Materijali u elektrotehničkim proizvodima

1. ELEKTROTEHNIČKI SUSTAVI I TEHNOLOGIJA Materijali u elektrotehničkim proizvodima Uvod Tehnologija elektrotehničkih materijala Primjeri primjene elektrotehničkih materijala Podjela elektrotehničkih materijala Osnovna svojstva Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 03. 10. 2014.

2. Uvod Willendorfska Veneraoko 25 000./20 000. g. pr. Kr.VapnenacNaturhistorisches Museum, Beč Paleolitičko kremeno koplje kojeg su ljudi koristili za lov i borbu.

3. Uvod Tiskarska presa, 1811. god. Kotač je izumljen 4000 god p.k.

4. Uvod Lansiranje Space Shutlea Discovery iz svemirskog centra Kennedy. 4

5. Uvod Bušmani, narod nastanjen na jugozapadu Afrike, u pustinji Kalahari 5

6. Tehnologija elektrotehničkih materijala • Tehnologija elektromaterijala ili elektrotehnologija je poddisciplina tehnologije vezana uz elektrotehničke materijale i proizvode. • Elektrotehnički materijali su svi oni materijali koji ulaze u električne proizvode, a u užem smislu to su oni materijali, koji svojim svojstvima omogućuju optimalno djelovanje električnih i elektromagnetskih pojava. • Osnovna područja kojima se bavi tehnologija elektromaterijala su: • metode i postupci proizvodnje elektromaterijala • izbor i ispitivanje materijala • ugradnja materijala (proizvodnja proizvoda) • ispitivanje proizvoda glede uvjeta okoliša • zbrinjavanje istrošenih proizvoda

7. Ilustrativni primjeri primjene elektrotehničkih materijala • rotacijski strojevi, transformatori, sklopni aparati, nadzemni energetski vodovi, kabeli, akumulatori itd • aktivne i pasivne komponente, tiskane pločice, elektronički sklopovi i uređaji, baterije • antene, svjetlovodi, visokofrekvencijski sklopovi i uređaji • računala, računalne mreže i računalni centri • mikrokomponente i nanokomponente

8. Elektrotehnički proizvodi – rotacijski strojevi

9. Elektrotehnički proizvodi - transformatori

10. Elektrotehnički proizvodi – sklopni aparati

11. Elektrotehnički proizvodi – nadzemni vodovi, kabeli

12. Poluvodičke komponente Oblici silicijskih pločica Učinske diode, tiristori i tranzistori u zalivenim modulima

13. Pasivne komponente Otpornici Kondenzatori

14. Elektronički sklopovi, elektronički učinski pretvarači

15. Složeni elektrotehnički proizvodi

16. Složeni elektrotehnički proizvodi

17. Podjela elektrotehničkih materijala • Sa stanovišta elektrotehnike u elektrotehničkom proizvodu su tri suštinska dijela: • električki, koji provodi struju (na različite načine, raznih veličina i frekvencija) • magnetski, koji provodi magnetski tok • izolacijski • Osim tih dijelova postoje i: • konstrukcijski dijelovi (čiji je zadatak da aktivne dijelove povežu u kompaktnu cjelinu) • pomoćni (podmazivanje, hlađenje, zaštita od korozije...) 17

18. Kriteriji izbora materijala • Osnovni kriteriji pri izboru materijala za ugradnju u elektrotehnički proizvod su: • funkcionalni (električki, magnetski, izolacijski zahtjevi) • mogućnosti obrade materijala • ponašanje materijala u zadanim tehnoklimatskim uvjetima • Materijali se biraju s obzirom na sve navedene uvjete ali često se moraju činiti i kompromisi. Na međunarodnom nadmetanju za izgradnju dalekovoda Balti - Pussi 330 kV u Estoniji, naručitelja Estonian Main Grid po sistemu "ključ u ruke" posao je dobila tvrtka Empower koja je, nakon prikupljanja ponuda za isporuku ovjesne opreme, posao dodijelila Dalekovod-u d.d. Duljina voda je 216 km naponske razine 330 kV, s tri vodiča u snopu... Potrebno je naglasiti da se radi o zahtjevnom poslu obzirom na teške klimatske uvjete (niske temperature, obilat snijeg i led) te je bilo nužno primjeniti poseban dizajn te materijale i opremu koji će bez poteškoća funkcionirati u takvim vremenskim uvjetima. 18

19. Materijali za električne vodiče Za izradu vodiča biraju se materijali koji dobro vode električnu struju i toplinu. Električna provodnost im je veća od 105 S/m. Obično su to metali (Cu, Al, Fe, njihove slitine, meki čelik itd) - vodiči I. vrste. U ovoj skupini su i specijalni vodljivi materijali za električne kontakte, termobimetale, termoelemente, rastalne osigurače itd. U ovu skupinu ubrajaju se i otporni materijali s visokom električnom otpornošću (0,2 – 1,6 mm2/m) Elektroliti su također vodljivi materijali. To su tekućine u kojima su otopljeni različiti kemijski spojevi, kiseline, lužine, soli – vodiči II. vrste.

20. Materijali za magnetske krugove Za izradu magnetskih krugova biraju se materijali koji dobro vode magnetski tok. To su feromagnetski materijali. • Dijele se na: • tvrde magnetske materijale • meke magnetske materijale • Glavni feromagnetski materijali su: • željezo • kobalt • nikal • njihove slitine i oksidi

21. Materijali za električne izolatore Za izradu električne izolacije koriste se izolatori ili dielektrici. Zadatak ovih materijala je da razdvajaju vodiče tj. točke različitog potencijala. To su materijali s visokom električnom otpornošću (106 – 1018m). • U skupinu izolatora ubrajaju se npr.: • polietilen • PVC • silikonska guma • kvarcno staklo • poliuretan • porculan • destilirana voda • drvo • vakuum (koji se smatra idealnim izolatorom), itd

22. Poluvodički materijali • Poluvodički materijali služe za izradu aktivnih poluvodičkih komponenata. Imaju visoku električnu otpornost (od nekoliko desetaka do nekoliko stotina tisuća mm2/m). Temperaturni koeficijent otpora im je negativan. • Najpoznatiji materijali iz ove skupine su: • slicij (Si) • germanij (Ge) • silicijev karbid • selen • oksidi bakra, cinka, urana • srebrni sulfid (Ag2S) • talijev sulfid (TaS) • titanov oksid

23. Poluvodički materijali Ovim materijalima su dodane određene količine trovalentnih ili peterovalentnih elemenata kako bi se u kombinaciji s metalom i izolatorom dobile različite aktivne poluvodičke komponente. 23

24. Podjela materijala prema kemijskom sastavu • Materijali u elektrotehničkim proizvodima razlikuju se po kemijskom podrijetlu: • osnovni kemijski elementi • kemijski spojevi • slitine (legure)* • umjetni spojevi i složeni materijali Slitine nastaju taljenjem ili sinteriranjem. Sinteriranje je stapanje razmrvljenih tvari u čvrstu masu grijanjem (bez taljenja) i pod određenim pritiskom.

25. Umjetni spojevi i složeni materijali • keramike su spojevi metala i nemetala • polimeri su organski spojevi bez metala • kompozitni materijali su spojevi metala, keramika i/ili polimera • biomaterijali služe zamjeni ljudskog tkiva i izradu proteza • pametni materijali se prilagođavaju promjenama u okolini • nano materijali omogućavaju stvaranje smislenih struktura na razini atoma ili molekula

26. Umjetni spojevi – biomaterijali, pametni materijali Primjer biomaterijala je hidroksiapatitna keramika (HA) koja se koristi kao biomaterijal pogodan za zamjenu koštanog tkiva zbog izvrsne biokompatibilnosti itd. Intezivno se koristi u stomatologiji i ortopediji. Pod pojmom “pametni” misli se na materijale koji mijenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva pod djelovanjem okolnih uvjeta (temperature, mehaničkog naprezanja, kemijskog djelovanja, električnog ili magnetskog polja, svjetlosti i dr.). Drvo je primjer pametnog prirodnog materijala – drvo je sposobno samo ojačati pod djelovanjem mehaničkog opterećenja ili ozdraviti ako dođe do oštećenja.

27. Nazivlje - pojmovi Materija Tvar Materijal

28. Opća fizikalna svojstva • Materija se u prirodi javlja u tri* osnovna agregatna stanja; krutom, tekućem i plinovitom. Električni vodiči i izolatori mogu biti u krutom, tekućem i plinovitom stanju. • Krute tvari definira stalan oblik i obujam. Kod većine krutih tvari atomi, molekule ili ioni su pravilno raspoređeni unutar kristalne strukture (kristalna slagalina). Krute tvari mogu biti i u amorfnom stanju. • Tekućine definira stalan obujam i promjenjiv oblik. • Plinovito agregatno stanje definira promjenjivost oblika i obujma. * Kada se na vrlo visokim temperaturama ionizirani plin izvrgava utjecaju jakog magnetskog polja plin poprima četvrto agregatno stanje – plazma. Peto agregatno stanje je kvark gluon plazma.

29. Opća fizikalna svojstva • Između agregatnih stanja prelazi se dovođenjem ili odvođenjem topline: • kondenzacija – prelazak iz plinovitog u tekuće agregatno stanje • kristalizacija – prelazak iz tekućeg ili plinovitog u kruto agregatno stanje • taljenje – prelazak iz krutog u tekuće agregatno stanje • isparavanje – prelazak iz tekućeg u plinovito agregatno stanje • sublimacija – prelazak iz krutog u plinovito agregatno stanje • resublimacija – prelazak iz plinovitog u kruto agregatno stanje

30. Opća fizikalna svojstva • Gustoća je odnos mase i obujma materijala, koji se izražava u g/cm3 , kg/m3, t/m3. Gustoća se mijenja s promjenom temperature. • Talište, područje taljenja, točka omekšanja, mjeri se u 0C, predstavlja općenito granicu između krutog i tekućeg stanja materijala. • Vrelište, mjeri se u 0C, predstavlja granicu između tekućeg i plinovitog stanja. • Kapljište, mjeri se u 0C, je temperatura na kojoj tvar prelazi iz plinovitog u tekuće stanje • Viskoznost, mjeri se stupnjevima Englera, izražava se odnosom vremena istjecanja ulja ili laka iz standardizirane posude i vremena istjecanja iste količine vode. • Higroskopnost (%) – je sposobnost apsorbiranja vlage iz zraka.

31. Opća fizikalna svojstva Prema sastavu: Homogene tvari, bez obzira da li su nastale miješanjem više tvari, karakterizira jedinstvo kemijskih i fizikalnih svojstava. Heterogene tvari su mješavina različitih homogenih tvari od kojih svaka unutar smjese zadržava svoja svojstva.

32. Opća fizikalna svojstva Prema strukturi: Amorfni materijali (gr. amorphos – bez forme) su materijali s nepravilnim rasporedom atoma i atomskih grupa (bez periodičnosti strukture). Kristalični materijali su materijali s pravilnim rasporedom atoma odnosno molekula. Strukturni elementi ovakvih materijala su oblika paralelopipeda koji je određen duljinama stranica i kutovima između njih. Kod izotropnih materijala su svojstva kristalne tvari podjednako izražena u pravcima svih kristalografskih osi. I amorfni materijali su izotropni. Kod anizotropnih materijala svojstva kristalne tvari nisu podjednako izražena u pravcima svih kristalografskih osi.

33. Električna svojstva • Električna svojstva koja su uglavnom važna za karakterizaciju materijala za izradu vodiča, otpornika, kontakata itd. su: • električna otpornost (provodnost) • temperaturni koeficijent električne otpornosti

34. Električna svojstva • Električna otpornost () je svojstvo materijala koje se očituje pri prolasku električne struje. Za pravilan i dug vodič od homogenog materijala  jekoeficijent razmjernosti između električnog otpora R i izmjera vodiča u sljedećoj jednadžbi: • gdje je: • l – duljina vodiča • S - presjek vodiča • Mjerna jedinica za električnu otpornost je m2/m = m. To je velika jedinica, pa se često upotrebljava jedinica mm2/m.

35. Električna svojstva • Električna otpornost ovisi o čistoći materijala. • Čisti metali tvore pravilne kristalne slagaline koje pružaju najmanji otpor. Ako ima primjesa (metalnih ili nemetalnih), kristali se deformiraju, a otpornost povećava. • Slitine imaju veću električnu otpornost ako elementi pri skrućivanju zajednički kristaliziraju tako da se atomi jednog elementa ugrađuju između atoma drugog elementa (bilo uključivanjem ili supstitucijom) – kristalni mješanci. Ovisnost električne otpornost o čistoći materijala.

36. Električna svojstva • Električna otpornost ovisi i o mehaničkoj obradi. • Hladna obrada metala valjanjem, kovanjem, izvlačenjem itd. utječe na promjenu električne otpornosti (meki i tvrdi Cu, Al, Ni). Pod djelovanjem sile kod takve obrade deformira se kristalna slagalina, a to izaziva povećanje električne otpornosti. • Empirijska podjela materijala po električnoj otpornosti je: • izolatori  1012mm2/m • poluvodiči 10 do 1012mm2/m • vodiči (metali)  10 mm2/m

37. Električna svojstva • Temperaturni koeficijent električne otpornosti ()je mjera promjene električne otpornosti tvari s temperaturom. Električna otpornost na temperaturi T izražava se: • gdje je 0 otpornost pri temperaturi T0 (K). • Jedinica za temperaturni koeficijent otpornost je K-1. • Temperaturni koeficijent otpornosti je stalan samo u užem temperaturnom području.

38. Električna svojstva Temperaturni koeficijent otpornosti ovisi i o čistoći materijala. Čisti metali imaju relativno visok koeficijent, dok je kod slitina manji, a katkada može poprimiti i negativne vrijednosti. Ovisnost temperaturnog koeficijenta električne otpornosti o čistoći materijala. 38

39. Električna svojstva • Električna provodnost ()je recipročna vrijednost električne otpornosti. Za pravilan i dug vodič od homogenog materijala  jekoeficijent razmjernosti između električne vodljivosti G i izmjera vodiča u jednadžbi: • Jedinica za električnu provodnost je S/m ili Sm/mm2. • Električnu provodnost je zgodnije upotrebljavati kod materijala koji se koriste za izradu vodiča, a električnu otpornost kod materijala za izradu otpornika. Starij naziv za električnu otpornost je specifični električni otpor a za električnu provodnost specifična električna vodljivost. 39

40. Magnetska svojstva • Magnetska svojstva karakteriziraju ponašanje materijala u magnetskom polju. Obzirom na njihovu specifičnost, bit će iznesena u svezi s razmatranjima magnetskih materijala.

41. Mehanička svojstva • Mehanička svojstva materijala opisuju vezu između odziva tj. deformacije materijala i pobude tj. opterećenjana materijal. • Potrebno je znati kako se različita mehanička svojstva mjere i što rezultati mjerenja predstavljaju. • Najznačajnija mehanička svojstva materijala su: • čvrstoća • elastičnost • plastičnost • duktilnost • rastezljivost • žilavost • tvrdoća • prekidna dužina

42. Mehanička svojstva • Čvrstoća je sposobnost materijala da se opire vanjskoj sili koja mu nastoji promijeniti oblik, npr. da ga rastegne, sabije, izvije, uvije, prereže itd. • Razlikuje se čvrstoća na vlak, tlak, izvijanje, savijanje,itd. i predstavlja silu F (N) koju materijal može podnijeti po jedinici presjeka A0 (mm2, m2 ) prije razaranja.

43. Mehanička svojstva • Primjerice; kod čvrstoće na vlak, odnos sile F kod koje dolazi do prekida materijala i presjeka materijala A0 je stalan. Taj odnos predstavlja unutrašnje naprezanje u materijalu u trenutku prekida i naziva se prekidna čvrstoća :  = F/A0 (N/m2) • Za ispitivanje čvrstoće materijala na vlak koriste se posebni strojevi – statičke kidalice. • Ispitivanja se provode na definiranim uzorcima uz zadanu brzinu opterećenja (N/s) i temperaturu. 43

44. Mehanička svojstva • Na ovakav način izmjerene krivulje prikazuju tri karakteristična područja ponašanja materijala: • elastičnu deformaciju • plastičnu deformaciju • klonulost materijala Elastičnost je sposobnost deformiranog materijala da se nakon rasterećenja vrati u prijašnji oblik – to je otpornost materijala prema deformiranju. Kod elastične deformacije je naprezanje u materijalu proporcionalno (linearno) s deformacijom. 44

45. Mehanička svojstva Većina metala, naprezana vlakom, pri relativno niskim razinama, ima proporcionalan odnos naprezanja i deformacije – Hookovo pravilo: Gdje je:  naprezanje EYoungov modul elastičnosti  deformacija Youngov modul elastičnosti je odnos naprezanja prema istezanju u području elastične deformacije. Modul elastičnosti može se promatrati kao krutost ili otpornost materijala elastičnoj deformaciji. Što je veći modul elastičnosti, to je materijal krući. 45

46. Mehanička svojstva Postoje materijali čiji je odnos naprezanja i deformacija nelinearan (sivo lijevano željezo, beton, polimeri), te nije moguće odrediti modul elastičnosti. Za takva nelinearna ponašanja koriste se tangenta i sekanta. Modul tangente predstavlja nagib krivulje naprezanja-deformiranja na specifičnoj razini naprezanja, dok modul sekante predstavlja nagib sekante od početne točke do neke zadane točke na σ-єkrivulji. 46

47. Mehanička svojstva Za mnoge materijale je maksimalna deformacija pri kojoj oni ostaju elastični jednaka  = 0,005. Ako se materijal deformira iznad te točke, Hookeov zakon prestaje vrijediti, te se trajno i bez vraćanja u prvobitno stanje materijal deformira, tj. postaje plastičan. • Plastičnost je sklonost materijala deformiranju. • Tipično ponašanje metala u elastičnom i plastičnom dijelu krivulje naprezanje-deformacija. 47

48. Mehanička svojstva • Iz izmjerenih krivulja naprezanje-deformacija također je moguće odrediti: • granicu popuštanja • čvrstoću popuštanja • Za metale kod kojih postoji postepena promjena iz elastičnosti u plastičnost, granica popuštanja može se odrediti preko početnog odstupanja od linearnosti na krivulji naprezanje-deformacija (točka P). • Dopušteno naprezanje materijala u uređajima i aparatima smije iznositi samo jedan dio granice popuštanja (npr. šestinu za metale, a desetinu za drvo). • Npr. kod dubokog izvlačenja limova moraju sile biti takve da prelaze granicu popuštanja, a da ne pređu prekidnu čvrstoću.

49. Mehanička svojstva Čvrstoća popuštanja je mjera otpornosti materijala na plastičnu deformaciju.Određuje se kao sjecište krivulje naprezanje-deformacija i pravca paralelnog s elastičnim dijelom krivulje na specifičnom dijelu osi deformacije (najčešćeє=0,002). Za metale se čvrstoća popuštanja kreće od 35 MPa za slabo čvrsti aluminij do 1400 MPa za jako čvrste čelike. Neki čelici i drugi materijali imaju vlačnu krivulju naprezanje-deformacija prema sljedećoj slici. Kod takvih materijala prijelaz između elastičnosti i plastičnosti je nagao i naziva se fenomenom točke popuštanja.

50. Mehanička svojstva Nakon popuštanja, naprezanje u metalima nužno nastavlja plastičnu deformaciju rastući do maksimuma, točke M, i tada se smanjuje do eventualnog loma, točke F. Čvrstoća u točki M naziva se maksimalnom vlačnom čvrstoćom. Ona varira od 50 MPa za alumunij do 3000 MPa za čelik. 50