rezistory je složení 91 % stříbra a 9 % manganu. Pro normální rezistory je složení 78 až 85 % stříbra, 8 až 17 % manganu a 3 až 9 % cínu. Uvedené slitiny mají velmi nízký až záporný teplotní součinitel odporu αR. Litina – vyniká nejvyšší provozní teplotou až 500 °C. Její měrný elektrický odpor je 0.7 mm2m-1. Hodí se na odporové články pro výkonové spouštěče. Slitina Au-Cr – v procentuálním složení dominuje zlato. Obsah chromu je 2.05 % a má podstatný vliv na teplotní součinitel elektrického odporu αR. Pro dosažení vysoké stability je potřeba slitinu několik desítek hodin žíhat ve vakuu při teplotě 150 °C. Výhodou slitiny je odpor nezávislý na teplotě, čehož se využívá při konstrukci odporových normálů. Nevýhodou slitiny je závislost elektrického odporu na mechanickém pnutí a vysoká cena. Normály se ukládají do pouzder plněných argonem. Slitiny Ni–Cr–Al – v rozsahu teplot –55 až +100 °C vykazují nižší závislost odporu na teplotě než konstantan. Vhodným tepelným zpracováním lze teplotní součinitel dále snížit až na -0.0005 K-1. Kromě toho mají dobrou časovou stálost. Jejich měrný elektrický odpor je 1.3 mm2m-1. Uvedenou slitinu lze táhnout na dráty až do průměru 10 m a využívat ji tak pro výrobu miniaturních rezistorů.


52  

Isaohm, nikrothal, stabilohm – jedná se o slitiny na bázi chromu a niklu. Jejich měrný elektrický odpor je velký a pohybuje se v okolí 1.3 mm2m-1. Používají se pro vinutí přesných vysoko-ohmových rezistorů. Cermet – název je složeninou počátečních slabik slov „ceramic“ a „metal“. Jedná se o speciální sklo, v němž je rozptýlen prášek drahého kovu, např. paládia. Tento odporový materiál se často používá na potenciometry. Vyznačuje se velkou stabilitou elektrického odporu, dlouhou životností a malým šumem. Odporové materiály pro měniče elektrické energie na teplo

3.2.2 

 



  

Slitina Cr–Ni – označuje se také jako chromnikl. Obsahuje 20 % chromu a 80 % niklu. Měrný elektrický odpor při 20 °C je 1.09 mm2m-1, při 1000 °C 1.16 mm2m-1. Vyniká žáruvzdorností a vysokými pracovními teplotami. Ty se pohybují v rozmezí 800 až 1200 °C. Slitiny Cr–Ni–Fe - jsou levnější než slitiny Cr–Ni, mají však horší vlastnosti. S rostoucím obsahem železa klesá provozní teplota a odolnost proti oxidaci. Používá se obchodní značení jako cekas, nichrom nebo feronichrom. Slitiny Fe–Cr-Al - obsahují většinou 20 až 30 % chromu, 3 až 6 % hliníku a zbytek železa. Jejich měrný elektrický odpor se pohybuje v rozmezí 1.25 až 1.45 mm2m-1. Díky přítomnosti hliníku se povrch slitiny potahuje vrstvou Al2O3 a zajišťuje tak ochranu slitiny až do teploty 1350 °C. Podobný účinek se dosahuje s přísadou 2 až 3 % křemíku (Fe–Cr–Si). Dále jsou známé slitiny kanthal, které navíc obsahují 0.25 až 3 % kobaltu. Wolfram, molybden – pro vlákna žárovek nebo žhavicí vlákna elektronek. I když mají vysokou teplotu tání, oxidují již při nízkých teplotách. Jsou proto provozovány ve vakuu nebo ochranné atmosféře. Topné články pro pracovní teploty do 2600 °C se vyrábějí slinováním práškového wolframu nebo molybdenu (vodivá složka) s oxidy hliníku nebo zirkonia (nevodivá složka). Silit – jedná se o směs SiC, Si a C. Pracovní teplota této nekovové pseudoslitiny se pohybuje kolem 1450 °C, měrný elektrický odpor kolem 0.1 až 0.2 mm2m-1. Superkanthal – jedná se o obchodní název sloučeniny MoSi2. Používá se na topné články elektrických pecí s teplotami až do 1700 °C. Uhlík – požadovaná odporová tělesa se vyrábějí lisováním směsí uhlíku ve formě sazí (vodivá složka) a fenoplastů (nevodivá složka). Používají se do teploty 2500 °C. Konstrukce rezistorů pro elektroniku

3.2.3 



Vrstvové rezistory – základem je nosné tělísko z elektrotechnického porcelánu, na kterém je nanesena funkční odporová vrstva. U levnějších rezistorů bývá uhlíková, borouhlíková nebo borosilikátová. Kvalitnější rezistory používají vrstvy z kovových slitin, jako je Cr-Ni, Fe-Cr-Si, nebo oxidové vrstvy SnO, SbO a TaN. Konečná ohmická hodnota odporu se získává výbrusem. Drátové rezistory - zhotovují se obvykle vinutím odporového drátu na nosné keramické tělísko. Vývody jsou přivařeny ke koncům odporového drátu, případně jsou tvořeny páskovými objímkami.


53

3.3 Materiály pro kontakty Od kontaktů a jejich nosných částí se očekává vodivé spojení obvodu při malém přechodovém odporu, bezpečné přerušení obvodu s potlačením elektrického oblouku a zajištění požadované elektrické pevnosti v rozepnutém stavu. Materiály pro kontakty by měly mít dobrou elektrickou vodivost, chemickou stálost, dobrou mechanickou pevnost a pružnost. U výkonových kontaktů je rovněž důležitá dobrá tepelná vodivost, odolnost proti elektrickému oblouku a migraci materiálu. 3.3.1 Vlastnosti kontaktních materiálů Matriály pro kontakty musí splňovat řadu požadavků. Mezi důležitá hodnotící kritéria patří:   









Nízký a stabilní přechodový odpor – vyhovují chemicky odolné materiály, např. ušlechtilé kovy a jejich slitiny, uhlík. Odolnost proti elektrickému oblouku – vyhovují materiály s vysokou teplotou tání, např. uhlík, wolfram, materiály s povlakem rhodia nebo rhenia. Dobrá elektrická vodivost – nejčastěji měď nebo stříbro. Čisté stříbro nemá požadovanou tvrdost, proto se používá nejčastěji ve spojení s mědí. Zajímavé je rovněž použití pseudoslitin. Jedná se o pórovitou kostru z wolframu nebo molybdenu nasycenou mědí nebo stříbrem. Wolfram nebo molybden odolává oblouku, zatímco měď nebo stříbro zajišťuje dobrou elektrickou vodivost. Nízké tečení materiálu a nízká eroze povrchu souvisí s odolností proti lokálnímu natavování a přeskupování materiálu během oddalování kontaktů. Nebezpečné jsou zejména hrotové nánosy typické pro stříbro. Ty pak redukují plochu kontaktů a zabraňují dobrému spoji. Tomu lze předcházet např. přídavkem oxidu kademnatého. Odolnost proti svaru a lepení kontaktů. K lepení kontaktů dochází difuzí při zapnutém kontaktu i bez elektrického proudu, zatímco ke svaření je potřeba elektrického proudu a dosažení tavící teploty. Lepení se projevuje u ušlechtilých kovů s velkou difúzní rychlostí (zejména u zlata). Potlačuje se dodáním vhodných příměsí, např. niklu. Svaru odolávají materiály s malým měrným odporem, malou mechanickou pevností a vysokou teplotou tání. Odolnost proti otěru – zajišťuje se zvýšením tvrdosti. Určitý otěr je potřebný pro odstranění nežádoucích korozních vrstev. Na druhou stranu ovšem snižuje životnost kontaktu. U kontaktů ze stříbra, zlata a mědi se odolnost proti otěru zvyšuje přidáním legujících prvků, jako niklu, křemíku a beryllia. Odolnost proti chemické korozi. Ta se se projevuje vznikem oxidačních, sulfidických a jiných vrstev, které zhoršují funkci kontaktu. Např. u stříbra vzniká sulfidický povrch již za pokojové teploty. Kontakty z platinových kovů se zase potahují hnědým povlakem, který je způsoben katalytickým působením těchto kovů na organické sloučeniny. Tvorbu nežádoucích vrstev lze potlačit pomocí slitin.

3.3.2 Přehled materiálů pro kontakty Materiály z čistých kovů:  Stříbro – vyniká výbornou elektrickou a tepelnou vodivostí, jeho nevýhodou je nízká odolnost proti otěru, nízká tavicí teplota a malá mechanická pevnost. Trpí tvorbou sulfidické vrstvy. Používá se na nejmenší proudy.


54 

     

Zlato – má rovněž výbornou elektrickou a tepelnou vodivost, je odolné vůči jakékoli korozi. Mezi jeho nevýhody patří nízká odolnost vůči otěru, nízká teplota tání a sklon ke svařování. Je vhodné pro kontakty nízkých výkonů a proudů jednotek miliampér. Měď – hodí se na kontakty s častým spínáním, které rozrušuje vznikající povrchový oxid. Platina – vysoce chemicky odolná, nevytváří oxidační vrstvu. Odolává elektrickému oblouku a je otěruvzdorná. Mezi její nevýhody patří vysoká cena, nižší elektrická i tepelná vodivost a vznik polymerního povlaku. Paládium – podobné vlastnosti jako platina. Je levnější, tvoří však oxidy při teplotách nad 400 °C. Je možné se s ní setkat ve formě nýtkových kontaktů. Rtuť – nevykazuje přechodový odpor, spíná bez zákmitů. Je však rizikem pro lidské zdraví. Její použití omezuje RoHS. Wolfram, molybden – mají vysokou teplotu tání a odtud i vysokou odolnost vůči elektrickému oblouku. Jsou součástí kontaktů přenášejících vysoké výkony, používají se v oblasti VN. Uhlík – vyniká nejvyšší teplotou tání. Uhlíkové kontakty jsou vůči elektrickému oblouku naprosto imunní. Při zhášení oblouku sice dochází ke vzniku plynného CO2, ten se ale uvolňuje a povrch grafitu zanechává čistý. Používá se pro kontakty elektrických točivých strojů. Uhlíkové kartáče se vyrábějí z tvrdého uhlíku, přírodního grafitu, elektrografitu a kovografitu. Liší se v dovoleném proudovém zatížení, maximálních provozních otáčkách, tvrdosti a vodivosti.

Slitiny na bázi stříbra:  Ag-Ni – nikl zvyšuje tvrdost a pevnost. Vyšší obsah niklu (nad 1 %) potlačuje erozi vyvolávanou elektrickým obloukem. Zhoršuje se však elektrická a tepelná vodivost. Slitina se používá na kontakty středních výkonů.  Ag-Cu – měď opět zvyšuje tvrdost a pevnost. Dále se zlepšuje odolnost proti elektrickému oblouku, migraci kovů a otěru. S rostoucím obsahem mědi však slitina ztrácí chemickou odolnost. Přídavek mědi činí nejčastěji kolem 3 %. Používá se pro kontakty s proudy do 30 A a napětím do 230 V.  Ag-Cd – příměs kadmia sice výrazně zhoršuje elektrickou a tepelnou vodivost stříbra, ale podstatně vylepšuje odolnost proti elektrickému oblouku, svařování kontaktů a otěru.  Ag-CdO – tato slitina má větší vodivost než Ag-Cd a menší přechodový elektrický odpor při nižší přítlačné síle. Obsah CdO bývá nejčastěji do 15 %. Používá se na hlavní kontakty stykačů do 630 A a malých jističů do 25 A.  Ag-Pd – přísada paládia vytváří slitinu odolnou síře a odtud i tvorbě sulfidových povlaků. Slitina se rovněž vyznačuje malým přechodovým odporem. Její nevýhodou je migrace materiálu při spínání stejnosměrného proudu. Hodí se na kontakty do 2 A a 60 V.  Ag-C – jedná se o kompozitní materiál, nejčastěji se 3 % uhlíku. Slitina téměř neoxiduje. Vyznačuje se velkou elektrickou vodivostí, spolehlivostí a odolností vůči svařování. Používá se nejčastěji v kontaktních párech, kde jeden kontakt je z čistého Ag a druhý z Ag-C. Tato kombinace je schopna odolat i zkratovým proudům, aniž by se svařila. Používá se v železniční zabezpečovací technice.


55

Slitiny na bázi zlata:  Au-Ni5 – nejdůležitější kontaktní slitina zlata s nízkým přechodovým odporem a dobrou odolností vůči korozi. Nikl zvyšuje mechanickou pevnost slitiny a omezuje migraci materiálu. Používá se pro proudové zatížení do 100 mA a napětí do 60 V. Slitina se osvědčila i ve vysokofrekvenčních obvodech.  Slitiny Au-Ag-Ni3 - byly vyvinuty hlavně s ohledem na úspory zlata. Vyznačují se dobrou tvrdostí a odolností vůči otěru.  Slitina Au-Co5 – oproti slitině Au-Ni5 se vyznačuje vyšší tvrdostí. Slitiny na bázi mědi:  Cu-Zn28 (mosaz), Cu-Sn6, Cu-Sn8 (cínový bronz), Cu-Be1.7, Cu-Be2 (beryliový bronz), Cu-Ni18-Zn20 (alpaka), Cu-Fe2 - používají se na nosné části kontaktů.  Beryliové nebo fosforové bronzy – slitiny pro kontaktní a tepelné dvojkovy.  Cu-Cr0.8 a Cu-Ag4-Cd1 – lepší mechanické vlastnosti a nižší náchylnost k oxidaci než čistá měď.  Cu-C – velice dobře odolává svaření, podobně jako Ag-C. Hodí se na smykové kontakty. Slitiny na bázi platinových kovů:  Pt-Ir - nejdražší kontaktní materiály. Vyznačují se dobrými mechanickými vlastnostmi, nízkým přechodovým odporem, odolností vůči korozi a elektrickému oblouku.  Pd-Cu - ve srovnání se slitinami Pd-Ag mají slitiny s mědí menší sklon k migraci kovů a trpí méně opalem. Pseudoslitiny:  W-Ag, W-Cu, Mo-Ag, Mo-Cu – jedná se o heterogenní soustavy. Ty splňují požadavek tvrdosti kontaktů, odolnosti proti oblouku, dobré elektrické a tepelné vodivosti.  40Ni-Ag, 60Ni-Ag - slitiny s vyšším obsahem niklu se vyrábějí práškovou metalurgií. Rostoucí obsah Ni se projevuje zvyšováním odolnosti vůči oblouku, zvyšováním otěruvzdornosti a zmenšováním migrace kovů. Zhoršují se však elektrické a tepelné vlastnosti. Tyto slitiny mají menší tvrdost, nesnáší mechanické rázy nebo velké přítlačné síly. Mezi významný kontaktní materiál patří rovněž chromnikl.

3.4 Materiály pro pájky Pájky se rozdělují podle teploty tavení na dvě hlavní skupiny:  Měkké pájky. Jejich teplota tavení je nižší než 450 °C. Vyznačují se nízkou pracovní teplotou a zároveň i malou pevností. Proto se používají na takové spoje, které nejsou pevnostně a teplotně namáhány. Měkké pájky jsou slitiny těžkých kovů, které se taví při nízkých teplotách, např. Sn, Pb, Cd, Sb a Bi.  Tvrdé pájky. Jejich teplota tavení je vyšší než 450 °C. Používají se pro spoje, které jsou za provozu při teplotě +20°C vystaveny vyššímu mechanickému namáhání nebo pracuje-li pájená součást za zvýšených, resp. kryogenických teplot.


56 3.4.1

Měkké pájky Rozdělují se na dvě podskupiny, a to pájky cínové a pájky speciální.

Cínové pájky jsou slitiny cínu a olova s pracovní teplotou 190 až 350 °C. Cín je v těchto pájkách aktivní složkou a působí dobrou smáčivost. Obsah cínu se pohybuje od 4 do 90 %. Pájky se 4 % obsahem cínu se používají na vyrovnávání povrchových nerovností, pájky s obsahem cínu od 25 do 30 % se používají v klempířství a konečně pájky s obsahem cínu od 50 do 90% v elektrotechnice. Elektrická vodivost cínových pájek je v rozmezí 10 až 5 % vodivosti čisté mědi, přičemž vodivost se zvyšuje s obsahem cínu. Nejlepší pájecí a mechanické vlastnosti mají cínové pájky Sn50Pb a Sn60Pb. Dosahují pevnosti v tahu 40 až 60 MPa a asi 40% tažnosti. Pevnost pájeného spoje je však ještě vyšší. Na vlastnostech cínových pájek se podílejí i další příměsi. Mezi nejvýznamnější patří:  Stříbro a měď … zlepšují smáčivost a roztékavost na mědi a mosazi. Dále zmenšují rozpustnost základního materiálu (Ag nebo Cu) v pájce. Stříbro rovněž zvyšuje odolnost proti korozi.  Fosfor … přidává se jako dezoxidační přísada (max. 0.05 %).  Hliník … společně se zinkem patří mezi nežádoucí přísady. Zhoršují pájecí schopnosti, snižují odolnost proti korozi a vedou ke znečištění povrchu spoje.  Arsen … při obsahu nad 0.03 % zhoršuje tekutost a pevnost pájky.  Antimon … obsah antimonu může být až 10 % obsahu cínu, což je hranice jeho maximální rozpustnosti v cínu. Antimon zvyšuje tvrdost a pevnost pájky, zejména při tečení. Dále zlepšuje mechanické vlastnosti spoje při vyšších teplotách. Mezi nevýhody této přísady patří vyšší teplota tavení pájky, vyšší křehkost, horší roztékavost a elektrická vodivost. Pro pájení zinku nebo pozinkovaného plechu se nehodí vůbec. Kromě cínových pájek ještě existují měkké pájky speciální. Patří sem pájky pro vysoké provozní teploty (např. Cd95Ag pro tepelně namáhané spoje do 150 °C), pájky neobsahující těžké kovy pro potravinářský, chladírenský a elektrotechnický průmysl (např. SnSb5, SnAg5), pájky pro pájení skla (Sn37PbIn, Sn50In, Bi55Pb) nebo pájky pracující jako tepelné pojistky s teplotou tavení pod 100 °C (Bi50PbSn, BiPbInSnCd). Pájky snášející kryogenické teploty mají obsahovat asi 0.1 % Bi, resp. 0.5 % Sb. Tyto prvky zabraňují tvorbě cínového moru. 3.4.2

Tvrdé pájky z těžkých kovů

Pájky na bázi mědi – vhodné pro pájení železných a neželezných kovů s teplotou tání nad 1000 °C. Patří sem pájka E-Cu (elektrovodná měď) z čisté bezkyslíkaté mědi. Tato pájka má velmi dobrou roztékavost (vyplňuje mezery pod 0.02 mm), vyniká dobrou tvárností a dobře vzdoruje teplotám až do 350 °C. Pracovní teplota pájení je přibližně 1150 °C. Pro nerezavějící ocele a slitiny Ni se vyžaduje o něco větší mezera ve spoji (nad 0.025 mm). V průběhu pájení se totiž pájka obohacuje Ni a se zvyšováním obsahu Ni se zvyšuje i teplota tání takto obohacené pájky. Ta pak může předčasně ztuhnout. Nežádoucí příměsi v pájce ECu je železo, které zhoršuje tekutost pájky. Tekutost pájky naopak zlepšuje Ni. Ten dále zlepšuje pevnost spoje i korozní odolnost. Pájka Cu-P10 se používá pro pájení Cu a jejich slitin. Teplota tání se pohybuje kolem 710 °C při obsahu 8.6 % P. Mosazné pájky Ms60 (Cu – Zn) mají pracovní teplotou pájení asi 900 °C. Jakost mosazných pájek závisí na obsahu zinku, jenž má být nižší než 40 %. Zinek totiž vře při 913 °C, a již při 650 °C lze pozorovat vypařování zinku. To pak způsobuje pórovitost spoje. Mosazné pájky mají dobré pájecí i mechanické vlastnosti. Pevnost v tahu se pohybuje kolem 400 – 700 MPa při tažnosti 20 až 40 %.


57

Pájky na bázi stříbra – vhodné pro pájení skoro všech železných a neželezných kovů kromě kovů lehko tavitelných a kovů lehkých s výjimkou titanu a jeho slitin. Tyto pájky jsou podstatně dražší než mosazené, proto se používají jen v omezené míře, i když potřebují nižší pájecí teplotu. V závislosti na obsahu Zn a Cd bývá pájecí teplota v rozsahu 630 až 800 °C. Pájka Ag72-Cu je eutektickou slitinou s teplotou tání 780 °C. Tekutost pájky je velmi dobrá. Pájku je možno použít pro vakuové pájení mědi, beryllia apod. (např. při výrobě elektronek). Pájky Ag-Cu-P jsou vhodné zvláště pro pájení mědi a stříbra bez tavidla. Používají se pro pájení elektrických spojů transformátorů, elektromotorů, při výrobě chladniček apod. Vzhledem k nízkému obsahu Ag je pájka poměrně levná. Pájky na bázi Ag-Cu-Zn jsou velice choulostivé na poměr Cu:Zn v závislosti na obsahu stříbra. Pájky s vyšším obsahem Ag (až 66 %) mají poměr Cu:Zn přibližně 2:1 nebo vyšší. Teplota tavení je v rozsahu 740 až 840 °C. Tyto pájky poskytují nejvyšší pevnostní charakteristiky ze všech stříbrných pájek. Používají se pro spojování měděných dílů v elektrotechnice a pro pájení nerezavějících ocelí. Pájky na bázi Ag-Cu-Zn-Ni-Mn jsou vhodné pro pájení austenitických ocelí, destiček ze slinutých karbidů na soustružnické nože namáhané v provozu při teplotách do 400 °C a také pro pájení niklových bronzů. Konečně pájky na bázi Ag-Mn již patří do skupiny žáropevných pájek, jež jsou odolné do 500 °C. Hodí se na pájení ocelí, niklu a jeho slitin. Pájky na bázi niklu – jedná se o žáropevné a žárovzdorné pájky. Využívá se dobré odolnosti niklu proti oxidaci. Vlastnosti niklu se ještě zlepšují legováním, např. je možné snížit teplotu tání z původních 1452 °C na teplotu nižší. Tyto pájky mají dobré pájecí vlastnosti, ale nedostatečnou tvářitelnost, takže se vyrábějí pouze ve formě prachu (zrnění kolem 0.1 mm). Nejčastěji se používají ve formě pasty, kde jsou zrnka stmelena organickým pojivem. Pájka Ni-Cr-Si-B-Fe obsahuje chrom pro zajištění pevnosti spoje za tepla a odolnosti proti oxidaci. Bor sice snižuje teplotu tání pájky, ale nepříznivě působí na rozpouštění základního materiálu v pájce. To je zvlášť nepříznivé při pájení tenkostěnných součástí. Při stavbě jaderných reaktorů se nedají použít pájky s obsahem boru. Proto byly vyvinuty pájky typu Ni-Cr-Si nebo Ni-Cr-Si-Mn. Dostatečně nízké teploty tání pájky se dosahuje zvýšením obsahu křemíku. Vzhledem k vyloučení boru je tato pájka vhodná i na tenkostěnné profily. Zhotovené spoje mají dobrou odolnost proti oxidaci a jsou vhodné pro provozní teploty až do 1100 °C. Pájky typu Ni-P nebo Ni-Cr-P mají velmi nízkou pracovní teplotu (do 850 °C) při malé erozi základního materiálu. Hodí se proto pro pájení tenkých materiálů. Pájky na bázi palladia. I když nejsou určeny pro vysoké provozní teploty, poskytují při teplotě 450 °C po dobu 1000 hod. dostatečnou creepovou pevnost (zkouška tahem za zvýšené teploty). Ta je však nižší než u pájek na bázi niklu. Spoje vytvořené palladiovými pájkami jsou zase odolnější proti rázu. Oproti niklovým pájkám mají paládiové pájky další výhody: větší pevnost a tažnost, malá eroze základního materiálu, menší roztékavost, vysoká odolnost proti korozi. Jejich nevýhodou je poměrně vysoká cena. Mezi základní představitele patří slitiny Ag-Cu-Pd, Ag-Pd-Mn, Ni-Mn-Pd a Ni-Pd. Pájky typu Ag-Cu-Pd byly odvozeny ze základní pájky Ag72Cu. Jejich teplota tání je odstupňovaná přibližně po 50 °C. Pájky s různou teplotou tání jsou důležité při postupném pájení tvarově složitých součástí, jako jsou např. elektronky, zvláště tam, kde jsou vyžadovány vzduchotěsné spoje. Pájka typu Ni-Mn-Pd odolává tekutému sodíku, draslíku a olovu. Používá se proto pro pájení tepelných výměníků, u kterých se uvedené tekutiny používají jako teplonosné médium. Pájka je vhodná pro provozní teploty do 800 °C. Palladiové pájky se používají v elektronice, při konstrukci plynových turbín, proudových motorů, při výrobě jaderných reaktorů apod. Pájky na bázi drahých kovů. Kromě Au, Pt, Pd, Ag obsahují ještě Ni a Cu. Rozdělují se na dvě skupiny – zlaté a platinové. Nejpoužívanější je pájka AuNi18 s teplotou tání 950 °C. Má dobré pájecí vlastnosti, odolnost proti deformaci a korozi. Odolnost proti oxidaci je dobrá

58


až do 450 °C. Proti pájkám na bázi Ni má menší sklon k rozpouštění základního materiálu. Pájky na bázi platiny, jako je Cu-Pt nebo Au-Pd-Pt, mají rovněž dobré pájecí vlastnosti i odolnost proti oxidaci. Pro svou vysokou cenu se používají pouze ve speciálních případech, např. při výrobě elektronek pro pájení drátů W-Th s Mo. V umělecké výrobě se na pájení zlatých předmětů používají pájky typu Au-Ag-Cu-Zn-Cd s teplotou tání 630 až 800 °C. Na pájení stříbrných předmětů jsou vhodné pájky s vyšším obsahem Ag. 3.4.3

Měkké a tvrdé pájky pro lehké kovy

Mezi lehké kovy patří kovy s hustotou menší než 4.5 kg.dm-3. Patří sem především hliník, hořčík, titan a jejich slitiny. Hlavním požadavkem kladeným na pájky pro hliník je vznik difúzních mezivrstev pájeného spoje a dobrá odolnost spoje proti korozi. Adhezní spoje nejsou vhodné. Mezi difúzní kovy patří Zn, Cu, Ag a Ni, kde každý z nich tvoří s hliníkem řadu tuhých roztoků. Základ měkkých nízkoteplotních pájek na hliník tvoří kovy s nízkou teplotou tání (Sn, Pb, Cd), přičemž pájka může obsahovat minimální množství kovů s vyšší teplotou tání (Zn, Cu, Al). Měkké středně teplotní pájky na hliník se liší od předcházející skupiny především vyšším obsahem Zn. Měkké vysokoteplotní pájky na hliník jsou založeny na Zn, přičemž legujícími prvky jsou kovy s vyšší teplotou tání (Al, Cu, Mn, Ag). Tvrdé pájky pro pájení hliníku jsou založeny na bázi Al-Si, příp. Al-Cu-Si. Pájky na hořčíkové slitiny jsou založeny na bázi Mg-Al-Zn-Cd (Be). Pájka obsahuje přibližně 25 až 27 % Al a 1 až 1.5 % Zn. Pájka se taví v rozmezí teplot 520 až 435 °C. Legováním 25 až 26 % Cd se sníží interval tání na 415 až 395 °C, přičemž se sníží i náchylnost pájky k trhlinám. Beryllium (0.002 %) zabraňuje vzplanutí hořčíku. Pro pájení titanu a jeho slitin je možno použít tvrdé pájky z čistého Al, Ag a jejich slitin. 3.4.4

Pájky neobsahující těžké kovy

Od roku 2006 vstoupila v platnost směrnice RoHS zavazující všechny členské státy EU k eliminaci těžkých kovů v průmyslové výrobě. V oblasti pájek tato směrnice postihuje olovo a kadmium. Hledají se proto cesty, jak tyto prvky nahradit. Asi nejvíce obtíží působí bezolovnaté pájky pro elektroniku. Snahou je zajistit podobné vlastnosti jako u pájek s olovem. Patří sem dobrá smáčivost, přiměřená mechanická pevnost, výborná elektrická a tepelná vodivost a konečně nízká teplota tání omezující namáhání plošného spoje a součástek. Legující prvky nových pájek musí být zdravotně nezávadné, dostupné v dostatečném množství a za rozumnou cenu. Alternativní bezolovnaté pájky jsou měkké pájky s vysokým obsahem Sn a malým obsahem legujících prvků Ag, Cu, Bi, Sb, Zn, In, Mg. Řada zajímavých bezolovnatých binárních slitin na bázi cínu již byla studována. Většinou byly vybrány slitiny s eutektickým složením nebo složením blízkým eutektickému bodu kvůli jejich úzkému intervalu tuhnutí. Slitiny Sn100, Sn99Cu1, Sn97Cu3, Sn96.5Ag3.5, Sn95Sb5, Sn91Zn9 a Sn42Bi58 se ukázaly jako osvědčené. Pájka Sn95.5Ag4Cu0.5 je nejstarší slitinou objevenou v první polovině minulého století. Není náchylná na kontaminace, je však dražší kvůli obsahu stříbra. Hodí se pro vlnu, přetavení i ruční pájení. Hlavní nevýhodou bezolovnatých pájek je jejich vyšší teplota tání, odtud vyšší teplota celého procesu, větší namáhání desky plošného spoje a elektronických součástí. Z eutektických binárních slitin cínu mají nižší teplotu tání jen slitiny s vysokým obsahem bismutu (58 %), india (52 %) a galia (86,5 %). Překážkou pro větší rozšíření těchto slitin je jejich vzácný výskyt a vysoká cena.


59

3.5 Magnetické materiály Za magnetické materiály se považují takové látky, které mají výrazný (spontánní) magnetismus. Jsou to zvláště feromagnetické a ferimagnetické materiály s velkou magnetickou polarizací a nezbytnou magnetizační smyčkou. Feromagnetické látky se dají intenzivně magnetovat a mají značnou hysterezi magnetické indukce B. Zbytková magnetická indukce Br (H = 0) se nazývá remanence. U ferimagnetických látek dochází ke spontánní magnetické polarizaci podobně jako u feromagnetických látek, ale s jinou teplotní závislostí a při hodnotách veličin nižších řádů. Rozlišují se magneticky měkké a magneticky tvrdé materiály. Magnetizační pochod je u obou materiálů stejný, liší se pouze kvantitativně. Mezi základní magnetické materiály patří železo a jeho slitiny, dále pak ferity. Feritové materiály jsou známy jako směsi Fe2O3 s kysličníky dvojmocných, popř. trojmocných kovů (Me = Metal), např. Co, Zn, Mn, Mg, Ni, Al, Cu, Ba, Cd a Fe. Jejich krystalová mřížka má strukturu:  spinelovou MeO . Fe2O3,  železitých granátů 3 MeO3 . 5 Fe2O3,  šesterečnou na bázi BaO – MeO – Fe2O3,  se směrem snadného magnetování BaO-2MeO-8Fe2O3 (trvalé magnety),  s rovinou snadného magnetování 2BaO-2MeO-6Fe2O3, (3BaO-2MeO-12Fe2O3) 3.5.1 Magnetické materiály měkké Od magneticky měkkých materiálů se požaduje:  nepatrná koercitivita Hc  0.4 až 400 Am-1,  velká a konstantní permeabilita při malé a střední intenzitě magnetického pole,  nepatrné magnetizační ztráty (malá plocha hysterezní křivky). Přestože ve slaboproudé technice převládají ferity, mají feromagnetické materiály stále svůj význam, zvláště pro větší výkony. Největší magnetickou polarizaci má prvek gadolinium (Gd). Jeho použití je silně omezeno jeho nepatrným výskytem a nízkou Curieovou teplotou (+16 °C). Mezi další vhodné prvky patří nikl, kobalt a železo. V technické praxi však převládají slitiny. Vlastnosti nejpoužívanějších materiálů zobrazuje Tab. 46. Za účelem snížení ztrát vířivými proudy se jádro skládá z izolovaných plechů. Nicméně plechy tenčí než 50 m se obtížně lisují. Pro ještě jemnější rozčlenění feromagnetického materiálu se používají hmotová jádra z práškového železa o velikosti zrn 1 až 10 m. Umožňují levně vytvořit libovolný tvar jádra a žádanou změnu magnetických vlastností přimísením různých slitin. Kovové magneticky měkké materiály se taví nebo spékají a žíhají zpravidla ve vodíkové atmosféře. Feritové magneticky měkké materiály se pouze spékají. Vzhledem k antiparalelnímu spinovému uspořádání je magnetická polarizace při nasycení 3x až 5x menší než u železa, tedy v rozsahu 0.1 až 0.5 T. Magneticky měkké ferity se používají především pro malou intenzitu magnetického pole při poměrně nízkých kmitočtech (0.1 až 10 MHz). Lepších kmitočtových vlastností se dosahuje u feritů Ni-Zn (1 až 1000 MHz). Vzhledem k nepatrné magnetické polarizaci při nasycení nejsou ferity vhodné k přenášení větších výkonů. Magneticky měkké materiály se používají především pro výrobu cívek, tlumivek a transformátorů. Jsou rovněž nenahraditelné při výrobě magnetických stínění.


60

Tab. 46: Materiály magneticky měkké. Materiál

Složení [%]

Čistý nikl Čistý kobalt Čisté železo

Ni 99, 0.2 Cu Co 99 Fe 99.9 Fe 99.7, Mn 0.1, Si 0.05, C 0.05

Technické železo Hyperm 1 až 7

Fe 96, Si 4

Permalloy

Fe 18.5, Ni 78.5, Mo 3

Supermalloy Permendur, Hiperco

3.5.2

Fe 15.5, Ni 79, Mo 5, Mn 0.5 Fe 64.5, Co 34, 0.5 Cr, V 1

Curieho teplota c [°C] 358 1120 1040

Maximální permeabilita r max 1000 240 680000

Magnetická indukce při nasycení Bs [T] 0.65 1.8 2.15

Koercitivní síla -1 Hc [Am ] 80 až 160 800 2

770

1000 až 6000

2.15

8 až 160

8000 až 30000

1.3 až 2.2

20 až 120

480

70000

0.95

3.5

400

100000 až 1000000

0.8

0.15 až 0.7

970

10000

2.42

80

Použití Magnetostrikční Pro vysoké teploty Laboratorní Relé, magnetická jádra (jha) Relé, stínění, audio transformátory Měřicí přístroje, stínění, vstupní transformátory Stínění, vstupní transformátory Pólové nástavce

Magnetické materiály tvrdé

Magneticky tvrdé materiály mají koercitivitu v rozsahu 5.103 až 2.106 Am-1. Té se využívá k vytvoření statického magnetického pole. Remanentní indukce Br a koercitivní síla Hc jsou nejdůležitější parametry tvrdých magnetů. Při návrhu magnetického obvodu by měl být součin BH volen co největší. Pokud se magneticky tvrdý materiál nachází ve střídavém poli velké amplitudy, dochází k velkým hysterezním ztrátám. Ty jsou úměrné ploše hysterezní smyčky magnetického materiálu. Mezi základní magneticky tvrdé materiály patří feromagnetické slitiny. Mezi hlavní představitele feritů pak patří maniperm, BaO.6Fe2O3 = BaFe12O19. Oproti kovovým materiálům má větší koercitivitu a menší remanenci, což vede na kratší tvar jádra s velkým magnetickým průřezem. Silnými permanentními magnety jsou materiály na bázi samaria a kobaltu, jejichž parametry byly ale překonány magnety na bázi neodymu, železa a boru. Mezi výhody neodymových magnetů patří nízká výrobní cena (nižší než u samarium-kobaltových magnetů), mezi jejich nevýhody velice snadná koroze. Proto se povrch neodymových magnetů chrání niklováním, zinkováním nebo pryskyřicí. Přehled magneticky tvrdých materiálů podává Tab. 47. Magneticky tvrdé materiály se používají všude tam, kde je potřeba vyvolat mechanickou sílu (rozpojovací magnety, zavírače dveří), v elektrických točivých strojích (stejnosměrné motory, dynama), v elektronice (mikrofony, reproduktory, polarizovaná relé), atd.

3.6 Materiály pro odvod tepla Materiály s dobrou tepelnou vodivostí mají zpravidla stejně dobrou elektrickou vodivost. Nejlepší tepelnou vodivost má stříbro, potom měď, zlato a hliník. Za zmínku ještě stojí mosaz, jejíž vodivost oproti hliníku je poloviční a železo, jehož vodivost oproti hliníku je třetinová. Protože se jedná o pevné materiály, připadá do úvahy odvod tepla vedením a


61

vyzařováním. Chladiče se vyrábějí tak, aby jejich povrch měl co největší plochu. Proto se používá žebrování nebo ostnů. Pokud je zdroj tepla bodový, je potřeba zajistit, aby odvod tepla vedením základní desky převažoval nad odvodem tepla vyzařováním jednotlivých žeber. Odtud je vidět, že dobře navržený chladič vyžaduje určitý objem materiálu. Do hry tak vstupuje nejen tepelná vodivost materiálu, ale i jeho hmotnost a cena. Tab. 47: Materiály magneticky tvrdé. Remanentní indukce Br [T] 0.16 až 0.25 0.15 až 0.40 0.33

Koercitivní síla -1 Hc [kA.m ]

0.9 až 0.96

80

2.1 až 2.4

750

0.84 až 0.94

80 až 160

2.7 až 7.2

720 až 800

0.6 až 1.4

240 až 320

12 až 88

SmCo5

720

0.8 až 1.1

600 až 2000

120 až 200

Nd2Fe14B

310 až 400

1 až 1.4

750 až 2000

200 až 440

Curieho teplota c [°C]

Materiál

Složení [%]

Kobaltový ferit Baryový ferit Olověný ferit

Co (Fe2O4) BaO.6Fe2O3 PbO.nFe2O3 Cr 3 až 5 C 1 až 5 Si 0 až 1 Mn 1 Co 2 až 35 Cr 2 až 9 Mn 0.5 až 5 C 0.9 až 1 Al 6 až 13 Ni 13 až 24 Co 12 až 34 Cu 2 až 6 Ti 0 až 9

65 až 510 200 až 465 460

Chrómová ocel

Kobaltová ocel

Ocel Al-Ni-Co 160 až 800 Slitina samarium-kobalt Slitina na bázi neodymu

(BH)max [kJ.m-3] 4 až 12 3.2 až 32 16

Na základě uvedených skutečností se nejčastěji používá hliník. Nejen že má dobrou tepelnou vodivost, vyniká přitom i malou hmotností a dá se dobře odlévat. Cenově dostupná je ještě měď. Vyšší tepelná vodivost je ovšem zaplacena vyšší hmotností. Pro chlazení elektronických součástí se s výhodou využívá šasi a krytování přístrojů. Není ovšem jednoduché přenášet teplo z centra přístroje na jeho okraj. Nejlepší řešení nabízí tepelné trubice. Jedná se o uzavřený systém, kde k přenosu tepla dochází oběhem parní a kapalné fáze. Na horkém konci dochází ke skupenské přeměně z kapalné na plynnou fázi, na studeném konci k přeměně opačné vlivem předávání tepla. Používá se uzavřená trubice z mědi, nerez oceli, keramiky nebo skla o průměru 5 až 20 mm a délky 0.1 až 1 m. Oběživo se volí podle teploty horkého konce. Může se jednat o kyslík, dusík, čpavek, vodu, metanol, freony, alkalické kovy. Tepelná vodivost bývá řádu tisíců Wm-1K-1. Hustota tepelného toku dosahuje až 108 Wm-2. Tepelné trubice se rozdělují na dva základní druhy: Gravitační tepelné trubice bývají prázdné s tím, že výparník je dole a kondenzát ztéká zpět do výparníku vlivem gravitačních sil. Kapilární tepelné trubice mají speciální vnitřní strukturu, která umožňuje vzlínání oběživa. Jsou polohově nezávislé. Tepelné trubice někdy nahrazují silnou základovou desku jednoduchých chladičů se žebrováním. Ušetří se tím materiál chladiče, zredukuje hmotnost a ještě se dosáhne lepšího rozvodu tepla a tím i konečného vyzařování.

62


Co se týká chlazení polovodičových součástek, zvláštní kapitolu představuje odvod tepla z polovodičových struktur na pouzdro součástky. Jak již bylo řečeno, maximální teplota čipu je dána šířkou zakázaného pásu použitého polovodičového materiálu. U germania je šířka zakázaného pásu 0.67 eV a maximální pracovní teplota kolem 75 °C. U křemíku je šířka zakázaného pásu 1.12 eV a maximální pracovní teplota kolem 125 °C. Ještě větší šířku zakázaného pásu 5.5 eV má diamant, tj. uhlík. Pokud by bylo použito diamantu jako polovodičového materiálu, dá se očekávat, že by snášel pracovní teploty až 500 °C. Diamant se rovněž vyjímá v hodnotě tepelné vodivosti. V nejlepším případě dosahuje až 2300 Wm-1K1 , což je 5.3x lepší vodivost než u stříbra, a 15x lepší než u křemíku! Diamant je tedy nadějným materiálem budoucnosti. Jeho většímu rozšíření zatím brání technologické problémy. Ve výčtu materiálů nelze opomenout oxid hlinitý, Al2O3 (viz kap. 2.1.2), a berylnatý, BeO (viz kap. 2.8.1). Jejich postavení je poněkud výjimečné. I přes vynikající tepelnou vodivost zachovávají vysoký elektrický odpor. Jedná se proto o základní materiály keramických pouzder polovodičových součástek.

3.7 Konstrukční materiály Většinou se požadují materiály s definovanou pevností při co nejmenším objemu a hmotnosti. Důležité hledisko rovněž zaujímá mechanická obrobitelnost, chemická odolnost a možnosti povrchové úpravy. Konstrukční materiály často plní několik funkcí současně. Kromě zajištění mechanického uspořádání uzavírají elektronický celek a chrání ho před vnikáním cizích předmětů, prachu a vlhkosti. Nabízí se rovněž ochrana před působením rušivých elektrických a magnetických polí. Pro odstínění všech elektrických polí by měl obvodový rám přístroje vytvořit dobře vodivou klec. Velikost větracích otvorů by měla být co nejmenší. Stejně tak je potřeba vodivě pospojovat všechny kryty navzájem. Konstantní a pomalu proměnná magnetická pole se stíní pomocí krytů z feromagnetického materiálu s velkou relativní permeabilitou . Mezi vhodné materiály patří permalloy nebo ocel. Permalloy je nutné po mechanickém zpracování podrobit závěrečnému žíhání při teplotě 1000 až 1200 °C a temperování při 400 až 600 °C. Jen tak je možné zachovat vysokou permeabilitu materiálu. Vysokofrekvenční magnetická pole se stíní pomocí vodivých krytů, které formují prstence a zajišťují tak indukci magnetického pole opačného směru. Stínící účinek vytlačováním pole je pro libovolný materiál dán poměrem jeho permeability a měrného odporu, tj. /. Feromagnetické materiály stíní víc, než nemagnetické, doprovází je ale velké ztráty. Ty spočívají ve větším měrném odporu  a hysterezi. Mezi užívané konstrukční materiály patří většinou slitiny kovů. Snahou je připravit materiál vyhovující v co nejvíce ohledech. Nejčastěji se jedná o slitiny na bázi železa, niklu, hliníku, mědi, titanu a hořčíku.

3.8 Materiály pro vakuovou techniku Materiály pouzder vakuových prvků nebo aparatur musí být dokonale těsné i v tenkých vrstvách a nesmí uvolňovat plyny ať už ze svého povrchu nebo objemu (malá desorpce plynů). Ve vakuových zařízeních se obyčejně používají některé kovy, sklo a keramika. Organické materiály (např. plastické hmoty, pryž) se používají jen ve výjimečných případech, nehodí se pro práci ve statických podmínkách (bez trvalého čerpání) nebo pro obor ultravakua.


63

3.8.1 Kovy pro vakuum Z kovových materiálů se používají především nerezavějící oceli (slitiny železa s niklem, chromem, titanem a ostatními legujícími prvky). Molybdenové příměsi jsou výhodné, nicméně leštění povrchů molybdenových ocelí působí těžkosti. Dále se používá měď (vakuová OFHC) a hliník. Nežádoucí je mosaz a bronzy obsahující zinek, příp. jiné snadno se odpařující kovy (zejména při teplotách nad 150 °C). V některých částech vakuových aparatur lze připustit použití beryliových nebo hliníkových bronzů. Zlato a měď se často používají jako těsnící materiál. K pájení se obvykle používá tvrdých pájek na bázi stříbra, zlata a slitin mědi. Pro těsné spojení kovů se sklem nebo keramickým materiálem je potřeba zajistit stejný koeficient teplotní roztažnosti. K tomu se používají slitiny železa, niklu, kobaltu a chromu, jako je např. kovar, konel, sivar a další. V malých vakuových zařízeních se pro zvláštní účely používají vysokotavitelné kovy, jako je Mo, Ta, W, Pt, Ni a jejich slitiny bez obsahu mědi. Od materiálů katod se očekává vysoká emisivita (Ba, Cs). Kovové materiály pro vakuovou techniku musí být dokonale čisté a bez dutin. Proto se taví a zpracovávají v pečlivě kontrolovaných podmínkách (nejlépe ve vakuu) a uchovávají se ve vakuu nebo ochranné atmosféře. Kovy obecně obsahují velké množství plynů, hlavně kyslíku, dusíku, CO a CO2. Např. 1 kg hliníku obsahuje 10 až 20 cm3 plynu. Plyny se do kovu dostávají během metalurgických procesů, zpracování a skladování. Všechny kovové součástky musí být před montáží nebo vložením do vakuového systému zbaveny povrchových nečistot (drobné součásti se čistí v ultrazvukových lázních) a odplyněny zahřátím. Odplyňování se provádí ve zvláštních vakuových nebo vodíkových pecích. Pro většinu kovů je teplota odplyňování ve vakuu 800 až 1500 °C a ve vodíku 600 až 1100 °C. 3.8.2 Sklo pro vakuum Sklo se ve vakuové technice používá velice často pro své dobré vakuové (malá desorpce) a elektrické vlastnosti (velký izolační odpor). Pro svoji křehkost se však nehodí na větší části vakuových aparatur. Kromě koeficientu teplotní roztažnosti je rovněž důležitá propustnost skel pro plyny a schopnost je rozpouštět. Výbornou chemickou odolnost a nízkou teplotní roztažnost vykazuje boritokřemičité sklo. Největší propustnost pro plyny vykazuje křemenné sklo, následuje sodnovápenaté sklo. Nejmenší propustnost má hlinitokřemičité sklo, s obsahem Al2O3 asi 20 %. Hlinitokřemičité sklo je tedy nejvhodnější pro ultravakuum. Co se týká plynů, největší difúzní rychlost jeví hélium, potom vodík. Okolnost, že vodík, který má menší atomový poloměr (0.37) než hélium (0.53), difunduje sklem pomaleji, se vysvětluje tím, že dochází při jeho difúzi k hydrogenaci skla, tj. ke vzniku OH skupin. Propustnost ostatních plynů, jako jsou neon, dusík, kyslík a argon, lze měřit pouze u křemenného skla. Propustnost některých skel se zmenší udržováním skel na vyšší teplotě po delší dobu. Příznivý vliv temperování se projevuje u křemenného skla, sodnovápenatého a olovnatého skla. U boritokřemičitých skel (pyrex, duran) však delší temperování zvyšuje propustnost plynů. Skla jsou chemicky aktivní materiály. Na povrchu a v povrchové vrstvě mohou vázat velké množství vodní páry a další plyny (CO2, N2). Tloušťka této vrstvy závisí na chemickém složení skla, době jeho skladování a také na způsobu zpracování. Skla obsahující kysličníky alkalických kovů značně pohlcují vlhkost. Pro uvolnění plynů sorbovaných v povrchové vrstvě se sklo odleptává např. v kyselině fluorovodíkové. Dalším způsobem uvolnění plynů z povrchové vrstvy je zahřátí skla na vzduchu s tím, že ihned poté následuje čerpání. Kromě sorbovaných plynů může sklo obsahovat určité množství rozpuštěných plynů (CO2, O2, N2 a H2). Konečné odplynění skla se obyčejně provádí při čerpání již hotového skleněného přístroje nebo součásti. Je známou skutečností, že vakuum elektronek se zhorší při utavování čerpacích trubiček, které jsou napojeny na čerpací


64

aparaturu. Proto je nezbytná přítomnost a aktivace getru, který odsaje zbytky plynů v již zatavených baňkách (viz také kap. 2.5.2). 3.8.3

Keramika pro vakuum

Keramické materiály nahrazují ve vakuové technice často sklo, protože mají větší mechanickou pevnost, vydrží rychlé změny teploty a nepotřebují chlazení po zpracování. Kromě toho mají lepší elektrické vlastnosti zejména v oblasti vysokých frekvencí. Z hlediska použití ve vakuu se keramické materiály rozdělují na těsné a porézní. Oba druhy se musí vyznačovat malou desorpcí a první z nich malou propustností pro plyny. Propustnost keramických materiálů pro plyny lze v četných případech omezit glazováním nebo posklením. Zhorší se však tepelné a elektrické vlastnosti keramiky. Co se týká materiálů vkládaných do vakuových přístrojů, jsou vhodnější porézní materiály glazované, poněvadž se snadněji odplyní. K porézním keramikám patří především čisté kysličníky kovů, hlavně hliníku a hořčíku. Korundové keramiky (75 až 99.8 % Al2O3) se využívá při výrobě různých vysokoteplotních izolátorů pro elektronky, např. držáků žhavených vláken. Čistý kysličník hlinitý Al2O3 se často používá ve formě emulze s libovolnou organickou kapalinou pro přípravu izolace pomocí naprašování. Používá se rovněž steatitová keramika a její zdokonalené verze, obsahující různé přísady, jako baryum a stroncium. Přísadou zirkonia s některými tavidly se získává zirkonový porcelán, který má vyšší žáruvzdornost. Ke skupině vakuově těsných keramik se řadí některé druhy porcelánu, zejména elektrotechnického, obsahujícího 40 až 60 % kaolinu, 20 až 30 % živce a 25 až 45 % křemičitého písku, spékaných při teplotách 1270 až 1500 °C. Forsteritové keramiky se používá při výrobě plášťů elektronek. 3.8.4

Organické materiály pro vakuum

Organické materiály se používají jen zřídka. Jejich většímu využití brání velké uvolňování plynů, velká pórozita a malá tepelná a mechanická stabilita. Jak v nízkých, tak ve vysokovakuových zařízeních se syntetické látky používají k utěsnění rozebíratelných spojů. Nejčastěji to jsou silikonové pryskyřice, piceinové vosky, tmely na bázi chloridu stříbrného (vyšší teplota tání – lepší vlastnosti), epoxidové pryskyřice (araldit), alkydové pryskyřice (glyptal – velice viskózní). V zařízeních pro nízké vakuum se někdy používají silnostěnné trubice ze syntetické pryže speciálních druhů. Především nesmí mít vysoký obsah plastifikátorů (změkčovadel). Zvláštní pozornost zasluhuje teflon, který má velice dobré vakuové vlastnosti.

3.9 Polovodičové materiály Jejich volba je ovlivněna cílovou aplikací, technologickou náročností výroby a samozřejmě cenou. Mezi sledované fyzikální parametry patří pohyblivost elektronů a děr, šířka a druh zakázaného pásu, tepelná vodivost materiálu a jeho maximální pracovní teplota. Elektronová pohyblivost je definována podle následujícího vztahu: (6) Veličina n vyjadřuje rychlost pohybu elektronů [m.s-1], veličina E intenzitu elektrického pole [V.m-1]. Pohyblivost děr je definována shodně, liší se akorát indexy. Měrná elektrická vodivost materiálu  se pak vypočítá podle vztahu: (7)


65

Veličina q = 160.21892 x 10-21 [C] je náboj elektronu, n a p vyjadřuje počet elektronů a děr, které se zúčastňují vedení elektrického proudu,  označuje měrný elektrický odpor [Ω.m] a konečně J hustotu elektrického proudu [Am-2]. Dále se rozlišuje mezi přímou a nepřímou oblastí zakázaného pásu. U nepřímé oblasti může dojít k přechodu elektronu z vodivostního do valenčního pásu nebo opačně jen při změně krystalového momentu. Takové materiály nejsou vhodné pro konstrukci prvků emitujících záření, Obr. 19.

a)

b)

Obr. 19: Pásový model atomu. Rozdíl mezi přímou a) a nepřímou b) oblastí zakázaného pásu. 3.9.1 Elementární polovodiče Mezi základní materiály patří:  Křemík – nepřímá oblast zakázaného pásu, šířka zakázaného pásu 1.12 eV, pohyblivost elektronů 1350 cm2V-1s-1, pohyblivost děr 480 cm2V-1s-1 (300 K). Více viz ve stati o křemíku, kap. 2.9.1.  Germanium – nepřímá oblast zakázaného pásu, šířka zakázaného pásu 0.67 eV, pohyblivost elektronů 3900 cm2V-1s-1, pohyblivost děr 1900 cm2V-1s-1 (300 K). Více viz ve stati o germaniu, kap. 2.9.2.  Uhlík – základním představitelem je diamant se šířkou zakázaného pásu 5.5 eV, pohyblivostí elektronů 1800 cm2V-1s-1 a pohyblivostí děr 1200 cm2V-1s-1 (300 K). Uhlíková nanovlákna vykazují pohyblivost daleko vyšší, až 100,000 cm2V-1s-1. Nejvyšší pohyblivost má grafen s hodnotou 200,000 cm2V-1s-1. Kromě struktur pevné fáze jsou zkoumány i prvky využívající vakuum. Diamant je nejlepším známým emitorem elektronů (elektrostatická emise). Průchod elektronů vakuem nevyvolává teplo (objede se bez srážek s krystalovou mříží) a k tomu je velice rychlý s pohyblivostí až 500.000 cm2V-1s-1. Využití uhlíku je tedy velice široké. Více viz ve stati o uhlíku, kap. 2.10.1.


66 3.9.2

Polovodiče jako sloučeniny typu AIIIBV

Tvorbu sloučenin popisuje Tab. 48. Kromě chemické značky je uveden anglický název, typ oblasti zakázaného pásu, šířka oblasti zakázaného pásu a pohyblivost elektronů při pokojové teplotě (300 K). Tab. 48: Tvorba polovodičů skupiny AIIIBV. III/V

Dusík - N BN Boron Nitride

Bór - B 4.5 – 6.4 eV 2 -1 -1 200 cm V s

Hliník - Al

Gallium - Ga

Fosfor - P BP Boron Phosphide nepřímá oblast 2.1 eV 2 -1 -1 500 cm V s

AlN Aluminium Nitride přímá oblast 6.2 eV 2 -1 -1 300 cm V s

AlP Aluminium Phosph. nepřímá oblast 2.5 eV

GaN Gallium Nitride přímá oblast 3.4 eV 2 -1 -1 440 cm V s InN Indium Nitride

GaP Gallium Phosphide nepřímá oblast 2.26 eV 2 -1 -1 250 cm V s InP Indium Phosphide přímá oblast 1.344 eV 2 -1 -1 5400 cm V s

Indium - In 0.65 eV 2 -1 -1 3200 cm V s

Arsen - As BAs Boron Arsenide

Antimon - Sb BSb Boron Antimonide

1.50 eV (BAs) 3.47 eV (B12As2) AlAs Aluminium Arsenide nepřímá oblast 2.12 eV 2 -1 -1 200 cm V s GaAs Gallium Arsenide přímá oblast 1.424 eV 2 -1 -1 8500 cm V s InAs Indium Arsenide přímá oblast 0.354 eV 2 -1 -1 40000 cm V s

… předmětem zkoumání AlSb Aluminium Antimon. nepřímá oblast 1.58 eV −1 −1 200 cm²V s GaSb Gallium Antimonide přímá oblast 0.726 eV 2 -1 -1 3000 cm V s InSb Indium Antimonide přímá oblast 0.17 eV 2 -1 -1 78000 cm V s

Sloučeniny AIIIBV se vyznačují slabšími interakcemi nosičů náboje s krystalovou mříží. V některých případech se proto dosahuje vyšší pohyblivosti nosičů náboje než u elementárních polovodičů. Toho se využívá při výrobě součástek pro vysokofrekvenční a mikrovlnnou techniku. Sloučeniny typu AIIIBV disponují šířkou zakázaného pásu v rozsahu 0.17 ÷ 6.4 eV. To je výhodné při konstrukci zdrojů a detektorů optického záření. Malá šířka zakázaného pásu je výhodná pro konstrukci optoelektronických prvků v infračervené oblasti spektra, zatímco velká šířka zakázaného pásu je výhodná pro konstrukci prvků v ultrafialové oblasti spektra. Polovodiče s šířkou zakázaného pásu větší než křemík rovněž snášejí větší pracovní teploty než křemík, hodí se na větší výkony, mají vyšší průrazná napětí a nižší šum. Důležitý význam mají sloučeniny, které emitují ve viditelném spektru záření. Jedná se o sloučeniny se šířkou zakázaného pásu W  1.65 eV a vlnovou délkou emitujícího záření   0.75 μm. BN … má podobně strukturovanou mřížku jako uhlík, stejně tak může nabývat více krystalických forem, podobně jako uhlík. Jeho kubická forma c-BN je podobná diamantu. Oproti diamantu má horší tvrdost, ale předčí ho v tepelné a chemické stabilitě. Sloučenina BN bývá součástí vysokoteplotní keramiky, díky své tvrdosti a levnější výrobě dokáže nahradit diamant v brusných aplikacích. Díky své stabilitě je zajímavým materiálem pro nanotechnologie. Při dopováním berylliem se získá polovodič typu P, při dopování křemíkem nebo sírou typu N. Jeho šířka zakázaného pásu odpovídá oblasti UV spektra. Pokud by ho bylo použito pro výrobu diod LED nebo laserů, generoval by záření v rozsahu 215 – 250 nm.


67

AlN … má dobrou tepelnou vodivost, která dosahuje až 285 Wm−1K−1. Z tohoto pohledu je zajímavým materiálem pro mikroelektroniku a dobrý odvod tepla. Dokáže konkurovat Al2O3 nebo BeO. V roce 2006 ho bylo použito při výrobě nepříliš účinné UV LED na vlnové délce 210 nm. Používá se dále v optických paměťových médiích jako dielektrická vrstva. AlN rovněž vykazuje piezoelektrické vlastnosti, bývá součástí filtrů SAW. GaN … základní stavební materiál vysoce svítivých diod LED. Polovodič typu P se získává dopováním hořčíkem, polovodič typu N křemíkem nebo kyslíkem. Ternární sloučeniny InGaN, nebo AlGaN, umožňují poměrem india nebo hliníku vůči GaN řídit šířku zakázaného pásu a nastavovat barvu světla od infračervené po ultrafialovou. Dále bývá součástí vysokofrekvenčních a výkonových polovodičů (velká šíře zakázaného pásu – dobrá odolnost teplotám). Zvládá vysoké pracovní napětí, hodí se proto pro výkonové mikrovlnné tranzistory. Vykazuje odolnost vůči ionizujícímu záření, je proto zajímavým materiálem pro vojenské a kosmické aplikace (solární panely). InN … nabízí velké možnosti v oblasti solárních panelů a mikrovlnných polovodičů (vysoká pohyblivost nosičů náboje). V optoelektronice jsou nadějné právě ternární sloučeniny s galiem InGaN. Šířka zakázaného pásu čistého InN by měla zvládnout záření až 1900 nm, nicméně komerčnímu využití zatím brání technologické obtíže. BP … polovodičový materiál s usměrňujícími účinky do 400 °C. AlP … používá se jako polovodičový materiál, nebo také jako pesticid. Bývá přítomen v kvaternární sloučenině AlGaInP při výrobě diod LED. GaP … dopováním síry nebo telluru se získá polovodič typu N, dopováním zinku polovodič typu P. Od roku 1960 se používá k výrobě levných diod LED se střední svítivostí (barva světla červená, oranžová a zelená). Tyto diody potřebují vyšší proud, mají kratší životnost závislou na teplotě. Používá se buď čisté GaP nebo GaAsP. GaP je transparentní pro žluté a červené světlo. Platí proto, že systém GaAsP na substrátu GaP je účinnější než GaAsP na GaAs. InP … vyniká vysokou pohyblivostí nosičů náboje, používá se proto pro výkonové vysokofrekvenční aplikace. Díky přímé oblasti zakázaného pásu je vhodný pro optoelektroniku. Používá se také jako substrát pro epitaxní růst InGaAs. BAs … vyznačuje se velice vysokou tepelnou vodivostí, podobně jako uhlík (diamant), která je vyšší než 2005 Wm-1K-1. Je to vhodný materiál pro výrobu solárních článků a polovodičů odolávajících ionizujícímu záření. Co se týká struktury B12As2, zajímavé jsou beta buňky, které generují elektrickou energii absorbováním ionizujícího beta záření. AlAs … má podobnou mřížku jako GaAs nebo AlGaAs. Na základě shodných mřížkových konstant s uvedenými materiály je možné jejich vrstvy kombinovat při libovolných tloušťkách. Nedochází k pnutí a nestabilitám. Toho se využívá při konstrukci tranzistorů HEMT (High Electron Mobility Transitor) a dalších součástí s kvantovou jámou (laserové diody). GaAs … oproti křemíku vyniká vyšší pohyblivostí elektronů. Umožňuje konstrukci tranzistorů s mezní frekvencí až 250 GHz. Díky větší šířce zakázaného pásu snáší vyšší teploty. GaAs součástky mají rovněž nižší šum. To je dáno vyšší pohyblivostí nosičů náboje a menšími parazitními odpory ve strukturách. GaAs je základním materiálem gunnových diod. GaAs je díky přímé oblasti zakázaného pásu rovněž nenahraditelný v optoelektronice. Kromě zdrojů záření se rovněž používá na detektory záření a solární články s vysokou účinností. Díky široké oblasti zakázaného pásu je čistý GaAs výborným izolantem. Navíc má vysokou dielektrickou konstantu. To z něj činí jedinečný materiál pro substráty součástek, především

68


pro mikrovlnné integrované obvody. Na rozdíl od křemíku umožňuje přirozenou izolaci mezi jednotlivými komponenty. Díky toho je možné na jednom plátku GaAs integrovat jak aktivní, tak i pasivní součástky. GaAs bylo rovněž použito pro výrobu mikroprocesorů. Ty byly několikrát rychlejší než křemíkové a mnohem odolnější proti ionizujícímu záření. GaAs má oproti křemíku rovněž nevýhody. Jedná se o vzácný materiál, jehož cena je poměrně vysoká. Dále, nevytváří přirozený oxid, což znamená obtíže při stabilním uzavření povrchu. Hlavní nevýhodou GaAs je mnohem nižší pohyblivost děr, než u křemíku. To je problém při výrobě tranzistorů s kanálem typu P a odtud při realizaci struktur CMOS (komplementární stupeň využívající jak tranzistory s vodivostí N, tak s vodivostí P). To se dá sice obejít pomocí jiných struktur, ale za cenu větší spotřeby elektrické energie a rozptýleného tepla (špatná integrace). Oproti křemíku obsahuje struktura GaAs také mnohem více nečistot, nelze proto vytvářet struktury pod 500 nm. InAs … používá se ke konstrukci infračervených detektorů pro pásmo 1 – 3.8 µm, dále ke konstrukci polovodičových laserů. Vytváří ternární sloučeninu InGaAs – materiál, jehož šířku zakázaného pásu lze nastavovat poměrem In/Ga. Díky vysoké pohyblivosti elektronů se používá jako zdroj záření v oblasti THz (Photo-Dember Emitter). Dále se používá ke tvorbě kvantových bodů (quantum dots) ve formě jediné vrstvy InAs na InP nebo GaAs. Jedná se o technologii bílých LED používanou k tvorbě bílého světla. AlSb … pohyblivost elektronů je 200 cm²V−1s−1, pohyblivost děr 400 cm²V−1s−1 při pokojové teplotě 300 K. Bývá součástí ternárních slitin AlInSb, AlGaSb and AlAsSb. Polovodič typu N se získává dopováním zinkem nebo kadmiem, polovodič typu P dopováním cínem, olovem, selenem nebo tellurem. Používá se v optoelektronice. GaSb … používá se při konstrukci infračervených detektorů, infračervených zdrojů záření (LED, lasery), nízkošumových vysokofrekvenčních diod a tranzistorů. InSb … má největší pohyblivost elektronů ze sloučenin typu AIIIBV. Patří mezi nejsilnější zářiče v oblasti THz (Photo-Dember Emitter). Díky malé šířce zakázaného pásu nalézá uplatnění v infračervené oblasti spektra v rozmezí vlnových délek 1 – 5 µm (detektory, obrazové snímače, FLIR - automatické navádění střel, astronomie). Při dopadu infračerveného záření dokáže generovat elektrický proud téměř se 100 % kvantovou účinností. InSb je rovněž součástí heterostruktur InSb/AlInSb – polovodičů s kvantovou jámou. Tyto struktury jsou základem moderních laserových diod a mikrovlnných tranzistorů (bipolární tranzistor fT = 85 GHz, FET fT = 200 GHz). Časem se očekávají mezní kmitočty až v oblasti THz. Jejich pracovní napětí je však nízké, pohybuje se do 0.5 V. InSb je rovněž nenahraditelným materiálem při výrobě magnetorezistorů a hallových sond. 3.9.3

Polovodiče jako sloučeniny typu AIIBVI

Tato skupina polovodičů bývá někdy označována jako chalkogenidy. Tvorbu sloučenin popisuje Tab. 49. Kromě chemické značky je uveden anglický název, typ oblasti zakázaného pásu, šířka oblasti zakázaného pásu a pohyblivost elektronů. To vše při pokojové teplotě 300 K, pokud není uvedeno jinak. Sloučeniny vykazují vyšší podíl iontové vazby na úkor kovalentní vazby s částečným podílem kovové vazby. Tvoří vzájemně neomezené tuhé roztoky. ZnO … oxid zinečnatý je polovodičem typu N, aniž by obsahoval jakékoli cizí příměsi. Vodivost typu N lze dále zvyšovat buď nahrazováním atomů zinku pomocí hliníku, galia nebo india, anebo nahrazováním atomu kyslíku pomocí chlóru nebo jódu. Polovodič typu P se získává jen obtížně. Může za to nízká rozpustnost příměsových částic typu P a převaha základních atomů typu N. Podobný problém lze pozorovat u sloučenin ZnSe a GaN. Mezi


69

příměsové částice typu P patří lithium, sodík, draslík, dusík, fosfor, arsen, měď a stříbro. Pohyblivost elektronů je silně závislá na teplotě a dosahuje hodnoty 2000 cm2V-1s-1 při 80 K. Děrová vodivost je velice nízká a pohybuje se v rozsahu 5 až 30 cm2V-1s-1. Šířku zakázaného pásu lze upravovat příměsemi MgO nebo CdO v rozmezí 3 až 4 eV. ZnO je všestranný materiál. Používá se při výrobě plastů a pryží (zpomalovač hoření ohně), skla a keramiky (využívá se vysoká tepelná kapacita a tepelná vodivost, nízká teplotní roztažnost a vysoká teplota tání), maziv, barev, baterií, feritů. Kromě toho je polovodičovým materiálem s mnoha výhodnými vlastnostmi. Jeho oblast zakázaného pásu je široká a srovnatelná s GaN (3.4 eV). Nabízí se využití při výrobě LED diod a laserů. Oproti GaN však vyzařuje jasněji. ZnO je transparentní pro viditelné záření. Bývá součástí povlaků skel zabraňujících úniku infračerveného záření. Pomocí vrstev ZnO dopovaných hliníkem se realizují horní elektrody LCD displejů a solárních článků. Nahrazují tak dražší a více toxickou sloučeninu ITO (indium tin oxide) ve složení typicky 90% In2O3 a 10% SnO2. ZnO je dále součástí tranzistorů TTFT (Transparent Thin-Film Transistor). Jedná se o tranzistory řízené elektrickým polem, které pro svoji funkci nepotřebují PN přechod a tudíž ani problematickou P vrstvu. ZnO je rovněž odolné ionizujícímu záření, což ho předurčuje pro kosmické aplikace. ZnO má velice dobré piezoelektrické vlastnosti, srovnatelné s GaN nebo AlN. Uvažuje se s využitím ZnO nanovláken ve speciálních oděvech, které by při pohybu osob generovaly elektrickou energii. ZnO nanovlákna ve spojení paládiem byla rovněž použita k výrobě odporového plynového senzoru. Senzor rozpoznává přítomnost vodíku s citlivostí 10 ppm, zatímco na kyslík nereaguje vůbec. Vysoké citlivosti je dosaženo katalytickým působením paládia, které rozkládá molekuly vodíku na elementární vodíkové atomy. Tab. 49: Tvorba polovodičů skupiny AIIBVI. II/VI

Zinek - Zn

Kyslík - O ZnO Zinc Oxide přímá oblast 3.37 eV 2 -1 -1 2000 cm V s (80 K) CdO Cadmium Oxide

Kadmium - Cd 2.16 eV 2 -1 -1 531 cm V s HgO Mercury Oxide Rtuť - Hg 2.2 eV

Síra - S

Selen - Se

Tellur - Te

ZnS Zinc Sulfide

ZnSe Zinc Selenide

ZnTe Zinc Telluride

3.54 – 3.91 eV

2.70 eV

2.23 – 2.25 eV

CdS Cadmium Sulfide přímá oblast 2.42 eV

CdSe Cadmium Selenide

HgS Mercury Sulfide přímá oblast 2.1 eV

1.74 eV

HgSe Mercury Selenide

CdTe Cadmium Telluride přímá oblast 1.44 eV 2 -1 -1 1100 cm V s HgTe Mercury Telluride 0 eV

CdO … oxid kademnatý je polovodičem typu N, aniž by obsahoval jakékoli cizí příměsi. Je transparentní pro záření ve viditelné oblasti spektra. První průhledný vodič byl připraven již v roce 1907. Ve formách tenkých vrstev se dosud používal při výrobě fotodiod, fototranzistorů, solárních panelů, LCD displejů, IR detektorů a antireflexních povlaků. Používá se rovněž ke galvanickému pokovování, je součástí elektrod baterií, keramických glazur a fosforů. HgO … oxid rtuťnatý tvoří katodu rtuťových baterií. Vzhledem ke svojí toxicitě není perspektivním materiálem.

70


ZnS … sulfid zinečnatý tvoří hlavní složku luminoforů vakuových obrazovek. Barvu určuje přítomnost vhodného aktivátoru v množství několika ppm. Pokud je použito stříbra, luminofor září jasně modře na vlnové délce cca 450 nm. Použitím manganu září červenooranžově na vlnové délce cca 590 nm. Použitím mědi se dosahuje barvy zelené a dlouhého dosvitu. Kombinace ZnS a Cu bývá také součástí elektroluminiscenčních panelů. Tím jeho zajímavé optické vlastnosti nekončí. ZnS je možno použít k přenosu světla od viditelných vlnových délek až do hluboké infračervené oblasti kolem 12 µm. Dají se z něho vyrobit plochá skla i čočky. Podle dopování může být ZnS jak polovodičem typu N, tak typu P. Šířka zakázaného pásu závisí na struktuře krystalové mřížky (kubická ~ 3.54 eV, hexagonální ~ 3.91 eV). CdS … jedná se o základní materiál fotorezistorů. Jeho vodivost roste s intenzitou dopadajícího záření. Maximum citlivosti leží ve viditelné a blízké infračervené oblasti spektra. Ve spojení s polovodičem typu P zformoval první solární článek CdS/Cu2S dobré účinnosti (1954). CdS je také luminofor (dopování mědí a hliníkem). Podobně jako ZnS, vyskytuje se ve dvou krystalických formách: kubické a hexagonální. Obě dvě formy jsou piezoelektrické (převodníky až do oblasti GHz), přitom hexagonální struktura je stabilnější a k tomu pyroelektrická (generování napětí s přítomností tepla nebo chladu). CdS byl prvním materiálem při tvorbě TFT (Thin-Film Transistor). HgS … využívá se především jako barvivo. V elektrotechnice nemá většího využití. ZnSe … pro získání polovodiče typu N se dopuje halogenidy, pro získání polovodiče typu P se dopuje galiem. Získání vodivosti typu P je ovšem obtížnější. Používá se při konstrukci diod LED a polovodičových laserů. Vyzařuje modré světlo. Zajímavá je konstrukce bílé LED, která integruje žlutou LED na ZnSe substrátu. Protékající proud generuje z aktivní oblasti LED žluté světlo, zatímco ze substrátu světlo modré. Složením modrého a žlutého světla se získává světlo bílé. Na rozdíl od bílých LED s fosforem se dosahuje lepší účinnosti a nižší ceny, neboť odpadají problémy se zapouzdřením a aplikací fosforů. ZnSe je rovněž pozoruhodným materiálem, který dokáže přenášet vlnové délky od 0.45 µm to 21.5 µm. Jedná se tedy o důležitý materiál při zpracování infračerveného záření. V podobě žlutého okénka ho lze spatřit ve vstupní optice bezkontaktního lékařského teploměru. ZnSe dopovaný tellurem tvoří scintilátor s maximem záření na 640 nm. Používá se pro převod rentgenového a gama záření na záření větších vlnových délek. Umožňuje tak jednodušší vyhodnocování. K jeho výstupu pak už stačí navázat jen vhodnou fotodiodu. CdSe … selenid kademnatý je polovodičem typu N, aniž by obsahoval jakékoli cizí příměsi. CdSe je zajímavým materiálem především v oboru nanotechnologií. Zrna s velikostí pod 100 nm vykazují speciální vlastnosti označované jako kvantové omezení. To je zapříčiněno tím, že elektrony daného zrna mají k dispozici pouze malý prostor. Kvantové omezení je závislé na velikosti, tzn., že změnu vlastností lze docílit změnou velikosti zrn. Jedním typem zrn je kvantový bod (quantum dot). Velký kvantový bod vyžaduje k přechodu z nižšího energetického stavu do vyššího stavu méně energie než malý kvantový bod. Odtud tedy zrna s větším průměrem absorbují na větších vlnových délkách. CdSe zrna se již uplatňují v řadě aplikací, jako jsou solární články a diody LED (skládání světla u bílých LED diod). Počítá se s nimi rovněž v medicíně při vyšetřování poškozených tkání. CdSe je transparentní pro infračervené záření, bývá proto součástí zařízení, která s tímto zářením pracují. Jedná se dále o vysoce zářivý luminofor. Své omezené použití našel také ve fotorezistorech. HgSe … v elektrotechnice našel uplatnění především jako ohmický kontakt polovodičů ZnSe a ZnO.


71

ZnTe … tellurid zinečnatý je polovodičem typu P, aniž by obsahoval jakékoli cizí příměsi. Jeho mřížková konstanta je blízká materiálům jako AlSb, GaSb, InAs a PbSe, což umožňuje společný nebo kombinovaný epitaxní růst. ZnTe se dá snadno dopovat příměsemi, proto je v optoelektronice hojně rozšířen (modré LED, lasery, solární články). Dále je součástí mikrovlnných generátorů, PIN diod nebo CdZnTe struktur. Jedná se o ternární sloučeniny, kde se poměrem CdTe/ZnTe nastavuje šířka zakázaného pásu a tím i citlivost na dané spektrum záření. ZnTe společně s LiNbO3 se využívá v nelineární optice. Pokud je takový krystal ozářen vysoce intenzivním světelným paprskem v délce trvání zlomku ps, uvolňuje záření v jednotkách THz. Opačně, pokud na stejný krystal dopadá záření ve spektru THz, vykazuje dvojlom (birefringence) a mění polarizaci procházejícího světla. Pokud je ZnTe dopován vanadem, vzniká materiál, jehož úhel odrazu je závislý na intenzitě dopadajícího světla. Využívá se pro optické omezovače v pásmu 600 – 1300 nm. Vlastnosti se ještě dají vylepšit manganem. CdTe … tellurid kademnatý se používá v zařízeních pracujících s infračerveným zářením a při výrobě solárních článků. Jejich PN přechod formuje sendvičová struktura CdTe a CdS. Častěji se ale používá struktura PIN. CdTe se slévá s HgTe za účelem tvorby materiálu pro detekci infračerveného záření. CdTe je polovodič s šířkou zakázaného pásu 1.44 eV, zatímco HgTe je polokov s šířkou zakázaného pásu ~ 0 eV. Maximum spektrální citlivosti se nastavuje poměrem CdTe/HgTe. Tohoto materiálu se používá při výrobě MCT (MercuryCadmium-Telluride) fotorezistorů. Často se skládá do matic pro snímání infračerveného obrazu. Sléváním CdTe se zinkem se připravují špičkové detektory rentgenového a gama záření. CdTe dopováno chlorem se používá pro detekci RTG, gama, beta i alfa záření. CdTe se rovněž používá na elektrooptické modulátory. Má největší lineární elektrooptický koeficient 6.8 × 10−12 mV-1. Jeho pohyblivost elektronů je velká a dosahuje až 1100 cm2V-1s-1, zatímco pohyblivost děr je malá a pohybuje se kolem 100 cm2V-1s-1. Struktury CdTe se proto navrhují tak, aby převažovala elektronová vodivost. CdTe je opět zajímavým materiálem pro nanotechnologie. Využívá se jeho fluorescence. Ve velkém objemu uvolňuje záření na 790 nm, při redukování velikosti zrn přechází přes viditelné záření až k záření ultrafialovému. HgTe … tellurid rtuťnatý je polokovem. Polokovy se vyznačují malým přesahem vodivostního a valenčního pásu. Podle pásové teorie mohou být klasifikovány jako izolanty, polovodiče, polokovy a vodiče. HgTe je bez příměsí polovodičem typu P. Další zvyšování děrové vodivosti může být dosaženo dopováním zinku, mědi, stříbra nebo zlata. Vodivost typu N může být dosažena pomocí bóru, hliníku, galia nebo india. Nejčastěji bývá sléván s CdTe. HgTe dokáže pracovat ve funkci topologického izolátoru. Zatímco objem vzorku HgTe elektrický proud nevede, hrany vzorku ano. Na rozdíl od kvantového Hallova efektu zde není potřeba magnetického pole. 3.9.4 Polovodiče jako sloučeniny typu AIBVII Do této skupiny patří např. sloučeniny CuCl, CuBr, CuI, AgI a NaI. Vyznačují se velkou šířkou zakázaného pásu (CuBr ~ 2.94 eV, AgI ~ 2.8 eV). Nabízejí zajímavé fotoelektrické a termoelektrické vlastnosti. Používají se pro výrobu scintilačních detektorů ionizujícího záření. 3.9.5 Polovodiče jako sloučeniny typu AIVBVI Mezi nejznámější sloučeniny patří: GeTe … sloučenina, která je za nízkých teplot supravodivá. Vykazuje vlastnosti polokovu, podobně jako HgTe. Pokud se chová jako polovodič, jeho šířka zakázaného pásu je

72


0.6 eV. Má feroelektrické vlastnosti až do teploty 670 K. Sloučenina GeTe patří do skupiny chalkogenních skel. SnTe … sloučenina, která je za nízkých teplot supravodivá. Opět vykazuje vlastnosti polokovu. Sloučenina SnTe je polovodičem typu P, aniž by obsahovala jakékoli cizí příměsi. Ve spojení s olovem jako PbSnTe se používá k detekci infračerveného záření. Má rovněž dobré termoelektrické vlastnosti. Pohyblivost elektronů dosahuje hodnoty 500 cm2 V−1 s−1. PbTe … jedná se o polovodič s úzkou oblastí zakázaného pásu, která dosahuje hodnoty 0.32 eV při 300 K. Elektronová vodivost dosahuje hodnoty 6000 cm2V-1s-1, zatímco děrová vodivost 4000 cm2V-1s-1. Ve spojení s SnTe se používá k detekci infračerveného záření. PbTe má dobré termoelektrické vlastnosti (např. malou tepelnou vodivost). PbS … sulfid olova je nejrozšířenějším a nejstarším materiálem používaným k detekci infračerveného záření. Bývá součástí fotorezistorů. Jeho spektrální citlivost dosahuje maxima v rozmezí 1 až 2.5 µm při pokojové teplotě. Při chlazení kapalným dusíkem se spektrální citlivost posouvá mezi 2 až 4 µm. PbSe … jedná se o polovodič s přímou oblastí zakázaného pásu a velikostí 0.27 eV. Nejčastěji se používá k detekci infračerveného záření v rozsahu vlnových délek 1.5 až 5.2 µm. Maximum citlivosti závisí na teplotě a pohybuje se v rozsahu 3.7 – 4.7 µm. Nevyžaduje chlazení. Má velice rychlou odezvu, což je u fotorezistorů nevídané. Dále se používá při tvorbě kvantových bodů (solární články). Je zajímavý i z hlediska termoelektrických vlastností. Dají se očekávat stejné, ne-li lepší, vlastnosti jako u PbTe. 3.9.6

Polovodiče jako sloučeniny typu A3IIB2V Mezi nejznámější sloučeniny patří:

Cd3As2 … disponuje největší pohyblivosti elektronů ze všech polovodičových sloučenin, která dosahuje hodnoty až 100,000 cm2V-1s-1. Sloučenina Cd3As2 je polovodičem typu N, aniž by obsahovala jakékoli cizí příměsi. Její šířka zakázaného pásu je malá. Používá se k výrobě detektorů infračerveného záření, tenzometrů a magnetorezistorů (podobně jako InSb). Bývá rovněž příměsí HgCdTe. Zn3As2 … používá se v optoelektronice při zpracování dlouhovlnného infračerveného záření (2 až 12 µm). Cd3P2 … polovodič, který se používá ve výkonových a vysokofrekvenčních aplikacích včetně laserových diod. 3.9.7

Polovodiče jako sloučeniny typu A2VB3VI a A2IIIB3VI

Mezi základní představitele patří Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3, In2Te3. Uvedené sloučeniny vykazují dobré termoelektrické vlastnosti. Mají zpravidla dobrou elektrickou vodivost a malou tepelnou vodivost. Toho se využívá při přímé přeměně elektrické energie na tepelnou nebo naopak. Více lze nalézt ve statích o bismutu (viz kap. 2.4.9) nebo telluru (viz kap. 2.9.4). 3.9.8

Polovodiče jako sloučeniny typu AIVBIV

Mezi základní představitele patří SiGe (viz stať o germaniu, 2.9.2) a SiC (viz stať o uhlíku, 2.10.1).


73

4 Plasty v elektrotechnice a elektronice 4.1 Termoplasty Jsou tepelně tvárné. Působením tepla měknou a působením chladu opět tuhnou. Nedochází k nevratným změnám. 4.1.1 Polyetylen (PE) Jedná se o jeden z nejjednodušších termoplastů. Poprvé byl připraven už v roce 1884, jeho průmyslová výroba však začala až mnohem později. Mohla za to těžce zvládnutelná polymerace zcela nepolárních molekul etylénu. Tu se nakonec podařilo uskutečnit společnosti Imperial Chemical Industries (UK) za pomocí vysokých tlaků v roce 1933. Výchozí surovinou pro výrobu polyetylénu je plynný, dokonale čistý etylén. Ten se získává mnoha způsoby, např. z plynů při krakovacích procesech během destilace ropy nebo z koksových plynů.

a)

b)

Obr. 20: a) Chemický vzorec lineárního PE, b) rozvětveného PE. Vysokotlaká polymerace spočívá v reakci etylénu při teplotě kolem 200 °C a tlaku 150 až 200 MPa. Iniciátorem polymerace bývá nejčastěji kyslík, který se přivádí v nepatrných množstvích (asi 0.06 % objemu etylénu). Protože se během polymerace zužitkuje jen 10 až 15 % etylénu, zbývající plyn se odlučuje, čistí a vrací zpět k nové polymeraci. Středotlaká polymerace probíhá při teplotách 150 až 180 °C a tlaku kolem 3 až 3.5 MPa. Etylén při této metodě polymeruje za katalytického účinku oxidu chromu (fa Philips). Jiný způsob pracuje při teplotách kolem 250 °C a tlaku 7 MPa za katalytického účinku oxidů molybdenu a hliníku (fa Standard Oil). Nízkotlaká polymerace používá tzv. Zieglerův způsob polymerace při teplotě 60 až 75 °C a tlaku blížícímu se atmosférickému tlaku za katalytického působení alkyl-kovových sloučenin v kombinaci se solemi kovů. Nízkotlaké a středotlaké polyetylény mají lineární strukturu, zatímco vysokotlaký polyetylén má rozvětvené řetězce, Obr. 20. Pravidelnost lineární makromolekuly vede u nízko a středotlakého polyetylénu ke vzniku krystalické struktury, zato vysokotlaký typ s rozvětvenými řetězci má převážně amorfní charakter. Se strukturou rovněž souvisí hustota polyetylénu. Polyetylén má dobrou mrazuvzdornost, odolává teplotám do -50 °C. Další podrobnosti uvádí Tab. 50. Součásti z nízkotlakého PE si vystačí s tenčími stěnami než součásti z vysokotlakého PE při zachování stejné pevnosti. Podobně se liší propustnost pro vodní páru a plyny, která je u nízkotlakého PE nižší.


74

Díky velké symetrii a nepolárnímu charakteru polymerního řetězce vykazuje polyetylén vynikající dielektrické a izolační vlastnosti. Dielektrické vlastnosti, především pak ztrátový činitel, mohou být však výrazně zhoršeny přítomností polárních látek (přísady, procesy stárnutí). Na rozdíl od nízkotlakého PE neobsahuje vysokotlaký PE ani stopové zbytky katalyzátorů, takže má lepší elektrické vlastnosti a hodí se pro vysokofrekvenční elektroniku. Velkou výhodou polyetylénu je jeho malá navlhavost (tvarová stálost v kolísajících klimatických podmínkách, nezávislost elektrických parametrů na relativní vlhkosti). Tab. 50: Porovnání vlastností nízkotlakého a vysokotlakého polyetylénu Materiál Nízkotlaký PE (HDPE) Vysokotlaký PE (LDPE)

Podíl krystalické fáze [%]

Hustota [kg.m-3]

Teplota tání [°C]

Hranice tvarové deformace [°C]

Pevnost v tahu [MPa]

80 - 90

945 - 955

120 - 130

105

25 - 45

55 - 70

919 - 937

110 - 115

85

9.8 - 13

. Polyetylén odolává alkáliím i kyselinám s výjimkou kyseliny sírové H2SO4 a dusičné HNO3. Je však napadán halogeny. Polyetylén ale trpí tzv. korozí při napětí. Některé látky jako např. alkoholy mohou vyvolávat tvorbu otevřených trhlin u těch součástí, které jsou mechanicky namáhány. Nestabilizovaný polyetylén je také málo odolný vůči slunečnímu záření. To se dá naštěstí odstranit vhodnými stabilizátory. Z fyziologického hlediska je polyetylén zdravotně nezávadný bez chuti a zápachu. Polyetylén se nejčastěji zpracovává vstřikováním a vytlačováním (strojírenství, elektrotechnika). Vyrábí se z něho např. lepicí pásky, ohebné plošné spoje, kostry cívek apod. Polyetylény je možné rovněž odlehčovat, čehož se využívá při výrobě kabelových plášťů (zlepšují se dielektrické vlastnosti). Při zpracování PE je nutné vždy počítat se značným objemovým smrštěním (až 16 %), ke kterému dochází během chladnutí. Spojování PE dílů lepením je velice obtížné a realizuje se nejlépe až po předchozí chemické aktivaci povrchu. Výhodněji se spojuje polyetylén svařováním. 4.1.2

Polypropylen (PP)

Byl objeven italským profesorem Nattou teprve v roce 1954 a patří tak k nejmladším plastům. Příprava polypropylénu se částečně podobá nízkotlaké přípravě polyetylénu, nicméně přesný výrobní postup a složení polymeračních iniciátorů jsou odlišné. Základní surovinou je nenasycený uhlovodík propylen. Bývá obsažen v rafinačních plynech při zpracování ropy a v zemním plynu. Před použitím se musí surový propylen čistit minimálně na hodnotu 99.5 %. Vlastní polymerace probíhá při mírně zvýšené teplotě (50 až 100 °C), nízkém tlaku a za katalytického působení stereospecifických iniciátorů (např. chlorid titanitý jako katalyzátor, trietylaluminium jako aktivátor). V závislosti na podmínkách polymerace je možné získat tři modifikace polypropylenu. Ty se liší v prostorovém uspořádáním metylových skupin na hlavním řetězci, Obr. 21. U izotaktické modifikace PP se metylové skupiny vyskytují jen na jedné straně řetězce. U syndiotaktické modifikace PP se metylové skupiny pravidelně střídají na obou stranách řetězce. Ataktická modifikace PP má metylové skupiny zcela neuspořádané. Z hlediska praktického použití vyhovuje pouze typ s izotaktickou strukturou. Pokud je polymerace


75

vhodně nastavena, získává se materiál s 90 % podílem izotaktické struktury, zbývající část s ataktickým uspořádáním slouží jako změkčovadlo.

a)

b)

c)

Obr. 21: Modifikace polypropylenu, a) izotaktická, b) syndiotaktické, c) ataktická. PP má hustotu pouze 900 kg.m-3 a je tak jednou z nejlehčích vysokomolekulárních sloučenin. Procentuální podíl krystalové struktury je u PP menší než u PE. PP se zase může pochlubit vyšším bodem tání, který se pohybuje v rozmezí 164 až 170 °C. Součásti z PP mohou být vystaveny teplotám až 140 °C. Polypropylén ovšem nesnáší nízké teploty, při –10 °C je již velice křehký. Co se týká mechanických vlastností, PP předčí PE. Má vyšší pevnost v tlaku a také vyšší tvrdost. Je však méně ohebný. Polypropylen má výborné elektroizolační a dielektrické vlastnosti srovnatelné s PE. Za to vděčí symetrii a nepolárnímu charakteru polymerních řetězců, podobně jako PE. PP rovněž vyniká z hlediska chemické odolnosti. Je nerozpustný v organických rozpouštědlech, odolává koncentrované kyselině sírové i solné až do teploty 100 °C. Lepší chemickou odolnost než PE rovněž vykazují mechanicky namáhané součásti. Oproti PE je však méně odolný proti slunečnímu záření (nestabilizovaný PP křehne již po několika týdnech). S tohoto důvodu se musí stabilizovat, např. sazemi. Z fyziologického hlediska je polypropylen v základním provedení zdravotně nezávadný bez chuti a zápachu. Polypropylen se nejčastěji tvaruje vstřikováním. Vstřikování u tohoto plastu probíhá snadněji než u houževnatého polystyrenu nebo lineárního polyetylenu. Součásti z PP mají větší rozměrovou stálost a lesklý povrch. Vstřikování se rovněž používá u pěněného PP. Lehčené výstřiky se uplatňují především ve spotřební elektronice (skříně televizorů, pouzdra telefonních přístrojů apod.). Pomocí vyfukování se vyrábí láhve, kanystry a sudy. PP se také nanáší fluidním nebo žárovým způsobem na kovové materiály za účelem ochrany proti korozi. Velmi kvalitní technická vlákna se získávají z PP vytlačováním taveniny tryskou do chladící vodní lázně. Slouží k výrobě lan a provazů, která se vyznačují nízkou hmotností (plavou na vodní hladině). Polypropylen se také užívá jako alternativa k polyvinylchloridu (PVC) pro izolaci elektrických kabelů v málo větraných prostředích, především v tunelech. Hoření PP doprovází jen omezené množství kouře a co je důležitější, při hoření PP nevznikají toxické uhlovodíky. PP se lepí s podobnými obtížemi jako PE. Výhodnější je PP součásti spojovat svařováním (PP drát a horkovzdušná pistole). Velice zajímavá je povrchová úprava PP pokovením. Tomu předchází chemická aktivace povrchu a nanesení tenké vrstvy paládia následované vrstvou niklu. Pak je již možné běžně galvanicky pokovovat.


76 4.1.3

Polystyren (PS)

První polymerace polystyrenu byla provedena již v roce 1839, nicméně v průmyslové výrobě se objevila až těsně před II. světovou válkou. V současnosti patří polystyreny mezi nejpoužívanější plasty. Jejich velkému rozšíření napomohla i nízká cena. Výchozí surovinou je styren, který se nejčastěji získává katalytickou alkylací benzenu etylénem za přítomností chloridu hlinitého. Vzniklý etylbenzen se dále dehydrogenuje na styrén za přítomnosti katalyzátoru složeného ze směsi oxidů ZnO, Al2O3, CaO, MgO při teplotě 600 °C. Surový styren se suší, čistí frakční destilací a stabilizuje pomocí hydrochinonu. V praxi se používá několik druhů polymerací. Bloková polymerace je nejvhodnější pro kontinuální technologii, roztoková polymerace slouží k přípravě snadněji rozpustného polymeru, emulzní polymerace je výhodná energeticky, suspenzní polymerace, jedna z posledních metod, poskytuje velmi kvalitní polymery. Dále se vyrábějí houževnaté polystyreny. Ty odstraňují známý nedostatek standardních polystyrénů – malou houževnatost a křehkost. Vyrábějí se mísením s butadien-styrenovým kaučukem nebo přímo s polybutadienem. Označují se jako kopolymery styrenu s butadienem S/B. K základním typům ještě patří pěnové polystyreny. Polystyren má hustotu 1050 kg.m-3. Je dosti tvrdý, ale křehký. Má vysoký index lomu, ve viditelné oblasti spektra propouští až 90 % záření. Tepelná tvarová stálost se liší podle typu a pohybuje se od 79 do 95 °C. Polystyren je dobře tvárný při 140 °C. Odolává vodě, alkoholům, kyselinám, hydroxidům a minerálním olejům. Aromatické a chlorované uhlovodíky ho však rozpouští. Má sklon ke korozi při napětí (povrchová koroze u mechanicky namáhaných součástek při působení některých chemických látek). Z fyziologického hlediska je standardní i houževnatý polystyren v základním provedení zdravotně nezávadný bez chuti a zápachu. Odolává bakteriím i plísním. Dobrou vlastností polystyrenu je jeho téměř nulová nasákavost, čehož se využívá v elektrotechnice a elektronice. Polystyren vykazuje mimořádně dobré dielektrické vlastnosti. Je základem kvalitních kondenzátorů pro VF techniku, používá se jako izolace v koaxiálních kabelech. Tepelná odolnost pěnového polystyrenu je rovněž dobrá, dlouhodobě dosahuje 80 °C. Nízké teploty snáší bez omezení. Nasákavost je minimální (absorpce jen na povrchu, příp. vzlínání mezi perličkami). S rostoucí hustotou stoupá i pevnost v tahu a ohybu. Všechny druhy PS lze lepit bez problémů. Nejčastěji se PS zpracovává vstřikováním (šnekové lisy) a vytlačováním (výroba fólií a desek). V omezeném rozsahu se tvaruje i vyfukováním. Na základě polystyrenu vznikla celá řada dalších plastů. Kromě již zmíněného kopolymeru S/B (houževnatý polystyren) to jsou kopolymery SAN, S/MMA, S/MS a S/PVK. Dále to jsou terpolymery (ternární kopolymery) ABS, MBS, A/S/A a S/M/A. 4.1.4

Vinylové polymery (PVC, PVAC, PVA)

Nejdůležitější místo mezi vinylovými polymery zaujímá polyvinylchlorid (PVC). S datem objevu v roce 1832 patří mezi nejstarší plasty. V průmyslové praxi se rozšířil až kolem roku 1930. Za druhé světové války nastal velký rozmach výroby PVC v různých modifikacích, zvláště měkčeného typu na izolaci elektrických vodičů. V současnosti patří PVC k rozšířeným a levným plastům.


77

Základní monomer vinylchlorid se vyrábí několika postupy:  Syntézou vycházející z acetylénu a chlorovodíku.  Kombinovaným způsobem ze směsi etylénu a acetylénu s chlorem.  Oxychloračními metodami z etylénu, chloru a kyslíku. K výrobě PVC se pak používají tyto postupy:  Emulzní polymerace při tlaku 0.5 až 0.8 MPa a teplotě 40 až 60 °C. V průběhu 15 až 30 hodin vznikne 40 až 50 % latex, dovolující izolaci polymeru tzv. nubilózním sušením.  Suspenzní polymerace při tlaku 0.5 až 1.2 MPa a teplotě 40 až 70 °C. Celý proces je hotový za 12 až 24 hod., přičemž získaný produkt obsahuje ve srovnání s emulzním PVC podstatně méně pomocných látek.  Aniontová polymerace vytváří produkty vhodné ke spřádání vláken. Zároveň dovoluje použít i velké množství změkčovadel, čímž vzniknou značně kaučukovité látky s poměrně velkou pevností v tahu. Polyvinylchlorid je termoplast amorfní povahy. Může za to nepravidelné prostorové uspořádání atomů chloru na hlavním uhlíkovém řetězci, Obr. 22.

Obr. 22: Chemický vzorec polyvinylchloridu. Čistý polyvinylchlorid je bílá práškovitá látka hustoty 1380 kg.m-3. Komerční produkty jsou charakterizovány tzv. hodnotou K v rozmezí 55 až 85. Tento údaj má přímý vztah k molekulové hmotnosti a do určité míry také charakterizuje polymerační stupeň. Se stoupajícím polymeračním stupněm se zlepšují mechanické vlastnosti polymeru a jeho tepelná odolnost. Zhoršuje se však zpracovatelnost. Neměkčený PVC je tvarově stálý do 45 °C. Při teplotě kolem 80 °C začíná měknout. Při teplotě nad 150 °C se již dá výborně zpracovávat. Při teplotách nad 110 °C se však musí počítat s destrukčními změnami, ke kterým dochází díky odštěpování chlorovodíku. Projevují se především změnou barvy. Neměkčený PVC se rovněž nehodí pro záporné teploty, kde začíná křehnout. PVC je tak v porovnání s ostatními plasty teplotně méně odolný. Pro zlepšení vlastností se proto přidávají teplotní a světelné stabilizátory. Na druhou stranu PVC vyniká v chemické odolnosti. Je rozpustný jen v polárních organických rozpouštědlech. Přídavkem změkčovadel ale chemická odolnost klesá. Stejně tak se zhoršují elektrické vlastnosti. PVC se např. nehodí pro vysokofrekvenční aplikace. Jeho vlastnosti však plně vyhoví pro izolace vodičů a kabelů. Z fyziologického hlediska je PVC inertní a bez zápachu. Podstatně nebezpečnější se jeví výchozí monomer vinylchlorid, který se může v hotovém polymeru vyskytovat v koncentraci 1 až 10 ppm. Z tohoto důvodu se zakazuje používání některých druhů PVC v přímém styku s potravinami. Škodlivé látky mohou rovněž obsaženy ve stabilizátorech, změkčovadlech a dalších přísadách. PVC se nejčastěji zpracovává válcováním na fólie o tloušťkách 0.08 až 0.6 mm, sloužící hlavně pro balicí techniku. Lisováním neměkčeného PVC se vyrábějí desky, které dobře

78


slouží jak na ochranné obklady v chemickém průmyslu (laboratoře, galvanovny), tak na elektroizolační podložky v elektrotechnice. Na šnekových vytlačovacích strojích se vyrábějí trubky nejrůznějších průměrů. PVC se zpracovává také vstřikováním (konstrukční díly, součásti armatur, spotřební předměty). Měkčený PVC se zpracovává obdobnými technologiemi. Použití měkčeného PVC je v elektrotechnice a elektronice velmi široké (izolace vodičů, kabelů, bužírky). Výroba koženky z měkčeného PVC spočívá v nanášení základní pasty na textilní tkaninu pomocí natíracích strojů. Podobně se vyrábějí např. podlahoviny. PVC se mechanicky dobře opracovává, při opracování se však nesmí přehřívat. Je ho možné lepit vhodnými prostředky nebo svařovat horkým vzduchem. PVC fólie je možné svařovat rovněž vysokofrekvenčně. Dalším vinylovým polymerem je polyvinylacetát (PVAC). Zpracovává se na filmotvorné složky do disperzních a emulzních nátěrových hmot. Dále je součástí lepidel a tmelů. Má dobrou adhezi k materiálům jako kovy, dřevo, papír, kůže, stavební materiály, textilie a některé plasty. S PVAC disperzí se lze setkat ve stavebnictví (např. přísada cementových směsí), nebo při výrobě papíru a textilií s cílem zlepšit jejich mechanické vlastnosti. Zajímavý je rovněž polyvinylalkohol (PVA). Tvoří důležitou surovinu při výrobě hydrofobních chemických vláken, která jsou po povrchové úpravě formaldehydem velice pevná a odolná proti vodě. Z měkčeného PVA se vyrábějí hadice, těsnění, zátky apod., které výborně odolávají pohonným hmotám (benzin, nafta). Barevné, orientované fólie PVA dokážou polarizovat světlo viditelného spektra. V kombinaci se sklem PMMA se používají při výrobě polarizačních filtrů, skel do brýlí apod. PVA je fyziologicky nezávadný. Může sloužit jako nosič různých léčiv, zahušťovat potraviny, používá se jako čisticí prostředek v kosmetice, na chirurgické nitě, těsnění lékařských přístrojů. PVA byl rovněž použit jako náhrada krevní plazmy. 4.1.5

Akrylové polymery (PAA, PMMA – plexisklo)

První pokusy s polymerací organických sloučenin na bázi esterů kyseliny akrylové a metakrylové byly prováděny již v roce 1872. Protože zvládnutí polymerační reakce je dosti obtížné, velkoobjemová výroba začala až v roce 1927. Hlavní výchozí monomery pro výrobu akrylových polymerů jsou akrylové a metakrylové estery. Nejvýznamnější metoda výroby akrylových esterů vychází z acetylénu, oxidu uhelnatého a alkoholu. Jedny z posledních metod využívají přímé oxidace propylenu. Nižší metakrylové estery se získávají syntézou acetonu a kyanovodíku přes acetonkyanhydrin, vyšší typy lze vyrobit alkoholýzou metylmetakrylátu. Moderní metody pracují s oxidací izobutenu. Estery kyseliny akrylové se polymerují většinou emulzně a roztokově. Metakrylové estery se polymerují blokově. Fyzikální vlastnosti polyakrylátů jsou závislé na délce řetězce alkoholového zbytku v esterovém substituentu. Dají se tak získat materiály s výrazně odlišnými vlastnostmi. Polymetylakrylát je tvrdá a tuhá látka, která měkne při teplotě 80 °C. Polyetylakrylát je měkký, pružný a lepivý polymer, který tuhne při teplotě –20 °C. Podobně lepivý je polybutylakrylát s teplotou tuhnutí -40 °C. Nejrozšířenějším polymerem je polymetylmetakrylát (PMMA), nazývaný též organické sklo nebo plexisklo. PMMA má poměrně malou hustotu, která činí 1190 kg.m-3. PMMA propouští 90 až 92 % záření viditelného spektra. Je použitelný pro infračervené záření v rozsahu vlnových délek 2.8 až 25


79

µm. Záření o vlnových délkách kratších než 300 nm nepropouští. Je netříštivý, stálý a tvrdý. Má vysoký index lomu o hodnotě 1.49 a relativní permitivitu 3.6. Má velmi dobré elektroizolační vlastnosti, odolává elektrickému oblouku. Do teploty 70 °C je tvarově stálý, zahřátím na teplotu 120 °C měkne a je tvárný. Odolává zředěným kyselinám, hydroxidům, roztokům solí, oxidační atmosféře, alifatickým uhlovodíkům a minerálním olejům. Zajímavý je rovněž polymetyl--chlorakrylát. Oproti PMMA je tvrdší, má větší pevnost v tahu a ohybu a větší odolnost proti korozi při působení mechanického napětí. Odolává teplotám až 135 °C a navíc je samozhášivý. S běžnými rozpouštědly nereaguje. Polymetakryláty stejně jako polyakryláty dobře odolávají ultrafialovému záření a stárnutí. Z fyziologického hlediska jsou akrylové polymery zdravotně nezávadné. Pouze při vyšší teplotě (nad 160 °C) může docházet k depolymeraci a ke vzniku jedovatých látek. Zdravotní rizika rovněž přináší použití některých změkčovadel (dibutylftalát). Zápalná teplota PMMA je 460 °C za přítomnosti kyslíkové atmosféry. Při hoření se bezezbytkově rozkládá na oxid uhličitý a vodu. Roztokové polyakryláty se zpracovávají většinou na termoplastové laky nebo nátěrové hmoty tvrditelné teplem. Ve směsi s melaminovými a epoxidovými pryskyřicemi vznikají vynikající vypalovací laky a emaily. Používají se k povrchové úpravě kovů vystavených povětrnostním vlivům (karosérie automobilů, kryty strojů). Akrylátové roztoky a disperze rovněž slouží pro výrobu spolehlivých lepidel (Duvilax). Tuhé polyakryláty (polymetylakrylát, polymetylchlorakrylát) se zpracovávají na desky a fólie, kterými se opatřují např. bezpečnostní skla typu Luglas. Polymetakryláty (zvláště PMMA) se zpracovávají odléváním na desky nebo odstředivým litím na trubky. Dají se mechanicky obrábět, svařovat horkým vzduchem a lepit pomocí kyanoakrylátového lepidla (tzv. sekundové lepidlo). Pomocí rozpouštědel jako je např. dichlormetan, anebo trichlormetan se dají vytvářet téměř neviditelné spoje. Používají se na průhledné kryty přístrojů, displejů, optické čočky, světlovodná vlákna, elektroizolační díly, výrobu kabin, ochranných štítů apod. Polybenzylmetakrylátu se používá při vytváření modelů stavebních nebo vodních děl, na kterých se dále fotoelasticimetrickou metodou sleduje vznikající materiálové pnutí za různých podmínek zatížení a funkčního provozu. Litím z předpolymeru je možné transparentně a dokonale konzervovat různé předměty, např. elektronické součástky, obvodové bloky, biologické preparáty apod. 4.1.6 Polyuretany (PUR) Byly objeveny roku 1935 a do průmyslové výroby zavedeny roku 1940. Největšího rozmachu se dočkaly po II. světové válce. Mezi základní suroviny při výrobě polykarbonátů patří izokyanáty a polyesterové nebo polyéterové pryskyřice. Nejčastěji používaným katalyzátorem je N-metylmorfolin. Na základě výchozích surovin, jejich složení, poměru a přísad existují polyuretany tvrdé, polotuhé, měkké nebo elastické, v kompaktní nebo lehčené formě. Polyuretany nejsou barevně stálé, nicméně klimatické vlivy snášejí dobře. Mají dobrou odolnost vůči chemikáliím, zvláště pohonným látkám a olejům. Omezeně vzdorují horké vodě, páře a alkáliím. Elastomerní polyuretany jsou velmi pružné elastické materiály použitelné do teploty 80 °C. Lineární polyuretany se svými vlastnostmi i vzhledem podobají tuhým pryžím. Mají dobrou tažnost, houževnatost a otěruvzdornost. Kaučukovitý charakter si lineární polyuretany zachovávají v širokém teplotním pásmu od -40 do +120 °C. Mají větší sklon ke krystalizaci než polyamidy. S tím souvisí menší nasákavost a lepší elektroizolační vlastnosti. Jejich


80

nevýhodou je hořlavost. Lepidla na bázi polyuretanů mají velmi dobré adhezívní vlastnosti. Hodí se k lepení kůže, papíru, textilu, kovu, dřeva, porcelánu, keramiky, pryže i plastů. Hotový spoj je velmi pevný, pružný a odolný vnějším vlivům. Výborné vlastnosti vykazují i polyuretanové nátěrové hmoty. Z fyziologického hlediska jsou finální PUR produkty zdravotně nezávadné. Tuhé lehčené PUR se zpěňují buď chemicky (voda nebo CO2 jako přísada do reakční směsi), nebo fyzikálně nízkovroucími nadouvadly na bázi freonů. Druhý způsob v praxi převažuje. Tuhé lehčené PUR se používají ve funkci tepelně izolačních materiálů v podobě bloků, desek a tvarovek. Uplatnění nacházejí v chladírenství, stavebnictví a vzduchotechnice. V oblasti elektroniky slouží jako zvukově izolační materiály pro reproduktorové soustavy, nahrávací studia apod. Měkké lehčené PUR slouží k výrobě čalounění automobilů, nábytku, izolačních dílů apod. Z komerčních výrobků je nejznámější „molitan“. Lineární PUR se zpracovávají podobně jako polyamidy (viz dále), konstrukční díly vstřikováním, vlákna vytlačováním. Používají se ve strojírenství (např. běhouny pojezdových kol, Obr. 23) a elektrotechnice (např. ESD podlahové krytiny).

a)

b)

Obr. 23: Příklady použití polyuretanu: a) vytvrzená polyuretanová pěna, b) běhouny pojezdových kol. 4.1.7

Polykarbonáty (PC)

První práce popisující polykarbonáty byly zveřejněny teprve v roce 1956. Průmyslová výroba se pak rozběhla o pět roků později u koncernu General Electric (USA). Polykarbonáty se tak řadí mezi nejmladší termoplasty. Pro výrobu polykarbonátů bylo připraveno přes 30 vhodných výchozích sloučenin (dihydroxydifenyl-alkany), nicméně v průmyslové praxi se zatím používá jen jeden, tzv. dian. Ten se připravuje kondenzací fenolu a acetonu v přítomnosti katalyzátoru, kyseliny sírové. Další potřebnou surovinou je dichlorid kyseliny dusičné, tzv. fosgen. Ten se získává přímou syntézou oxidu uhelnatého a chloru. Průmyslová příprava polykarbonátů je založena na kondenzaci dianu s fosgenem za přítomností látek, které vážou vznikající chlorovodík. Hustota polykarbonátů dosahuje hodnoty 1200 kg.m-3. Polykarbonáty mají malý sklon ke krystalizaci. Z tohoto důvodu nedisponují ostrým bodem tání, ale na taveninu přecházejí


81

v rozsahu teplot 220 až 260 °C. Do 170 °C zachovávají značnou tvarovou stálost. K dobré rozměrové stálosti rovněž přispívá nízká sorpce vody (0.1 až 0.3 %). Jejich výborná mechanická odolnost je zachovávána v rozsahu teplot -100 až +135 °C. Řadí se tak k teplotně odolným plastům. V houževnatosti předčí osvědčené materiály jako polyamid, nebo polyformaldehyd. Polykarbonáty vynikají velkým izolačním odporem a vysokou elektrickou pevností (30 kVmm-1), a to i za zvýšených teplot a ve vlhku. Pro oblast viditelného záření jsou transparentní. Polykarbonáty odolávají roztokům minerálních kyselin a oxidačních činidel. Snáší rovněž minerální oleje. Rozpustné jsou v chlorovaných uhlovodících, hydrolyzují za přítomnosti alkálií. Odolnost vůči povětrnostním vlivům je uspokojivá, osvědčily se však v tropických podmínkách. Fyziologicky jsou polykarbonáty nezávadné, bez chuti a zápachu. Jejich velkou předností je samozhášivost. Pro zvýšení houževnatosti, tepelné odolnosti a snížení tečení za studena se polykarbonáty plní skleněnými vlákny. Polykarbonáty se zpracovávají vstřikováním (díly pro větší mechanické i tepelné namáhání), vytlačováním (tyče, trubky, profily, fólie), lisováním (desky až do tloušťky 20 mm). Polykarbonáty lze snadno opracovávat třískovým obráběním, ke spojování dílů je nejvhodnější lepení a svařování horkým vzduchem (315 °C). Polykarbonátové desky lze upevňovat šrouby, nýty, ale i hřeby, aniž by hrozilo rozštípnutí. Polykarbonáty se nejvíce využívají v elektrotechnice a elektronice. Polykarbonátové fólie slouží pro výrobu kondenzátorů, dále se používaly pro podložky filmů a magnetofonových pásek. Výborné rozměrové stálosti se využívá při výrobě koster cívek, složitých dílů pro měřicí techniku, kancelářské stroje apod. Díky malé sorpci vody jsou polykarbonáty vhodné pro membrány reproduktorů. Výborné chemické odolnosti polykarbonátů se využívá při výrobě akumulátorových nádob, součástí čerpadel, ventilů a potrubí sloužících na přepouštění silně agresivních kyselin (např. fluorovodíkové). Z polykarbonátů se vyrábějí ty části zdravotnických přístrojů, které bývají vystaveny vyšším teplotám, např. při sterilizaci. 4.1.8 Polyamidy (PA) První zmínka o nich spadá do roku 1899. Systematický vývoj začíná teprve ve 30. letech minulého století. S prvním vláknem přichází firma DuPont v roce 1932. Získané vlákno je možné prodloužit na několikanásobek jeho délky. Jeho rentgenogram je podobný vláknu hedvábí. Nicméně nevyhovuje nízký bod tání pod 100 °C. Další typ vlákna následuje v roce 1934. Tentokrát se jedná o vysokopolymerní polyamid s bodem tání 210 °C. Vlastnosti vlákna jsou vynikající, avšak suroviny příliš drahé. Kompromis přichází v roce 1935, kdy je použito dostupných surovin jako benzenu, fenolu apod. První produkty byly tlusté monofily, používané jako štětiny do zubních kartáčků. Významným mezníkem byla polymerace 6 kaprolaktamu a to účinkem vody nebo -aminokyselin. První štětiny z PA-6 byly vyrobeny již v roce 1939, o rok později pak polyamidové hedvábí zvané Perlon. První výzkum byl zaměřen na vlákna. Ty měly v porovnání s ostatními přírodními i syntetickými vlákny vynikající pevnost a vysokou odolnost vůči otěru. PA-6 vlákna byla rovněž vyvinuta v Československu u firmy Baťa. Vžila se pod názvem „silon“, Obr. 24. Polyamidy mohou vznikat dvěma procesy: polykondenzací (aminokyseliny, soli diaminů s di-kyselinami) nebo polymerací (laktamy). Mezi nejdůležitější typy polyamidů patří polyamidy na bázi -aminokyselin a jejich laktamů, polyamidy na bázi dikarboxylových kyselin a diaminů, polyamidy vícesložkové a polyamidy s aromatickým jádrem.


82

Polyamidy na bázi -aminokyselin a jejich laktamů bývají označovány písmeny PA a jednociferným číslem, které udává počet atomů uhlíku použitého laktamu. V průmyslové praxi mají největší význam PA 6 (Silon, Silamid, Miramid …), PA 11 (Rilsan B) a PA 12 (Rilsan A, Grilamid, …).

a)

b)

Obr. 24: a) Polyamidové distanční sloupky, b) polyamidové vlákno (silon) jako součást rybářských potřeb Polyamidů na bázi dikarboxylových kyselin a diaminů je rovněž celá řada. Pro označování slouží opět písmena PA a dvojice číslic. První číslice uvádí počet uhlíků příslušného diaminu, druhá číslice počet uhlíků použité dikarboxylové kyseliny. Technické využití mají především polymery s lineárním řetězcem. Jedná se především o základní typ PA 6, 6 (Nylon, Ultramid A, Maranyl, Zytel), dále méně obvyklé PA 6, 10 (Maranyl B, Ultramid S, Zytel 31) a PA 6, 12 (Zytel 151). Tab. 51: Teplota tání polyamidů Materiál PA 6,6 PA 6 PA11 PA 12

Teplota tání [°C] 255 až 265 210 až 225 185 176 až 179

Polyamidy vícesložkové obsahují např. diamin, dikarboxylovou kyselinu a aminokyselinu. Polyamidy s aromatickým jádrem mají podstatně složitější výrobní syntézu. Je to z důvodu přímých vazeb funkčních skupin na jádro. Základním představitelem je Polycyclamid Q2. Podíl krystalické fáze polyamidů může dosahovat až 60 %. Hustota polyamidů se pohybuje v rozmezí 1100 až 1200 kg.m-3. Polyamidy mají výborné mechanické vlastnosti. Díky vynikající pevností v tahu, ohybu a tvrdosti se staly vyhledávaným konstrukčním materiálem, a to i přes vyšší cenu. Jejich rázová pevnost je rovněž vyhovující, zvláště při optimálním obsahu vlhkosti (asi 3 %). Oproti jiným termoplastům mají velmi ostrý bod tání, jak uvádí Tab. 51.


83

Tvarová stálost za tepla je velmi dobrá, pohybuje se od 140 do 185 °C podle jednotlivých typů. Z fyziologického hlediska jsou polyamidy většinou nezávadné. Nebezpečná jsou pouze některá aditiva. Různé varianty výrobních metod umožňují připravovat polyamidy s extrémně odlišnými vlastnostmi: od měkkých až po tvrdé, transparentní i barevné, málo i vysoce navlhavé, antistatické, samozhášivé apod. Společným rysem všech polyamidů je snadná zpracovatelnost, vysoká houževnatost, odolnost proti opotřebení a únavě. Mezi nevýhody patří relativně vysoká navlhavost, což jejich použití v elektrotechnice omezuje. Polyamidy vystavené povětrnostním vlivům rovněž rychleji stárnou. Chemická odolnost polyamidů je určena odolností amidových skupin. V běžných rozpouštědlech jsou polyamidy nerozpustné. Odolávají dobře olejům a pohonným hmotám. Rozpouštějí se pouze v extrémně polárních rozpouštědlech (kyselina sírová, mravenčí, kresol, fenol). Polyamidy se zpracovávají nejčastěji vstřikováním a vytlačováním. Rotační tváření se používá při výrobě dutých a tvarově komplikovaných předmětů. Spojování PA dílců je možné buď tepelným svařováním, nebo lepením. Lepení však vyžaduje speciální typy lepidel. 4.1.9 Polytetrafluoretylen (PTFE - teflon) První záznamy o přípravě výchozího monomeru, tetrafluoretylenu, spadají do roku 1933. Původně se jednalo o látku, která sloužila jako chladicí médium. Na možnost polymerace se přišlo náhodou, když se plynný tetrafluoretylen po nějaké době skladování v tlakové láhvi proměnil na bílou voskovitou látku – polytetrafluoretylen. První výrobu zavedla americká firma DuPont. Výchozí monomer, tetrafluoretylen, se získává složitou syntézou z chloroformu a suchého fluorovodíku přes difluorchlormetan, častěji označovaný jako Freon 22. Pyrolýza plynného Freonu 22 probíhá v elektrické kontaktní peci při teplotách 650 až 800 °C. Tepelným štěpením vzniká mnoho derivátů včetně žádaného tetrafluoretylenu. Ten se dále čistí destilací. Jedná se o netoxickou látku s bodem varu -76 °C. Tetrafluoretylen se polymeruje radikálově buď v suspenzi nebo emulzi za zvýšeného tlaku 7 MPa. Schéma makromolekuly je na Obr. 25.

Obr. 25: Schéma makromolekuly polytetrafluoretylenu PTFE Hustota PTFE se pohybuje v rozmezí 2100 až 2300 kg.m-3. Jak je vidět z Obr. 25, makromolekula PTFE vytváří symetrickou lineární strukturu. Díky ní je dosaženo vysokého podílu krystalické fáze konečného polymeru, který činí 93 až 97 %. Podílí se také na výjimečných vlastnostech, jako je vynikající chemická odolnost a tepelná stálost. Přechod z krystalické do amorfní formy nastává při teplotě 327 °C. Polymer nabývá vlastností tvrdé pryže. K rozkladu polymeru dochází při teplotách nad 400 °C za vzniku různých jedovatých látek. Použití PTFE lze vymezit teplotním rozsahem -200 až +250 °C. Na tomto teplotním intervalu PTFE zachovává vysokou rázovou odolnost, dobrou ohebnost a pevnost v tahu,


84

která je srovnatelná s polyetylénem. PTFE má velice nízký součinitel tření s různými materiály, předčí i grafit. Ojedinělou vlastností PTFE je jeho chemická odolnost. Odolává všem, i vroucím minerálním kyselinám a louhům jakékoliv koncentrace. Je narušován pouze taveninami alkalických kovů. Má mimořádnou odolnost vůči povětrnostním vlivům a působení ultrafialového záření. Nevýhodou teflonu je jeho horší opracovatelnost a vysoká cena. Z fyziologického hlediska není PTFE škodlivý. Nebezpečné ovšem je vdechování plynných látek, které PTFE uvolňuje po zahřátí nad teplotu 330 °C. Vdechování může přivodit těžké podráždění plic. Maximální přípustná koncentrace činí 0.005 ppm. PTFE lze ztužovat např. pomocí skelných vláken, práškových kovů nebo grafitu. Dosáhne se tak podstatného zlepšení některých mechanických vlastností, jako např. pevnosti v tlaku, odolnosti proti otěru a tvrdosti. PTFE rovněž nabízí vynikající elektrické vlastnosti, a to i za zvýšených teplot. Opět za to vděčí dokonalé symetrii molekuly. Zanedbatelné dielektrické ztráty udržuje až do oblasti mikrovln. Pro ztrátový činitel platí tg  < 5 x 10-4. Na vysokých frekvencích je rovněž vítaná jeho nízká relativní permitivita o hodnotě r = 2.1. Díky ní je rychlost šíření signálu blízká rychlosti světla a při rozdílných dráhách šíření nedochází k tak rušivému časovému zpoždění (skew). Měrný elektrický odpor je větší než 1016 Ω.m, povrchový odpor je 3 x 1013 až 4 x 1013 Ω při relativní vlhkosti 50 %. PTFE má vysokou elektrickou pevnost dosahující 48 kVmm-1. Odolává elektrickému oblouku. Důležitá je rovněž nulová nasákavost a nehořlavost. PTFE tedy představuje ideální materiál pro dielektrika koaxiálních kabelů, izolace konektorů a substráty plošných spojů, Obr. 26.

a)

b)

Obr. 26: a) Konektor N s PTFE dielektrikem, b) PTFE plošný spoj satelitního konvertoru 10.7 GHz. PTFE se zpracovává a tváří velice obtížně. Může za to malá tekutost polymeru, a to i za teplot nad 320 °C, a dále blízkost bodu rozkladu. Pro výrobu zvláště menších součástí se aplikují některé způsoby známé z technologie práškové metalurgie. PTFE prášek se nasype do formy a za studena se slisuje tlakem asi 14 MPa. Výlisek se dále zahřívá při teplotě 360 až 380 °C, až práškový polymer sline na kompaktní celek při objemovém smrštění 5 až 10 %. Práškový PTFE lze rovněž vytlačovat na tyče, trubky a profily na speciálně upravených strojích, kde působením vyšší teploty opět sline. PTFE fólie se vyrábějí válcováním nebo řezáním z bloku. Zajímavá je rovněž příprava tenkých polymerních vrstev. Ty se připravují z tetrafluoretylenu doutnavým výbojem. Používají se na dielektrika kondenzátorů.


85

4.1.10 Polyimidy (PI) Mají velice krátkou historii, do výroby se dostaly teprve v 80. letech. Jsou to perspektivní polymery na bázi anhydridu kyseliny pyromellitové a aromatických diaminů. Vyznačují se mimořádnou teplotní odolností. Součásti z polyimidů snášejí krátkodobě až 470 °C, dlouhodobě 260 °C ve vzduchu a 315 °C v inertní atmosféře. Nevadí jim ani teploty kryogenní. Odolávají organickým rozpouštědlům, záření beta a gama. Jsou proto vhodné pro kosmické aplikace. Mají podobné elektrické vlastnosti jako plněné silikony. Polyimidy ztužené grafitem jsou vhodné pro výrobu speciálních ložisek. Výrobou polyimidů se zabývá mnoho společností. Široký sortiment nabízí např. firma DuPont. Jedná se o fólie s označením Kapton H odolávající teplotám od -260 do +370 °C. Jsou nehořlavé, nerozpustné a mechanicky pevné. Další typ fólie, Kapton F, je teplem svařovatelná fólie s nánosem PTFE. Slouží mimo jiné k oplášťování kabelů v raketoplánech a družicích a na výrobu ohebných plošných spojů. Termoplastický polyimid je dodáván pod názvem Vespel. Skelné lamináty s pojidlem na bázi polyimidů s označením Skybon 700 se používají jako substrát plošných spojů se zvýšenou odolností proti teplotám pájení. Speciální lamináty s titanovým nosičem a polyimidovými pojidly snášejí při dlouhodobém namáhání teploty až 3000 °C. Své místo si polyimidy našly i v mikroelektronice. Slouží jako pasivační vrstva čipů v provedení WCSP (Wafer Chip Scale Package). Kromě základního polyimidu existují mnohé modifikace, zlepšující jeho vlastnosti nebo možnosti zpracování. Polyimid je rovněž základem spolehlivých lepidel nebo elektroizolačních laků.

4.2 Reaktoplasty Jedná se o materiály, které se vytvrzují buď působením tlaku a teploty, nebo přídavkem speciálních chemických látek. Dochází k nevratným změnám, struktura materiálu přechází do netavitelného a nerozpustného stavu. 4.2.1 Fenoplasty (PF) Reakce mezi fenoly a formaldehydem za vzniku pryskyřičných produktů byla popsána již v roce 1872. K širšímu průmyslovému využití dochází až začátkem dvacátého století, kdy se rodí první zcela syntetický plast, později velice oblíbený a rozšířený pod názvem bakelit. Fenoplasty patří mezi historický první reaktoplasty, u kterých působením tepla dochází k vytvrzení a k nevratnému přechodu do netavitelného a nerozpustného stavu. Mezi základní suroviny pro výrobu fenoplastů patří fenol a formaldehyd. Fenol je někdy zastupován kresolem, případně jejich směsí. Fenol se získává frakční destilací černouhelného nebo hnědouhelného dehtu při teplotě 170 až 240 °C, nebo synteticky z benzenu. Kresol se vyrábí rovněž z černouhelného dehtu. Formaldehyd se připravuje katalytickou oxidací metanolu. Základní fenolické pryskyřice vznikají kondenzací fenolu nebo kresolu s aldehydy (běžné typy - formaldehyd, speciální typy - fural, butyraldehyd apod.) Vlastnosti fenolických lisovacích materiálů jsou dány použitými pryskyřicemi a plnivy. Obecně je lze charakterizovat jako materiály s dobrými mechanickými a elektrickými vlastnostmi, které se nemění ani ve vlhku. Většina z nich dobře odolává organickým rozpouštědlům, některé typy i kyselinám. Běžné typy odolávají teplotám do 130 °C. Co se týká zdravotního rizika, výchozí látky – fenoly a kresoly – jsou podstatně nebezpečnější než konečné vytvrzené fenoplasty. V některých státech je používání výlisků z fenoplastů pro styk


86

s poživatinami povoleno, ale pro možnost vyluhování fenolu a formaldehydu, zvláště v kyselém prostředí, je stanovisko českých hygienických předpisů k těmto plastům zamítavé. Fenolické pryskyřice určené pro lisování se musí nejprve vhodně připravit. Používají se buď prášková, nebo vláknitá plniva. Prášková plniva se s pryskyřicí mísí v hnětacím stroji. Následně směs přechází za působení tepla a tlaku do přechodného polotvrdého stavu. Po vychladnutí se drtí v křížových mlýnech na prášek určitého zrnění. Ten je pak připraven k lisování do podoby tablet nebo granulí. Při výrobě materiálů s vláknitými plnivy se místo hnětení používá impregnace. Takto připravené lisovací fenoplasty se dále tvarují na hydraulických lisech. Děje se tak při tlaku 25 až 60 MPa a teplotě 140 až 175 °C. Vytvrzení probíhá velice rychle. Pro vytvrzení 1 mm tloušťky výlisku je zapotřebí 35 až 40 sekund. Použití fenoplastů je velice široké. Slouží jako lisovací pryskyřice (např. kostry cívek, objímky žárovek, svorkovnice), zalévací pryskyřice, lepidla na dřevo i kovy, pojidla pro brzdné a brusné prostředky a impregnační roztoky (Novolak S 1901). Používá se jich také při výrobě nátěrových hmot (Novolaky, Resoly). Dále jsou hojně využívány jako pojidlo při výrobě vrstvených materiálů. Tvrzený papír i tkaniny našly hlavní využití v elektrotechnice, kde tvoří izolační podkladový i konstrukční materiál. Hodně rozšířený je pertinax (kartit), jehož výztuží je papír. Pertinax má hnědočervenou barvu. Jeho relativní permitivita εr je 4.4 až 5.5. Mědí plátovaný laminát nese označení FR-2. Jeho kvalita je však v porovnání s epoxidovými nebo polyesterovými lamináty horší. Používá se na plošné spoje spotřební elektroniky. Lehčené fenolické materiály (např. tuzemský Porofen) nalezly uplatnění jako tepelná a zvuková izolace v elektrotechnice, strojírenství a stavebnictví. 4.2.2

Epoxidové pryskyřice (EP)

První pryskyřičný epoxidový materiál, etylenoxid, se podařilo připravit již v roce 1863. Hromadná výroba se rozběhla teprve za druhé světové války, a to ve Švýcarsku. V poválečných letech se jako jedna z prvních zemí přidalo Československo. Základní surovinou pro výrobu epoxidových pryskyřic tvoří dian a epichlorhydrin nebo dichlorhydrin. Dian se připravuje kondenzací fenolu a acetonu za přítomnosti katalyzátoru, většinou kyseliny sírové. Epichlorhydrin se získá z dichlorhydrinu odnětím chlorovodíku hydroxidem vápenatým. Základní dichlorhydrin se vyrábí buď sycením glycerínu chlorovodíkem, nebo z propylenu. Pryskyřice se vyrábějí v různých druzích. Můžou mít podobu viskózních kapalin i pevných látek. Tekuté pryskyřice obsahují navíc ještě tzv. reaktivní rozpouštědlo, např. butylmetakrylát nebo styrén. Každá makromolekula epoxidové pryskyřice je zakončena reaktivní epoxidovou skupinou, která po přimísení katalyzátorů (tvrdidel) začne reagovat. Jedná se o tzv. vytvrzování. Epoxidové pryskyřice se tak řadí mezi reaktoplasty. Při vytvrzování nevznikají vedlejší produkty. Podle druhu chemické reakce se tvrdidla dělí na polyadiční a polymerační, přitom v praxi jsou nejvíce rozšířena polyadiční. Tvrdidla se většinou přidávají v množství 3 až 8 % na 100 % objemu základní pryskyřice. Epoxidové pryskyřice vynikají výjimečnými adhezivními vlastnostmi, a to především k obtížně lepitelným materiálům, jako je sklo, keramika, kovy, reaktoplasty apod. Spolehlivě spojují i ostatní materiály. Mechanická pevnost lepených spojů je vynikající, zvláště pak pevnost ve smyku. Spoje zhotovené epoxidovými lepidly často předčí klasické spoje nýtované nebo svařované. Epoxidové materiály se dále vyznačují velkou houževnatostí, malým smrštěním a některé i dobrou elasticitou. Jejich teplotní odolnost je dobrá, pohybuje se v intervalu od -30 do +150 °C. Rozklad nastává až při zahřátí nad teplotu 340 °C. Co se týká elektrických vlastností, vynikají vysokou hodnotou povrchového odporu a elektrické pevnosti. Jsou však poměrně nasákavé. Odolávají zředěným kyselinám a hydroxidům, benzínu, alkoholu a aromatickým uhlovodíkům. Rozpouští je aceton, estery a chlorované


87

uhlovodíky. Epoxidové pryskyřice jsou hořlavinami I. nebo II. třídy, a společně s tvrdidly jsou zdraví škodlivé. Využití epoxidových pryskyřic je velice široké. Výjimečné vlastnosti epoxidových lepidel již byly zmíněny. Používají se v elektronice (výroba složitých součástí), elektrotechnice (lepení částí točivých strojů), ve strojírenství, chemickém průmyslu (lepení skleněného potrubí) apod. Zalévací pryskyřice se zpracovávají podobně jako lepidla. Dobře zatékají do forem a jen málo se smršťují. Používají se především v elektronice k zalévání součástí i celých obvodů. Pojidlové pryskyřice slouží při výrobě skelných laminátů (např. sklotextit) nebo jiných vrstvených materiálů (např. tvrzený papír Kartit a tvrzená tkanina Textit). Jedná se o základní nosiče plošných spojů s označením FR-3 a FR-4 (tuzemský Cuprexkart a Cuprextit). Z epoxidových pryskyřic se dále vyrábějí tmely a nátěrové hmoty. Oproti jiným nátěrovým hmotám mají velmi dobrou přilnavost k podkladům, jejich film je tvrdý, pružný, chemicky i teplotně odolný (70 až 100 °C). Dále se z nich vyrábějí lisovací materiály. Oproti jiným lisovacím materiálům mají menší smrštění ve formě. 4.2.3 Polyestery (UP) Pod tento název spadá velké množství makromolekulárních látek, a to jak reaktoplastů, tak i termoplastů. Poprvé byly připraveny již v roce 1847 z glycerolu a kyseliny vinné. Mezi základní představitele patří polyesterová vlákna a polyesterové pryskyřice. Známé jsou rovněž modifikované polyestery, jako PET (polyetylentereftalát) a PEN (polyetylennaftalát). Polyesterová vlákna vynikají mimořádnou mechanickou pevností a elasticitou. Oproti vláknům z ovčí vlny jsou méně mačkavá a nasákavá. Polyesterové textilie se tak snadněji perou i suší. O polyesterových pryskyřicích pojednává následující kapitola. 4.2.3.1 Polyesterové pryskyřice Jedná se o roztok nenasyceného polyesteru a vhodného monomeru. Nenasycený polyester se připravuje nejčastěji polyesterifikací nenasycené dikarboxylové kyseliny a polyalkoholu. Děje se tak za zvýšené teploty 180 až 250 °C v inertní atmosféře. Z monomerů obsahujících dvojnou vazbu jsou nejvhodnější metylmetakrylát, styrén nebo vinylacetát. Polyesterové pryskyřice jsou látky kapalné, vysoce viskózní, světle žluté až hnědé barvy. Konečnou podobu nabývají vytvrzením. Patří tak do skupiny reaktoplastů. Vytvrzování většiny typů polyesterových pryskyřic nevyžaduje navýšení tlaku ani teploty. Při vytvrzování rovněž nevznikají žádné vedlejší produkty, všechny zúčastněné látky se spotřebují při výstavbě výsledného polymeru. Díky těmto vlastnostem je použití polyesterových pryskyřic velice výhodné. Vlastní proces spočívá v kopolymeraci polyesteru a monomeru iniciačním působením katalyzátorů (např. dibenzoylperoxid) a aktivátorů (např. kobaltnaftenan). Vytvrzování probíhá rychle (5 až 25 min.) a uvolňuje se při něm značné množství tepla. Na to je potřeba pamatovat při návrhu formy (teplotní odolnost, odvod tepla). Doprovází jej rozměrové smrštění, které se pohybuje mezi 3 až 8 %. Vytvrzená pryskyřice má dobré mechanické, elektrické i chemické vlastnosti. Vyniká pevností a odolností proti otěru. Dobře snáší vlhkost a atmosférické vlivy. Nevytvrzené pryskyřice patří mezi hořlaviny I. nebo II. třídy. Společně s katalyzátory a urychlovači jsou zdraví škodlivé. Využití polyesterových pryskyřic je široké. Zalévací pryskyřice se uplatňují hlavně v elektrotechnice. Uzavírají se s nimi různé součásti a obvody. Jsou ve většině případů průhledné a mají malé smrštění (1 až 5 %). Lepidlové pryskyřice slouží jako spolehlivá a rychlá lepidla na nejrůznější materiály. Jejich zahuštěním vznikají tmely. Pojidlové pryskyřice se používají při výrobě všech typů vrstvených materiálů a laminátů. Slouží jako pojidlo při zalévání výztuže, která může být z papíru, textilu, skelných vláken, uhlíkových vláken apod. Mědí plátované polyesterové lamináty nesou označení FR-6. Nenasycené polyesterové

88


pryskyřice jsou rovněž součástí lisovacích materiálů nazývaných premixy nebo prepregy. Jejich vytvrzení probíhá pod tlakem (do 15 MPa) a za zvýšené teploty (120 až 150 °C). Podobně se zpracovávají fenolické nebo aminové reaktoplasty. Výlisky z těchto materiálů mají dobré elektrické i mechanické vlastnosti. Slouží rovněž ke spojování vnitřních desek vícevrstvých plošných spojů. Laky na bázi polyesterových pryskyřic jsou velmi vyhledávané pro vynikající čirost, vysoký lesk a značnou tvrdost povrchu. Používají se především na povrchovou úpravu dřeva. 4.2.4

Organokřemičité polymery – silikony (SI)

První organokřemičitá sloučenina, tetrachlorsilan, byla objevena již začátkem 19. století. V roce 1848 následoval tetraetoxysilan, v letech 1863 až 1868 tetraetylsilan a hexaetylsiloxan. O další rozvoj organokřemičitých polymerů se zasloužila přímá syntéza metylchlorsilanů a fenylchlorsilanů. Největší rozmach silikonových polymerů nastává za II. světové války a těsně po ní. Základní organokřemičité sloučeniny se vyrábějí pomocí dvou hlavních metod: Grignardova syntéza vychází z chloridu křemičitého – tetrachlorsilanu reagujícího s vhodným Grignardovým činidlem v roztoku éteru na směs alkylsilanů a chloridu hořečnatého. V současnosti se však stále více prosazuje přímá syntéza. Ta je založená na reakci organických halogenidů s rozdrceným čistým křemíkem při teplotách 280 až 350 °C. Přímá syntéza je bezpečnější (nepoužívá se vysoce hořlavý éter) a levnější. Vlastní příprava polymerů je založená na hydrolýze, kterou vzápětí následuje polykondenzace. Dochází ke vzniku dlouhých lineárních molekul. Kondenzací koncových skupin OH mohou vzniknout také cyklické organokřemičité sloučeniny. Silikonové materiály sdružují hned několik výjimečných vlastností najednou. Silikonové polymery odolávají teplotám v rozsahu od -90 do +300 °C. Mají výbornou chemickou odolnost, stejně jako odolnost vůči povětrnostním vlivům. Vykazují nízkou adhezi, proto se používají k separačním účelům. Mají vysokou elektrickou pevnost, dielektrické vlastnosti se s teplotou a frekvencí mění jen nepatrně. Silikonové pasty a oleje jsou značně hydrofobní. Dobře odolávají ionizujícímu záření, jejich vlastnosti se ozářením mění jen nepatrně. Jsou fyziologicky nezávadné, bez chuti a zápachu. Silikonové materiály mají mnoho podob. Velkou skupinu představují silikonové oleje. Jsou bezbarvé, ve vodě nerozpustné, fyziologicky nezávadné. Jejich viskozita se s teplotou mění jen nepatrně. Mají výborné dielektrické vlastnosti a chemickou odolnost. Jejich těkavost do teploty 200 °C je velice malá. Hodí se pro rozsah teplot od -40 do +180 °C. Jejich významnou vlastností je vodoodpudivost. Používají se jako kvalitní maziva ve strojírenství u zařízení s velkým výkyvem teplot (letectví, hydraulické systémy, difúzní vývěvy). V elektrotechnice se jich používá jako transformátorových kapalin, nebo k napouštění dielektrik kondenzátorů. Silikonových olejů se dále používá jako separačních prostředků při tváření plastů a lití kovů. Použití silikonových past je podobné. Připravují se ze silikonových olejů zahuštěním, nejčastěji pomocí oxidu křemičitého. Typickou aplikací je silikonová pasta na chladiče se součinitelem tepelné vodivosti  = 0.4 Wm-1K-1. Silikonové tuky jsou v podstatě silikonové oleje s vyšším polymeračním stupněm. Pro další zlepšení vlastností se ještě přidává např. aerosil, saze, stearan lithný. Zachovávají malou viskozitu až do teplot -75 °C. Další velkou skupinu výrobků představují silikonové kaučuky. Vynikají dlouhodobou teplotní odolností až 150 °C, krátkodobě i 250 °C. Dobrou elasticitu zachovávají i při nízkých teplotách až do -60 °C. Elektroizolační vlastnosti jsou také velmi dobré. Používá se jich v technicky náročných aplikacích. Silikonové hadice v letectví slouží pro rozvod oleje i horkého vzduchu. Silikonovým pláštěm se rovněž opatřují kabely. V případě požáru shoří na


89

nevodivý křemičitý popel. Kaučuky vulkanizované za studena jsou vhodné jako zalévací materiály pro transformátory a čela vinutí elektrických strojů. Silikonové hadičky zase slouží v lékařství pro krevní transfúze. Lze je sterilizovat horkým vzduchem. 4.2.4.1 Silikonové pryskyřice Jedná se o zesíťované polysiloxany. Jejich výrobní postup je poněkud odlišný od výroby silikonových olejů. Vychází se především z metylchloridů a fenylchlorsilanů. Z metylovaných polysiloxanů se získávají pryskyřice odolávající zvýšeným teplotám. Po zaschnutí vytvářejí tvrdou vrstvu s poněkud menší přilnavostí k podkladovým materiálům. V tom se liší od fenylovaných polysiloxanových pryskyřic, které jsou i po zaschnutí termoplastické a neobyčejně přilnavé. Všechny druhy silikonových pryskyřic jsou značně odolné povětrnostním vlivům a ultrafialovému záření. Snášejí rovněž zředěné kyseliny a oleje. Maximální pracovní teplota dosahuje běžně 150 °C. Ze silikonových pryskyřic se především vyrábějí nátěrové hmoty odolné zvýšeným teplotám. Silikonové pryskyřice jsou rovněž významným materiálem v elektrotechnice. Používá se jich pro výrobu izolačních laků, zalévacích hmot a izolace vodičů.

90


Seznam použité literatury [1]

KRAUS, G. E. Gamma Knife Radiosurgery. In Kraus Back and Neck Institute [online]. [cit. 15. 6. 2014]. Dostupné na internetu:

[2]

Indium. In Wikipedia [online]. [cit. 3. 1. 2014]. Dostupné na internetu:

[3]

ŠULC, T. Od písku k procesoru – výroba křemíkového waferu. In PC tuning [online]. 22. 6. 2012 [cit. 15. 6. 2014]. Dostupné na internetu:

[4]

GROSZKOWSKI, J. Technika vysokého vakua. Vydání první. Praha: SNTL, 1981. 440 s.

[5]

ROUS, B. Sklo v elektronice. Vydání první. Praha: SNTL, 1966. 228 s.

[6]

VOLDÁN, J.; DUŠÁNEK, V. Elektrické vlastnosti skel. Vydání první. Praha: SNTL, 1983. 144 s.

[7]

PRYL, K. Ruční výroba dutého skla. Vydání třetí. Praha: SNTL, 1965. 152 s.

[8]

LEŽAL, D.; MACKO, P. Nekryštalické polovodiče. Vydání první. Bratislava: ALFA, 1988. 240 s.

[9]

ZÍMA, J. Integrované monolitické obvody. Vydání první. Praha: SNTL, 1971. 392 s.

[10]

Katalog vysokofrekvenční keramiky. Praha: ELEKTROKERAMIKA, n. p., 1960. 154 s.

[11]

BENEDIKT, V.; SEDMIDUBSKÝ, J.; SOUTOR, Z. Plošné spoje a obvody. Vydání první. Praha: SNTL, 1962. 296 s.

[12]

ŠAVEL, J. Elektrotechnologie. Vydání třetí. Praha: BEN, 2004. 304 s. ISBN 80-7300154-3.

[13]

FAKTOR, Z.; REJMÁNEK, M.; ŠIMEK, B. Transformátory a laděné cívky pro sdělovací techniku. Vydání první. Praha: SNTL, 1968. 260 s.

[14]

RUŽA, V. Pájení. Vydání druhé. Praha: SNTL, 1988. 456 s.

[15]

HÖFT, H. Pasívní součástky pro elektroniku. Vydání první. Praha: SNTL, 1983. 368 s.

[16]

POLJAK, F. Dielektriká, izolanty. Vydání první. Bratislava: ALFA, 1983. 176 s.

[17]

KRUPIČKA, S. Fyzika feritů a příbuzných magnetických kysličníků. Vydání první. Praha: ACADEMIA, 1969. 596 s.

[18]

ŠKEŘÍK, J. Plasty v elektrotechnice a elektronice. Vydání první. Praha: SNTL, 1991. 516 s. ISBN 80-03-00657-0.

[19]

DOLEŽEL, B. Odolnost plastů a pryží. Vydání první. Praha: SNTL, 1981. 712 s.

[20]

ELINSON, M. I. a kol. Elektronika tenkých vrstev. Vydání první. Praha: SNTL, 1970. 284 s.

[21]

SOUTOR, Z.; ŠAVEL, J.; ŽŮREK, J. Hybridní integrované obvody. Vydání první. Praha: SNTL, 1982. 400 s.


91

[22]

DRÁPALA, J.; KURSA, M. Elektrotechnické materiály: skripta. Vydání první. Ostrava: FEI VŠB-TU v Ostravě, 2012. 439 s. ISBN 978-80-248-2570-0.

[23]

KITTEL, C. Úvod do fyziky pevných látek. Vydání první. Praha: ACADEMIA, 1985. 600 s.

[24]

ATANASSOVA, E.; PASKALEVA, A. Breakdown fields and conduction mechanisms in thin Ta2O5 layers on Si for high density DRAMs. Microelectronics Reliability, 2002, vol. 42, no. 2, s. 157-173. ISSN 00262714.

[25]

MORGAN, D. V.; HOWES, M. J.; POLLARD, R. D.; WATERS, G. P. Electroforming and Dielectric Breakdown in Thin Aluminium Oxide Films. Thin Solid Films, 1973, vol. 15, no. 1, s. 123-131. ISSN 00406090.

[26]

VOBECKÝ, J. Nové trendy polovodičových součástek - pohledem začátku roku 2005. [online]. [cit. 14. 3. 2014]. Dostupné na internetu:

[27]

SZENDIUCH, I. Moderní elektronika, bezolovnaté pájení a smernice EU. In Proceedings of the Sdelovaci Technika, Brno: Ústav Mikroelektroniky FEI VUT, Brno, 2004. S. 11 - 20.

[28]

DRÁPALA, J.; URBANÍKOVÁ, Ž.; ZLATOHLÁVEK, P.; VŘEŠŤÁL, J. Materiály pro bezolovnaté pájky. In Proceedings of the Metal 05, Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2005. s. 1 – 9. ISBN 80-86840-13-1.

[29]

SKÁCEL, V.; FIEDLEROVÁ, J.; NEJEZCHLEB, K. Keramické materiály a jejich použití v elektrotechnice. In T-CERAM [online]. [cit. 9. 2. 2014]. Dostupné na internetu:

[30]

KLOUŽKOVÁ, A. Koroze a degradace keramiky. In VSCHT [online]. [cit. 10. 2. 2014]. Dostupné na internetu:

[31]

JIRÁSEK, J.; VAVRO, M. Nerostné suroviny a jejich využití: skripta. Ostrava: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR & Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2008. ISBN 978-80-248-1378-3.

[32]

BARTHELMY, D. Minerals by Chemical Composition. In Mineralogy database [online]. 2010 [cit. 2013]. Dostupné na internetu:

[33]

PÍŠEK, F.; JENÍČEK, L.; RYŠ, P. Nauka o materiálu 1. Vydání druhé. Praha: Academia, 1973. 632 s.

[34]

BERÁNEK, M.; ŠEBKOVÁ, J.; PEDLÍK, M. Technologie kovových materiálů. Vydání první. Praha: SNTL, 1984. 333 s.

[35]

ŠTOFKO, M.; ŠTOFKOVÁ, M.: Neželezné kovy. Vydání první. Košice: Emilena, 2000. 293 s. ISBN 80-7099-527-0.

[36]

ATKINS, P. Periodické království – cesta do země chemických prvků. Vydání první. Praha: Academia, 2005. 123 s. ISBN 80-200-1185-4.

[37]

JURSÍK, F. Anorganická chemie kovů: skripta. Vydání první. Praha: VŠCHT Praha, 2002. 152 s. ISBN 80-7080-504-8.

92


[38]

STWERTKA, A. A Guide to the Elements. 2nd ed. Oxford: University Press, 2002. 242 s. ISBN 0-19-515027-9.

[39]

MOSS, S. J.; LEDWITH, A. The Chemistry of the Semiconductor Industry. 1st ed. London: Springer, 1987. 413 s. ISBN 0-216-92005-1.

[40]

BERGER, L. I. Semiconductor Materials. Boca Raton: CRC Press, 1997. 473 s. ISBN 0-8493-8912-7.

[41]

VEAL, T. D.; McCONVILLE, C. F.; SCHAFF, W. J. Indium Nitride and Related Alloys. Boca Raton: CRC Press, 2009. ISBN 9781439859612 (ePub).

[42]

KING, R. B. Boron Chemistry at the Millennium. New York: Elsevier, 1999. ISBN 0444-72006-5.

[43]

OZGUR, U. et al. A comprehensive review of ZnO materials and devices. Journal of Applied Physics, 2005, vol. 98, no. 4, s. 1-103. ISSN 00218979.

[44]

CAPPER, P. Properties of Narrow Gap Cadmium-Based Compounds. London: INSPEC, 1994. 621 s. ISBN 978-0-85296-880-2.

[45]

HAVRÁNEK, D. Rtuťové spínače, jejich výroba a použití. Vydání první. Praha: SNTL, 1963. 204 s.

Materiály a techniky při realizaci elektronických obvodů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Recommend Documents