Materijali za elektrotehničke proizvode

MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Materijali za elektrotehničke proizvode Podjela vodljivih materijala Svojstva vodljivih materijala Metali velike električne provodnosti Bakar i legure bakra Ak. god. 2012/2013 Zagreb, 19.10.2012.

Podjela vodljivih materijala • Vodljivi materijali se mogu podijeliti prema više kriterija: • veličini električne provodnosti • sastavu (čiste metale i legure) • položaju u periodnom sustavu elemenata (alkalni i zemnoalkalni) • strukturi elektronskog omotača • boji (crni i obojani) • temperaturi taljenja (teško i lako taljivi) • primjeni (vodiči, električni kontakti, elektrode) • Prema vrsti nosilaca naboja vodljivi materijali se dijele na: • vodiče prvog reda (metali i slitine) • vodiče drugog reda (elektroliti) 2

Podjela vodljivih materijala • Kod vodiča prvog reda slobodni elektroni su nosioci naboja. Kod elektrolita ioni su nosioci naboja. • Vodiči prvog reda se uglavnom koriste u polikristalnom stanju. Mehanička svojstva ovih materijala su bitno određena mehaničkom i termičkom obradom. • Vodiči prvog reda mogu se podijeliti na: • metale velike električne provodnosti • metale male električne provodnosti • specijalne vodljive materijale • otporne legure

Podjela vodljivih materijala Metali velike električne provodnosti (bakar, aluminij , srebro i zlato) imaju najmanju električnu otpornost (ρ ~10-8 Ωm) i zato se koriste za izradu vodiča. Metali male električne provodnosti (nikal, željezo, kositar, olovo, molibden, volfram, cink, itd.) imaju veću električnu otpornost (ρ ~ 10-7 Ωm) i posebne primjene u elektrotehnici. Specijalni vodljivi materijali su oni koji se koriste u izradi električnih kontakata, termoelektričnih parova, rastalnih osigurača, nelinearnih otpornika, galvanskih elemenata i akumulatora. Otporne legure (kantal, cekas, manganin, konstantan, itd.) od svih vodiča imaju najveću električnu otpornost (ρ ~ 10-6 Ωm), zbog čega se koriste za izradu otpornika i grijača.

Svojstva vodljivih materijala • Osnovna svojstva koja karakteriziraju vodiče prvog reda za primjenu vođenja električne struje su: • električna provodnost (otpornost) • temperaturni koeficijent električne otpornosti • toplinska provodnost • mehanička i tehnološka svojstva (obradivost) • Vodiči drugog reda, poluvodiči kao i vodiči prvog reda ukoliko se koriste u druge svrhe karakteriziraju se drugim svojstvima.

Električna provodnost Prethodno su objašnjeni mehanizmi vođenja struje u vodičima prvog reda pomoću metalne veze, slobodnih elektrona i energijskih pojaseva. Koncentracija slobodnih elektrona u vodljivim materijalima približno je jednaka koncentraciji atoma ( 1028 m-3) i nije ovisna o temperaturi. Bez električnog polja elektroni se gibaju kaotično. Uz djelovanje električnog polja elektroni se gibaju usmjereno. Srednja brzina elektrona vsrje:

Električna provodnost gdje je: E – električno polje  - pokretljivost elektrona q – apsolutna vrijednost naboja elektrona  - vrijeme života elektrona me – masa elektrona Gustoća električne struje J jednaka je: Gdje je n koncentracija slobodnih elektrona. Ovaj izraz vrijedi u slučaju kada koncentracija elektrona i njihova pokretljivost ne ovisi o jakosti vanjskog električnog polja.

Električna provodnost Slijedi da je: gdje je  električna provodnost. Dakle, kod materijala kod kojih samo elektroni sudjeluju u vođenju struje: Električna otpornost je recipročna vrijednost električne provodnosti: Temperaturna ovisnost električne otpornosti određena je ovisnošću pokretljivosti elektrona o temperaturi.

Temperaturni koeficijent električne otpornosti U idealnom kristalu elektroni bi se gibali bez sudara s kristalnom rešetkom. U realnom kristalu postoje temperaturne vibracije atoma i utjecaj ioniziranih atoma primjesa. Ukupna električna otpornost jednaka je zbroju električne otpornosti uslijed sudara s atomima rešetke i električne otpornosti uslijed sudara s ionima primjesa: Vibracije atoma su temperaturno ovisne, te su temperaturno ovisni i sudari elektrona s atomima. Sudaranje elektrona s ionima primjesa ne ovisi o temperaturi. Dakle, temperaturna ovisnost  je određena samo ovisnošću at o temperaturi. Pri nižim temperaturama pokretljivost elektrona u metalima uslijed sudara s kristalnom rešetkom je:

Temperaturni koeficijent električne otpornosti Slijedi za električnu otpornost na nižim temperaturama: gdje je B konstanta materijala. Pri višim temperaturama pokretljivost elektrona u metalima uslijed sudara s kristalnom rešetkom je: Slijedi za električnu otpornost na višim temperaturama: gdje je A konstanta materijala.

Temperaturni koeficijent električne otpornosti Pri višim temperaturama sudaranje elektrona uslijed toplinske vibracije rešetke je jače izraženo i vrijedi: Pri nižim temperaturama ( 100 K) je: Za T 0, BT5  0, pa je: Električna otpornost metala na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli je stalna (zaostala ili rezidualna otpornost).

Temperaturni koeficijent električne otpornosti Na slici je prikazana ovisnost električne otpornosti metala o temperaturi. Na temperaturi taljenja materijala ovisnost odstupa od linearne. Kod metala kod kojih na ovim temperaturama raste obujam povećava se otpornost (npr. živa). Kod metala kod kojih se smanjuje obujam smanjuje se i električna otpornost (npr. Bi). Metal u tekućem stanju gubi osnovne karakteristike kristala. 12

Temperaturni koeficijent električne otpornosti Veličina koja opisuje ovisnost električne otpornosti o temperaturi zove se temperaturni koeficijent električne otpornosti : Temperaturni koeficijent može biti pozitivan i negativan. Kod metala je   0. Kod nekih legura je   0. Primjena ovisnosti električne otpornosti metala o temperaturi je kod otpornog termometra (npr. mjereći otpornost platine mjeri se temperatura). 13

Električna otpornost i temperaturni koeficijent kod metalnih legura Teorijski i eksperimentalno je utvrđeno da se dodavanjem primjesa metalu povećava njegova električna otpornost čak i u slučaju kada primjesni materijal ima manju električnu otpornost od metala kojem se dodaje (rimjerice, dodajući bakru srebro raste otpornost). Za leguru bakra i nikla: Cu = 0,017241 m Ni = 0,06817241 m --------------------------------- 50% Cu + 50% Ni  = 0,52 m Iz navedenih razloga, legure nalaze široku primjenu u izradi žičanih, slojnih i promjenljivih otpornika.

Električna otpornost i temperaturni koeficijent kod metalnih legura I kod legura koncentracija slobodnih elektrona ne ovisi o temperaturi tj . temperaturna ovisnost električne otpornosti dolazi od temperaturne ovisnosti pokretljivosti. Legure mogu imati neuređeni raspored atoma i atomi sastavnih komponenata legure obično se razlikuju u dimenzijama. Utvrđeno je da je ovisnost pokretljivosti elektrona o temperaturi kod većine legura slična ovisnosti pokretljivosti kod čistih metala. S povećanjem temperature pokretljivost se smanjuje, tj. raste električna otpornost (iznimka je manganin). Međutim, kod legura je temperaturni koeficijent otpornosti manji nego kod čistih metala

Električna otpornost i temperaturni koeficijent kod metalnih legura Električna otpornost i druge karakteristike ovise o tome da li je legura čvrsti rastvor, kemijski spoj ili mehanička smjesa. Slika – a) čvrsti rastvor; b) kemijski spoj; c) mehanička smjesa Električna otpornost ima maksimum kod dvokomponentnih čvrstih rastvora kad su obje komponente oko 50% at.

Električna otpornost i temperaturni koeficijent kod metalnih legura Kod kemijskih spojeva uređenost strukture je veća nego u slučaju čvrstog rastvora. Zato je i manja električna otpornost. Promjene otpornosti objašnjavaju se zamjenom metalnih veza s kovalentnom ili ionskom vezom. Kod mehaničke smjese otpornost legure ovisi o otpornosti svake komponente kao i količini pojedinih komponenata u leguri: gdje su: 0, 1 električne otpornosti komponenata C, 1-C količine dodane, odnosno osnovne komponente

Električna otpornost i temperaturni koeficijent kod metalnih legura Ovisnost električne otpornosti i temperaturnog koeficijenta otpornosti od sastava za metalnu leguru; a) čvrsti rastvor dva metala, b) kemijski spoj i c) mehanička smjesa.

Koeficijent toplinske provodnosti Toplina se prenosi kroz vodljive materijale atomima koji vibriraju oko ravnotežnog položaja i slobodnim elektronima. Koeficijent toplinske provodnosti je: Kod metala je el at, te je   el. Kod čistih metala, pri visokim temperaturama koeficijent toplinske provodnosti ne ovisi o temperaturi. Pri nižim temperaturama koeficijent je proporcionalan s 1/T2, a pri vrlo niskim temperaturama (blizu 0 K) koeficijent je proporcionalan s T. Koeficijent toplinske provodnosti kod legura je manji nego kod sastavnih komponenata (kod legura   at).

Koeficijent toplinske provodnosti Između koeficijenta toplinske provodnosti  i električne provodnosti  postoji veza. Metali s većom električnom provodnosti imaju i veći . Potrebno je uočiti konstantan odnos L = /(T) koji se zove Lorencov broj (Widermann Franzov zakon). Ovisnost koeficijenta toplinske provodnosti bakra o temperaturi

Utjecaj mehaničkih naprezanja i toplinske obrade na električnu otpornost metala i legura Mehanička naprezanja u metalu dovode do promjene električne otpornosti. Način promjene ovisi o vrsti naprezanja. Pri ravnomjernom elastičnom sabijanju metala otpornost se smanjuje (volfram reagira suprotno). Atomi se međusobno približavaju i smanjuje se rasutost elektrona. Pri elastičnom istezanju i savijanju razmak između atoma i rasutost elektrona se povećava što dovodi do povećanja električne otpornosti. Plastična deformacija metala i legura također uzrokuje povećanje otpornosti. Uslijed toplinske obrade metala (kaljenja), deformira se kristalna rešetka i raste otpornost.

Utjecaj mehaničkih naprezanja i toplinske obrade na električnu otpornost metala i legura Ovisnost električne otpornosti bakra o temperaturi žarenja (vrijeme žarenja je 1 sat).

Metali velike električne provodnosti i njihove legure Primjena metala velike električne provodnosti u elektroenergetici je za izradu žica izoliranih vodiča i kabela, kao i zračnih vodova. Primjena u elektronici je za izradu vodljivih veza u obliku žica i tankih slojeva. Slijedi tablica s usporednim karakteristikama najvažnijih električnih i toplinskih svojstava metala koji se koriste za izradu vodiča; bakra, aluminija, srebra, zlata, željeza. U nastavku će se detaljnije opisati sve karateristke navedenih metala koje su značajne za njihovu primjenu kao vodiča električne struje. 23

Metali velike električne provodnosti U tablici su zbog usporedbe i karaktersitike željeza iako ne spada u metale velike električne provodnosti. 24

Bakar Elementarna ćelija ili osnovni strukturni element kristala bakra je površinski centrirana kubična slagalina, gdje svakom čvoru odgovara po jedan atom. • Bakar, Cu, je metal sjajne crvenkaste boje. U prirodi se nalazi u spojevima: • halkopirit (CuFeS2) (oko 80% svjets. proizv.) • halkantit (CuSO4.5H2O) • brohantit (Cu4(SO4)(OH)4) • halkozin (Cu2S) • kovelin (CuS) • kuprit (Cu2O) 25

Bakar • Proces dobivanja bakra dijeli se na dvije faze: • dobivanje sirovog bakra • pročišćavanje sirovog bakra • Proizvodnja bakra polazi žarenjem rude da bi se dobio koncentrat rude. Nakon toga se obavlja redukcija ugljika da bi se dobio bakreni kamen. • Preradom bakrenog kamena dobiva se sirovi bakar. • Pročišćavanje se obavlja taljenjem ili elektrolizom. Ovisno o načinu dobivanja razlikuju se dvije vrste rafiniranog bakra: • piro-metalurški rafinirani bakar • elektro-metalurški rafinirani bakar 26

Bakar • Osnovna fizikalna i tehnološka svojstva bakra dana su u sljedećoj tablici. 27

Bakar Električna provodnost: Poslije srebra bakar je najbolji vodič električne struje. Bakar je i dobar vodič topline. Električna provodnost ovisi o postotku primjesa i nečistoća, te o ugnječenosti i stupnju rekristaliziranja. Kisik unutar bakrenog oksidula Cu2O (0,02-0,04 %) povoljno djeluje na vodljivost jer na sebe veže druge primjese. Veće količine kisika su štetne. Da se dobije Cu bez kisika pri taljenju katodnog bakra tali se u atmosferi CO2. Elektrolitski bakar je najčišći bakar, normom je definirana vodljivost od 58 Sm/mm2 kao 100% vodljivost. 28

Bakar • Utjecaj primjesa na električnu otpornost bakra: • Cd, Zn, Ag imaju mali utjecaj na električnu otpornost • Ni, Sn, Al imaju srednji utjecaj na električnu otpornost • Be, Cr, As, Si, Co, Fe, P imaju veliki utjecaj na električnu otpornost

Bakar • Tehnološka i mehanička svojstva: Bakar je relativno tvrd metal a njegova se tvrdoća može povećati žarenjem, deformacijom ili legiranjem. • Bakar je gnječiv u hladnom i u vrućem stanju, te se dobro valja, kuje, preša, istiskuje i izvlači u tanke žice (nije za ljevanje). Dobro se legira. • Visoka plastičnost bakra omogućava izvlačenje bakra na hladno u vrlo tanke žice ili valjanjem u tanke listove. • Slabije se obrađuje postupcima u kojima se skida strugotina (lijepi se za alat). Dobro se spaja lemljenjem (kositrenim mekim i tvrdim, mjednim i srebrenim lemovima kao i čistim srebrom) i zavarivanjem (ne elektrootpornim , već elektrolučnim i plinskim) • U rastaljenom stanju bakar upija plinove: O2, H2, N2, CO, CO2, SO2, vodenu paru itd., koje pri hlađenju otpušta pa ostaje šupljikav. 30

Bakar Kemijska svojstva: Bakar na zraku oksidira i prekriva se zelenkastim plaštem koji ga štiti od dalje oksidacije pa njegova otpornost na koroziju zadovoljava. Oksidiranje se ubrzava pri višim temperaturama (iznad 400 0C). Reagira sa sumporom tvoreći modru galicu CuSO4 koja se ljušti s površine pa se korozija nastavlja (kada se prekriva gumom treba ga pokositriti). Tekstura: Veličina primarnog zrna bakra, njegova usmjerenost i razmještaj nečistoća naziva se teksturom bakra. Razlikuju se lijevana, gnječena i žarena tekstura, koje se mogu prevoditi jedna u drugu. Slobodnom kristalizacijom od rastaljenog bakra nastaje lijevana tekstura. Primarna zrna čistog bakra nastaju na mnogo mjesta. Bakar se na tim mjestima slaže u plošno centrirane kubične slagaline. U svakom zrnu klizni pravci i ravnine imaju posebne orijentacije. Primarna zrna su ograđena mješavinom kristalića bakra i bakrenog oksidula i drugih nečistoća što slabi vezu između primarnih zrna. 31

Bakar 32

Bakar Osobitost lijevane teksture je krupno i neorijentirano zrno, obavijeno sitnim kristalima Cu i Cu2O s prekidnom čvrstoćom od 200 N/m2. Rastezljivost je približno 15%. Lijevana tekstura se hladnim gnječenjem prevodi u sitnu, usmjerenu gnječenu teksturu ili toplim gnječenjem u žarenu teksturu. Gnječena tekstura ima sitno i usmjereno zrno s izdvojenim Cu20. Zbog toga su čvrstoća i tvrdoća povećane, a vodljivost smanjena. Zbog manjeg zrna rastezljivost je minimalna. Žarenjem na 200-500 0C tekstura se prevodi u žarenu ili pregrijavanjem u lijevanu teksturu. Žarena tekstura gubi usmjerenost zrna koje postaje osrednje veličine. Cu2Oje i dalje izdvojen. Ova tekstura omogućava najbolji odnos vodljivosti i rastezljivosti, a čvrstoća i tvrdoća se smanjuju.

Bakar Vodikova bolest bakra: Ako bakar pri temperaturi većoj od 500 0C dođe u dodir s H2 i CO dolazi do ove “bolesti”. Kako bakar upija ove plinove oni dolaze u dodir s kisikom iz Cu20. Vodik se spaja u vodenu paru H20, a CO prelazi u CO2. Dobivaju se troatomske molekule koje ne mogu “iscuriti” iz bakra već ekspandirajući slabe veze između čestica bakra. Bakar puca, kao da je istrunuo. Ova se pojava javlja pri plinskom (acetilenskom) zavarivanju, jer u acetilenu ima i H2 i CO2, zato bakar treba biti što čistiji što je tanji, a zavarivati treba s što više kisika kao bi H2 i CO bolje izgarali. • Utjecaj temperature na osobine bakra: Ovisnost električne otpornosti od temperature i ovisnost koeficijenta linearnog širenja bakra od temperature prikazane su na sljedećim slikama.

Bakar Ovisnost električne otpornosti bakra od temperature. Ovisnost koeficijenta linearnog širenja bakra od temperature . 35

Bakar • Jedna od klasifikacija bakra je na meki i tvrdi bakar. S obzirom na prekidnu čvrstoću bakar se dijeli na: • ekstra meki E-Cu F20 • meki E-Cu F25 • polutvrdi E-Cu F30 • tvrdi E-Cu F37 • ekstra tvrdi E-Cu F45 • Mekše vrste bakra se koriste gdje se traži veća podatnost i električna vodljivost, a tvrde gdje je važnija čvrstoća, tvrdoća itd. • Poluproizvodi i proizvodi bakra: Dobra tehnološka svojstva bakra iskorištavaju se u proizvodnji poluproizvoda: žica, limova, profila, cijevi, folija.

Bakar Od valjkastih ili kvadratnih blokova toplim valjanjem na 750-850 0C dobivaju se okrugli profili (i drugi) promjera 12, 10 ili 8mm. Sloj bakrenog oksida odstranjuje se slabom otopinom sumporne kiseline. Dalje se bakar izvlači u hladnom stanju sve do vrlo tankih žica uz smanjivanje presjeka do približno 35 % pri svakom izvlačenju. Matrice su od tvrdog čelika ili karbida, a za promjere ispod 1 mm od dijamanta.

Bakar Zbog velike ugnječenosti, tako hladno vučeni bakar je čvrst (450 – 480 N/mm2), a kod vrlo tankih žica i do 600 N/mm2, tvrd, slabo rastezljiv i slabije vodljiv. Radi opuštanja, takva se roba žari približno na 200 0C ili većim temperaturama kad se želi dobiti meki bakar. Limovi se dobivaju valjanjem četvrtastih blokova, najprije u toplom, a onda po potrebi i u hladnom stanju. Folije su tanki bakreni listovi debljine 0,01 – 0,15 mm i površine do 300 x 700 mm2, a dobivaju se valjanjem paketa limova međusobno odijeljenih uljem ili mašću da se ne slijepe pod pritiskom. Cijevi se dobivaju istiskivanjem ili valjanjem.

Bakar Zbog velike električne provodnosti, bakar najčešće se koriste za izradu vodiča električne struje, tj. za izradu kabela, vodova, namota električnih strojeva i transformatora, dijelova električnih aparata itd. Kao ilustracija primjene bakra u elektrotehnici prikazano je nekoliko vrsta proizvoda od bakra. 39

Slitine bakra • Idealno bi za vodiče bilo upotrebljavali čiste metale (99,5 do 99,9 %) najveće električne provodnosti, ali se zbog dva razloga odstupa od toga pravila: • tehnološki je nemoguće, odnosno veoma je skupo dobiti potpuno čisti metal • takav metal najčešće ne udovoljava ostale zahtjeve koji se postavljaju na njega (mehanički, kemijska postojanost, toplinska svojstva, ekonomičnost itd.) • Jedno od rješenja su smjese dobivene legiranjem ili materijali dobiveni metalurgijom praha (sinteriranje). • Legure se ne upotrebljavaju zbog poboljšanja vodljivosti, jer ona obavezno pada, nego zbog nekih drugih razloga. 40

Slitine bakra • Pod pojmom bakrenih legura podrazumijavaju se legure u čijem sastavu prevladava sadržaj bakra. Bakrene legure se klasificiraju prema: • načinu dobijanja • namjeni • broju glavnih dodanih elemenata • vrsti glavnih dodanih elemenata • Prema vrsti glavnih dodanih elemenata postoje: • legure bez cinka. Sadrže više od 60% Cu i dodatne elemente kao npr.: Al, Sn, Pb, Ni, Mg, Si, itd. Ove legure nazivaju se bronce. • legure s cinkom. Ove legure pored bakra i cinka sadrže i druge elemente kao što su Pb, Sn, Ni i dr. Zajedničko ime ovih legura je mjed ili mesing. 41

Slitine bakra • Bronce mogu biti dvojne, trojne i složene. Zajednička karakteristika svih bronci je povećana mehanička čvrstoća i veća električna otpornost u odnosu na bakar. • Za izradu vodova u elektrodistribuciji i za TT vodove koriste se bronce koje sadrže do 97 % bakra kojem se dodaju jedan ili više od ovih elemenata: aluminij, kositar, nikal, olovo, silicij itd. • Nazivi ovih legura se određuju prema glavnim dodatnim elementima, npr.: • kositrena bronca • aluminijska bronca • niklena bronca • legura sa silicijem • legura s olovom • legura s olovom i kositrom 42

Slitine bakra Obično se kositrena bronca zove samo “bronca”. Kositrena bronca sadrži do 20 % kositra (Sn). Dijele se na gnječive i lijevačke. Gnječive su homogene strukture, a lijevačke heterogene strukture. U elektrotehnici se više koriste gnječive kositrene bronce. Uz manje kositra (7 %), dodavanjem nešto fosfora (0,1 %) dobiva se na čvrstoći i elastičnosti. Aluminijska bronca sadrži do 14 % aluminija. Također postoje ljevačke i gnječive. Ljevačke se više upotrebljavaju u strojarstvu. Aluminijske bronce su otpornije od kositrenih prema koroziji, kiselinama i morskoj vodi. Bronce s kadmijem i berilijem imaju neznatno manju električnu provodnost od bakra , a znatno veću mehaničku (zateznu) čvrstoću. Žilavost je 3 puta veća od bakra. Upotrebljava se za izradu vodova za napajanje tramvaja i vlakova. 43

Slitine bakra • Primjena bronci je za izradu kontakata, kolektorskih pločica, držaća četkica, kliznih kontakata, provodnih stezača itd. • Mjed je dvokomponentna slitina bakra (najmanje 50 %) i cinka (najviše 44 %) Pored dvokomponentnih postoje i trokomponentne legure: • legura bakra (50 %), cinka (44 %) i olova (4 %) • legura bakra, cinka, i 7,5 % nikla, mangana, željeza, aluminija, silicija, kositra • legura bakra (više od 80 %), cinka i kositra • legura bakra, cinka i nikla (najmanje 10 %) • Mjed se odlikuje povećanom mehaničkom čvrstoćom i većom električnom otpornošću u odnosu na bakar. Zbog jake otpornosti prema koroziji mjed se koristi u agresivnim atmosferama poput morske. Mjed je otporan na utjecaje organskih spojeva, ali je osjetljiv na kiseline i lužine. 44

Slitine bakra Mjedne legure se izrađuju u obliku šipki, cijevi, žica i limova. U elektrotehnici su mjedne legure vodljivi i konstrukcijski materijal. Najčešća je mjed Cu63Zn od koje se izrađuju instalacijski dijelovi: grla, utikača, rastalnih osigurača, utikačkih kutija, montažne pločice itd. Žica od meke mjedi primjenjuje se u nekim slučajevima za namatanje električnih strojeva (pomoćna faza jednofaznih motora). 45

Slitine bakra U tablici je dan kemijski sastav, fizičke, toplinske i električne osobine nekoliko bakrenih legura s cinkom. 46

Materijali za elektrotehničke proizvode