Politechnika Łódzka

Wydział Mechaniczny

Instytut Inżynierii Materiałowej

LABORATORIUM

NAUKI O MATERIAŁACH

Ćwiczenie nr 13

Temat: Materiały stosowane w elektrotechnice i elektronice.

Łódź 2010

1

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 Skład ϱ g/cm3 γ MS/m α K

-1 Rr MPa

Miedź 99,95% Cu 8,9 54÷58 0,0039 220

Brąz Cu + 0,1% Mg lub Cu + (0,2÷1%) Cd 8,9 48 0,004 500÷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

8,9 18 0,004 660÷740 Cu + 1,2% Sn + 1,2 Zn

Aluminium 99,5% Al 2,7 36 0,0041 120

Stop aluminiowo-

magnezowo-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

2

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 stalowo-

aluminiowymi 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;

3

— 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.

4

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

5

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

6

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.

7

Tab. 3. Właściwości najczęściej stosowanych termobimetali.

Skład bimetalu

Wygięcie

właściwe

*10-2

mm/(mm*K)

Najwyższa

temperatura

pracy ciągłej

°C

Rezystywność

μΩ*m

materiał o

małej

wydłużalności

materiał o

dużej

wydłużalności

20°C 200°C

36% Ni + Fe Ni 0,097 200 0,154 0,27

36% Ni + Fe Ni + Mn + Fe 0,128 500 0,7 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 mosiądz 0,05 150 0,09 0,23

30% Ni + Fe mosiądz 0,143 150 0,11 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.

8

Tab. 4. Właściwości niektórych lutów i ich zastosowania.

Rodzaj lutów Cecha Skład Temperatura

topnienia °C Zastosowanie

Luty

mię

kk

ie

cynowo-

ołowiowe

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

LC40

39÷40% Sn

0,2÷0,5 Sb

reszta Pb

183÷238

łączy miedź, mosiądz, stal; pobielanie i

lutowanie elementów aparatury

elektrotechnicznej

LC40A2

39÷40% Sn

1,8÷2,4% Sb

reszta Pb

185÷231 łączy miedź i stal; lutowanie uzwojeń

silników elektrycznych

LC50 49÷50% Sn

reszta Sb 183÷216

łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie

uzwojeń i drobnych części mosiężnych

LC60

59÷61% Sn

16÷20% Sb

reszta Pb

183÷190

łączy miedź, mosiądz i stal; lutowanie

elementów z pokryciami cynowymi,

cynowo-ołowiowymi, kadmowymi,

cynkowymi i srebrnymi

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

260 łączy stopy cynku i aluminium 17% Zn

Lu

ty t

war

de

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

srebrne

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

9

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