Materiały stosowane w elektrotechnice i elektronice

Politechnika Łódzka
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM
NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenie nr 13
Temat: Materiały stosowane w elektrotechnice i elektronice.
Łódź 2010
1. Wprowadzenie
Podział materiałów elektrotechnicznych i elektronicznych wynika z ich funkcji w
urządzeniach lub w układach elektrycznych. Ze względu na wartość rezystywności w
temperaturze 20°C (293K) rozróżnia się materiały przewodzące, półprzewodzące i
elektroizolacyjne. Abyśmy mogli mówić o odpowiedniej grupie materiałów wartości ich
rezystywności muszą wynosić odpowiednio:
materiały przewodzące ϱ 20 ≤ 10-6 Ω*m
materiały półprzewodzące ϱ 20 = 10-4 ÷ 10-11 Ω*m
materiały elektroizolacyjne ϱ 20 ≥ 1010 Ω*m
Osobną grupę stanowią materiały nadprzewodzące, które cechuje temperatura przejścia w
stan nadprzewodnictwa, zwana temperaturą krytyczną. W następnych podrozdziałach
omówione zostaną materiały pod kątem ich zastosowania.
1.1 Materiały przewodowe
Nazwę materiałów przewodowych noszą metale i stopy, z których są wytwarzane
przewody i kable elektroenergetyczne. Do tej grupy należą przede wszystkim miedź i
aluminium, a także niektóre brązy, stopy aluminiowo-magnezowo-krzemowe oraz stal.
Właściwości wybranych materiałów przewodowych podano w tab. 1.
Tab. 1. Właściwości niektórych materiałów przewodowych.
Rodzaj materiału
Miedź
Brąz
Skład
99,95% Cu
Cu + 0,1% Mg lub Cu + (0,2÷1%) Cd
ϱ g/cm3
8,9
8,9
γ MS/m
54÷58
48
α K-1
0,0039
0,004
Rr MPa
220
500÷520
Brąz
Cu+ (0,5+0,8%) Mg lub Cu + 1%Sn+ 1%Cd
8,9
36
0,004
560÷680
Brąz
Cu + 2,4% Sn
Cu + 1,2% Sn + 1,2 Zn
99,5% Al
8,9
18
0,004
660÷740
2,7
36
0,0041
120
Aluminium
Stop aluminiowomagnezowo-krzemowy
(Aldrey, Almelec)
(0,3+0,5%) Mg + (0.5 + 0,6%) Si + AI
(reszta)
2,7
30÷33
0,0036
300÷350
Żelazo (stal)
—
7,86
7
0,005
400÷1500
Miedź używa się na ogół w stanie miękkim, natomiast aluminium — ze względu na
potrzebę polepszenia właściwości mechanicznych — w stanie półtwardym.
Przewody o specjalnym przeznaczeniu, jak np. przewody jezdne w sieci trakcyjnej, od
których wymaga się dużej wytrzymałości mechanicznej i małej ścieralności, wykonuje się ze
1
stopów Cu z dodatkiem do 1% Cd. Przewody nawojowe przeznaczone do dużych
transformatorów są wytwarzane ze stopów CuAg, ze względu na występowanie dużych sił
elektrodynamicznych w stanach zwarciowych.
W liniach napowietrznych wysokiego napięcia znajdują zastosowanie nie tylko tzw. sploty
stalowo-aluminiowe (rdzeń z liny stalowej jako element nośny, zapewniający odpowiednią
wytrzymałość mechaniczną), ale także linki ze stopów Al-Si-Mg o różnych nazwach
firmowych: Almelec, Aldrey itp. Wytrzymałość mechaniczna tych ostatnich jest na tyle duża,
że nie wymagają one elementu nośnego, konduktywność zaś jest zaledwie o kilka procent
mniejsza od konduktywności Al.
Przewody ze stopów Al są coraz powszechniej stosowane. Znacznie mniejsza masa
przewodów wykonanych ze stopów Al-Si-Mg w porównaniu ze splotami stalowoaluminiowymi powoduje, że budowa linii jest tańsza, pomimo wyższej ceny stopu niż Al.
Przewody te cechuje duża odporność na korozję. W splotach stalowo-aluminiowych, w celu
nadania im odpowiedniej odporności na korozję niezbędne jest stosowanie drutów stalowych
ocynkowanych. Ocynkowanie zapobiega tworzeniu się ogniw na styku Al-stal.
1.2 Materiały oporowe
Ze względu na zastosowanie materiały oporowe dzieli się na następujące grupy:
1. Stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe, obciążeniowe itp.;
2. Stopy oporowe na rezystory pomiarowe, wykazujące mały współczynnik temperaturowy
rezystancji oraz małą jednostkową siłę termoelektryczną względem miedzi (połączenia w
miernikach);
3. Metale i stopy oporowe oraz materiały oporowe niemetalowe na elementy grzejne;
4. Metale na oporowe czujniki termometryczne, wyróżniające się dużym współczynnikiem
temperaturowym rezystancji α; ich temperatura robocza zawiera się na ogół w granicach od 200 do 350°C:
5. Materiały na rezystory specjalne bezindukcyjne, oraz o nieliniowej charakterystyce
napięciowo-prądowej (warystory).
Właściwości stopów oporowych i metali stosowanych do urządzeń wymienionych w grupie 1,
2 i 3. podano w tab. 2. W grupach 1 i 2 duże zastosowanie znajdują wieloskładnikowe stopy
miedzi z niklem (do 40%), cynkiem (do 27%), aluminium (do 5%), magnezem (do 1%) i
żelazem (do 1%). Są one znane pod firmowymi nazwami: manganin, konstantan itp. Stopy
używane na elementy grzejne dzieli się na dwie podstawowe grupy;
2
— stopy austenityczne, na bazie niklu i chromu (do 80% Ni i 20% Cr) — bezżelazowe (tzw.
nichromy) i zawierające żelazo (tzw. ferronichromy);
—
stopy ferrytyczne (tzw. ferrochromale), zawierające oprócz Fe, Cr nieznaczne ilości
domieszek uszlachetniających, np. Co.
Stopy bezżelazowe mogą pracować, zależnie od gatunku, w temperaturach 900÷1150°C.
Wykazują one dużą wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach, dużą trwałość
pracy w atmosferze obojętnej, są natomiast wrażliwe na działanie atmosfery utleniającej oraz
zawierającej siarkę lub jej związki.
Stopy ferrytyczne, w zależności od gatunku, mogą pracować w temperaturach do 1350°C.
Wykazują one dużą odporność na atmosferę utleniającą, są nieodporne na działanie związków
chloru, metali alkalicznych i cyjanków. Ich wadą jest duża skłonność do rekrystalizacji i mała
wytrzymałość mechaniczna w wysokich temperaturach. Stopy te, od nazwy producenta, są
znane jako Kanthale; produkowane w Polsce — noszą nazwę Baildonali.
Na elementy grzejne stosuje się również metale czyste — molibden i wolfram. Mogą one
pracować długotrwale w temperaturach 1500°÷3000°C, lecz ze względu na proces utleniania
wymagają stosowania atmosfer ochronnych lub próżni. Elementy wykonane z tych metali są
używane w piecach oporowych do topienia oraz obróbki cieplnej niektórych metali.
Niemetalowe elementy grzejne wykonuje się z materiałów węglowych i grafitowych oraz z
węglika krzemu (SiC — karborund) lub krzemku molibdenu (MoSi — molibdenosilit).
Elementy węglowe i grafitowe mogą pracować w temperaturach do 3300°C; odznaczają się
dużą odpornością na udar cieplny, lecz małą odpornością na utlenianie (podczas pracy trzeba
je chronić przed dostępem powietrza). Elementy grzejne z karborundu wykonuje się w
kształcie prętów z odpowiednimi końcówkami — noszącymi nazwę silit lub globar. W
zależności od rodzaju wyrobu, rezystywność karborundu w temperaturze 20°C może wynosić
1500÷6000 Ω*m. W temperaturze powyżej ok. 900°C rezystywność maleje, po czym wzrasta
w przybliżeniu liniowo osiągając w temperaturze 1450°C wartość ok. 1000 Ω*m. Czas pracy
karborundowych elementów grzejnych w temperaturze nie przekraczającej 1450°C wynosi
ponad 2500 h. Na skutek utleniania wartość rezystywności w tym czasie może ulec
znacznemu (3-krotnemu) zwiększeniu (15÷20% podczas pierwszych 60÷80 godzin pracy).
Elementy grzejne z krzemku molibdenu, produkowane w kształcie formowanych prętów
przez firmę Kanthal, noszą nazwę Superkanthali; są one odporne na atmosfery utleniające i
mogą pracować w temperaturze do 1700°C.
3
Na oporowe czujniki termometryczne stosuje się metale czyste, zwłaszcza platynę, rzadziej
— srebro, nikiel i miedź. Charakterystyka temperaturowa tych metali zależy przede
wszystkim od ich czystości.
1.3 Materiały stykowe
Dowolne połączenie w torze prądowym nazywa się zestykiem. Część zestyku należąca do
jednego toru nazywa się stykiem. Ze względu na sposób pracy rozróżnia się następujące
zestyki:
— nierozłączne nieruchome,
— nierozłączne ruchome (ślizgowe),
— rozłączne bezłukowe,
— rozłączne łukowe.
Materiały stykowe mogą być: jednorodne, dwuwarstwowe (bimetale oraz z warstwą
zewnętrzną nakładaną galwanicznie lub natryskiwaną) i wielowarstwowe. Materiały stykowe
jednorodne wykonuje się w kształcie prętów, drutów, płytek, nakładek stykowych lub blach.
Bimetale stykowe wytwarza się jako blachy, taśmy, pręty lub rurki. Trwałość styków
bimetalowych jest na ogół nieo mniejsza niż styków jednorodnych, są one jednak tańsze i
łatwiej obrabialne. Warstwy nanoszone galwanicznie i metodą natryskową wykonuje się
przede wszystkim z materiałów szlachetnych. Wielowarstwowa struktura styku — w której
zarówno twardość, jak i gęstość materiału zmniejsza się stopniowo od warstwy do warstwy
wówczas, gdy konduktywność się zwiększa — poprawia warunki pracy zestyku oraz ułatwia
montaż styku dzięki łatwiejszemu lutowaniu.
Materiałami stykowymi są: metale czyste, stopy i spieki. Do najlepiej nadających się metali
czystych należą metale szlachetne, takie jak srebro, złoto, platyna i pallad. Do często
stosowanych metali nieszlachetnych należy miedź, wolfram i molibden. Zaletami miedzi są:
duża konduktywność i dobre przewodnictwo cieplne, łatwość obróbki i lutowania, niska cena;
wadami zaś: łatwość tworzenia warstw nalotowych z półprzewodzących tlenków i siarczków,
niska granica plastyczności i dość niska temperatura topnienia.
O doborze stopów i spieków decydują zarówno względy ekonomiczne (niska cena materiału),
jak i możliwość sterowania właściwościami materiału przez odpowiedni dobór składników.
Materiały stykowe z metali czystych wykonuje się metodą odlewania i obróbki plastycznej
(łącznie z wyżarzaniem). Materiały ze spieków wytwarza się albo typową metodą metalurgii
proszków (mieszanie, prasowanie i spiekanie), albo metodą nasycania, polegającą na tym, że
4
porowaty, spieczony szkielet utworzony z jednego składnika, np. wolframu o dużej liczbie
połączonych ze sobą porów, wypełnia się roztopionym metalem, np. miedzią. Warunkiem
nasycenia jest to, że temperatura topnienia materiału stanowiącego szkielet jest wyższa niż
metalu przesycającego ten szkielet. Porowatość szkieletu może być zmienna w obszarze
kształtki stykowej, co pociąga za sobą zmienny stopień nasycenia. W ten sposób uzyskuje się
żądany rozkład właściwości mechanicznych i cieplno-elektrycznych w zestyku, podobnie jak
w przypadku struktury wielowarstwowej.
Materiały na styki zestyków ślizgowych, zwane potocznie materiałami szczotkowymi dzieli
się na:
— elektrografitowe (surowce: sadza, koks naftowy, koks pakowy, koksy specjalne, grafit
naturalny i sztuczny, tzw. elektrografit);
— metalografitowe (mieszanina metali i grafitu);
— węglowo-grafitowe i węglowe (mieszanina grafitu i surowców węglowych);
— grafitowe (grafit naturalny lub sztuczny i niewielka ilość dodatków).
Do podstawowych właściwości materiałów szczotkowych zalicza się: masę właściwą,
rezystywność, twardość i wytrzymałość mechaniczną, ścieralność, dopuszczalną prędkość
obwodową, dopuszczalną gęstość prądu, spadek napięcia na rezystancji przejścia,
współczynnik tarcia.
1.4 Materiały na ogniwa termoelektryczne
Materiały na ogniwa termoelektryczne (termoelementy), nazywane także materiałami
termoelektrodowymi, odznaczają się stałością charakterystyki temperaturowej, niezbędną
wytrzymałością mechaniczną oraz odpornością na utlenianie. Do tych materiałów należą
zarówno metale szlachetne z grupy platynowców i ich stopy, a także złoto, jak i metale
nieszlachetne z rodziny chromowców (chrom, wolfram, molibden), żelazowców (żelazo,
nikiel) oraz aluminium, miedź i mangan. Wpływ na charakterystykę termoelementu ma nie
tylko rodzaj stykających się metali, lecz także ich czystość i jednorodność struktury.
Konieczna jest zatem stabilizacja właściwości metali tworzących termoelement przez ich
uprzednie wyżarzenie.
W tablicy 2 podano rodzaje materiałów stosowanych najczęściej do wyrobu ogniw
termoelektrycznych oraz ich charakterystyki. Charakterystyki ogniw zamieszczone w
katalogach należy jednak traktować zawsze jako orientacyjne; każdy termoelement wymaga
bowiem odrębnego skalowania. Należy je co pewien czas powtarzać, gdyż występująca
5
dyfuzja stykających się ze sobą materiałów może spowodować znaczne zmiany potencjału
stykowego. Dyfuzja przebiega tym szybciej, im temperatura pracy termoelementu jest
wyższa. Zmiana potencjału stykowego może zostać spowodowana również procesami
korozyjnymi.
Tab. 2. Materiały do wyrobu ogniw.
Ogniwo
Złoto + 1 % kobaltu
Srebro + 1% kobaltu
Konstantan-srebro
Konstantan-miedź
Konstantan-żelazo1)
Konstantan-chromonikielina
Nikiel-chromonikielina
Nikiel-stal niklowa (66% Ni)
Nikiel-węgiel
Chromel-alumel1)
Platyna-platynorod
Platyna-platyna + 4.5% renu + 5.0% rodu
Irydoren-irydorod (10%)
Rod-platynorod (10%)
Silit-węgiel
1)
Chromel 89%Ni + 10%Cr + 1%Fe, Alumel
94,5%Ni + 2%Al +1%Si + 2,5%Mn.
1.5 Termobimetale
Termobimetal wykonuje się przez spojenie pod wysokim ciśnieniem, a następnie
walcowanie płyt dwóch metali o różnej rozszerzalności cieplnej. Pod wpływem temperatury
termobimetal ulega odkształceniu na skutek różnicy rozszerzalności. Dzięki tej właściwości
jest stosowany na elementy termoregulacyjne w obwodach elektrycznych. Termobimetale
dają się obrabiać plastycznie. Najczęściej stosowanym zestawem materiałów tworzących
termobimetale jest nikiel ze stopem żelaza z niklem, noszącym nazwę inwar.
6
Tab. 3. Właściwości najczęściej stosowanych termobimetali.
Skład bimetalu
materiał o
małej
wydłużalności
materiał o
dużej
wydłużalności
Wygięcie
Najwyższa
właściwe
temperatura
*10-2
pracy ciągłej
mm/(mm*K)
°C
Rezystywność
μΩ*m
20°C
200°C
36% Ni + Fe
36% Ni + Fe
Ni
Ni + Mn + Fe
0,097
0,128
200
500
0,154
0,7
0,27
0,87
36% Ni + Fe
20% Ni + 6%
Mo + Fe
0,17
250
0,8
0,93
Fe
20% Ni + 6%
Mo + Fe
0,06
500
0,32
0,84
Fe
30% Ni + Fe
mosiądz
mosiądz
0,05
0,143
150
150
0,09
0,11
0,23
0,24
1.6 Luty (spoiwa)
Do łączenia metali stosuje się luty — stopy metali o temperaturze topnienia niższej niż
temperatura łączonych metali. Rozróżnia się luty miękkie — o temperaturze topnienia niższej
niż 400°C i luty twarde — o temperaturze topnienia wyższej niż 700°C. Połączenia wykonane
lutami miękkimi mają wytrzymałość na rozciąganie 20÷78 MPa, lutami twardymi zaś —
200÷490 MPa. Do połączeń elektrycznych stosuje się zarówno luty miękkie, jak i twarde.
Temperatura topnienia lutów powinna być o ok. 150°C niższa niż temperatura topnienia
łączonych metali. Luty miękkie stosuje się do połączeń szczelnych, a luty twarde — do
połączeń szczelnych i przenoszących obciążenia. Zakres zastosowań i właściwości niektórych
lutów podano w tab. 4.
7
Tab. 4. Właściwości niektórych lutów i ich zastosowania.
Rodzaj lutów
Cecha
Skład
Temperatura
topnienia °C
Zastosowanie
LC10
9÷10% Sn
0,6% Sb reszta
Pb
268÷299
łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie
żarówek
LC30A2
29÷30% Sn
1,4÷1,8% Sb
reszta Pb
185÷250
łączy miedź, stal; lutowanie połączeń
pracujących w podwyższonych
temperaturach; lutowanie uzwojeń
silników elektrycznych
183÷238
łączy miedź, mosiądz, stal; pobielanie i
lutowanie elementów aparatury
elektrotechnicznej
185÷231
łączy miedź i stal; lutowanie uzwojeń
silników elektrycznych
183÷216
łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie
uzwojeń i drobnych części mosiężnych
183÷190
łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie
elementów z pokryciami cynowymi,
cynowo-ołowiowymi, kadmowymi,
cynkowymi i srebrnymi
Luty twarde
Luty miękkie
LC40
cynowoołowiowe
LC40A2
39÷40% Sn
0,2÷0,5 Sb
reszta Pb
39÷40% Sn
1,8÷2,4% Sb
reszta Pb
LC50
49÷50% Sn
reszta Sb
LC60
59÷61% Sn
16÷20% Sb
reszta Pb
LC63
62,5÷63,5% Sn
reszta Pb
183
łączy miedź, mosiądz i stal; kąpielowe
lutowanie połączeń elektrycznych w
elektronice, cynowanie końcówek i
płytek obwodów drukowanych
kadmowe
-
83% Cd
17% Zn
260
łączy stopy cynku i aluminium
brązowe
SBK31
2,8÷3,5% Si
1,0÷1,5% Mn
reszta Cu
1015
łączy miedź, brąz i stopy niklu;
spawanie elementów przyrządów
elektrotechnicznych
miedziane
SMS1
0,5÷1,0% Ag
reszta Cu
1070
łączy miedź, stal i spieki; spawanie
przewodów elektrycznych
LS70
69÷71% Ag
24÷26 Cu
reszta Zn
715÷770
lutowanie połączeń o małej rezystancji,
wykonanych z niklu, stopów niklu,
miedzi i stopów miedzi
LS71F
70,5÷71,5% Ag
0,8÷1,2 P reszta
Cu
645÷795
lutowanie styków elektrycznych
srebrne
8
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z podstawowymi materiałami
elektrotechnicznymi i elektronicznymi.
3. Opis stanowiska
W skład stanowiska badawczego laboratorium wchodzą:
1. Mikroskop metalograficzny.
2. Próbki z wykonanymi zgładami metalograficznymi materiałów elektronicznych i
elektrotechnicznych.
4. Wykonanie ćwiczenia
1. Dokonać obserwacji mikroskopowych próbek udostępnionych przez
prowadzącego.
2. Sporządzić rysunki obserwowanych struktur.
5. Sprawozdanie
1. Cel ćwiczenia.
2. Wstęp teoretyczny.
3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu:
materiał,
stan materiału,
struktura,
powiększenie,
trawienie.
4. Uwagi i wnioski
6. Literatura
1. R. W. Kelsall, I. W. Hamley, M. Geoghegan: Nanotechnologie. WN PWN, Warszawa
2008
2. Z. Celiński: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 2005
3. L. A. Dobrzański: Metalowe materiały inżynierskie. WNT, Warszawa, 2004
4. Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka. WNT, Warszawa 1996-97
9