FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Anorganski čvrsti izolacijski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak.
Download ReportTranscript FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Anorganski čvrsti izolacijski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak.
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Anorganski čvrsti izolacijski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 19. 12. 2014. Podjela čvrstih dielektričnih materijala • ORGANSKI • ANORGANSKI: - tinjac, - kvarc (kremen), - staklo, - staklena vlakna, - keramički materijali, - staklokeramika, - tanki keramički slojevi. Anorganski izolacijski materijali – zajedničke karakteristike i važna svojstva Karakteristike: •kemijski su stabilni, • visoke toplinske postojanosti, • imaju dobra do odlična električna svojstva, • tvrdi i kruti, • otporni na starenje (minimalno stare), • nisu higroskopni, • ograničeni oblici (samo čvrsto agregatno stanje). Svojstva: •specifični električni otpor – ρ, i temperaturni koeficijent električnog otpora • relativna dielektrična konstanta - r • dielektrički gubici - tg • dielektrična čvrstoća (probojna čvrstoća) - Epr i probojni napon - Upr Toplinska klasifikacija izolacijskih materijala Y do 90 C (pamuk, papir, PVC) A do 105 C (folije, papir impregnirani) E do 120 C (lak) B do 130 C (tinjac + impregnant B klase) F do 155 C (anorganski + lakovi F klase) H do 180 C (anorganski + silikoni) C > 180 C (čisti anorganski) Dielektrična konstanta i dielektrični gubici različitih materijala Glavni utjecaji na rel. dielektričnu konstantu i dielektrične gubitke kod čvrstih anorganskih dielektrika • temperatura • frekvencija • pritisak Ovisnot rel. dielektrične konstante o temperaturi za dominantno ionsku polarizaciju f = 50 Hz Elektro-porculan Bor-natrijsko staklo različitog udjela Na2O 1- najniži (<1%) 6 - najviši (6-44%) Ovisnot rel. dielektrične konstante rutila (keramika na bazi TiO2) o frekvenciji Slično ponašanje ima i perovskit (CaTiO3) Ovisnot dielektričnih gubitaka (tg) keramike o temperaturi f = 1 MHz Tinjac (liskun) • mineral koji se sastoji od kalijeva, magnezijeva i aluminijeva silikata • lako se kala u tanke listiće (nekoliko µm) i ograničene površine (nekoliko cm2) • skup je zbog ručne prerade • ovisno o kemijskom sastavu postoji više vrsta tinjca, ali u elektrotehnici se rabe samo muskovit i flogopirit Svojstva: • • • • izvanredan dielektrik (Epr = 50 do 100 kV/mm, ρ = 1018 mm2/m, εr = 6) visoka toplinska postojanost (600 do 1000 ⁰C) visoka kemijska postojanost nije higroskopan Primjena tinjca • u prirodnom obliku koristi za elektroizolaciju kod električnih strojeva, mjernih instrumenata, elektroničkih elemenata i kao dielektrik za kondenzatore (naročito promjenjive). • veći broj izolacijskih materijala proizvodi se miješanjem tinjca u obliku listića ili praha s odgovarajućim vezivima (polimeri) – tzv. mikaprodukti: mikanit, mikaleks, itd. Muskovit i flogopirit Muskovit je kalij-aluminij silikat, proziran, malih dielektričnih gubitaka, dobre toplinske vodljivosti, male higroskopnosti i visoke mehaničke i dielektrične čvrstoće. Pri 600-800 C omekšava pa gubi električna i mehanička svojstva. Flogopirit je kalij-magnezij-aluminij silikat lošijih električnih i mehaničkih svojstava od muskovita, ali podnosi više temperature (900-1000 C). Muskovit – ovisnost svojstava Kvarc Kristali SiO2 s HCP rešetkom. Dobre optičke i piezoelektrične karakteristike. Primjena: • dielektrik u kondenzatorima. • za izradu šipki, cijevi (kvarcne svjetiljke) i ploča rabi se kvarcno staklo koje nastaje taljenjem kvarca ili kvarcnog pijeska. • u poluvodičkoj tehnologiji SiO2 služi za izolaciju i pasiviranje površina. Staklo - silikati Najveća grupa minerala (većina stijena na Zemlji građena je od čak 95% silikata), koje čine većinom Si i kisik, s dodacima iona poput Al, Mg, Fe i Ca. Neki važni minerali iz ove grupe, a koji čine stijene jesu: feldspati, kvarc, olivini, granati, tinjci,..... Najveći dio svjetske proizvodnje stakla čine silikatna stakla, osnovna komponenta kod silikatnog stakla je SiO2. Kovalentni kristali SiO2 može imati KRISTALNU STRUKTURU (npr. kvarc, kristobalit) ili AMORFNU STRUKTURU (npr. staklo). Kristalna struktura kristobalita Amorfna struktura silikatnog stakla Staklo • • • Nema točku tališta, nego ima područje omekšanja od 500°C do 1200°C. Proizvodi se: lijevanjem, valjanjem, izvlačenjem, ekstruzijom ili puhanjem. Gotovo uvijek je nužna naknadna toplinska obrada zbog smanjivanja zaostalih naprezanja nastalih brzim ohlađivanjem stakla. Bitna svojstva: • • • • • PROZIRNOST – indeks loma svjetlosti BOJA – mijenja se dodacima metalnih soli (oksida) ELEKTROIZOLACIJSKA SVOJSTVA MEHANIČKA SVOJSTVA POSEBNA SVOJSTVA – sigurnosna, protupožarna i sl. Vrste stakala prema sastavu Prema sastavu obična stakla mogu biti: • kalcijska (MeOCaO6SiO2) • olovna (MeOPbO6SiO2) • Kalcijska stakla s obzirom na dodanu alkalijsku bazu (alkalijska stakla) mogu biti natrijska (Na2OCaO6SiO2) i kalijska (K2OCaO6SiO2) • Natrijska i kalijska stakla se ne rabe kao elektroizolatori zbog relativno visoke električne provodnosti naročito pri višim temperaturama. Primjenjuju se za izradu sijalica, neonskih i elektronskih cijevi i sl. Bezalkalijska stakla • stakla bez alkalnih oksida ili sa sadržajem alkalnih oksida manjim od 1 % su borosilikatna stakla • sadrže kao dodatne okside Al2O3, i boraks (B2O3) • koriste se u elektroizolacijske svrhe jer imaju slične karakteristike kao i porculan • tvrda stakla • značajan proizvod od borosilikatnog stakla su staklena vlakna Proizvodnja staklenih vlakana Staklene kuglice Predivo svilenih vlakana Predivo iz složenih vlakana Staklena vlakna 90% svih vlakana kod polimernih kompozita. Promjer: 3-20 mm Jeftina proizvodnja, relativno dobra specifična čvrstoća, kemijska postojanost. A-staklo: visoko alkalno, dobra kemijska otpor., slaba el. svojstva C-staklo: specijalan sastav za izuzetno agresivne kemikalije E-staklo: >50% svih stakl. ojačala, dobra čvrstoća, otpornost na utjecaj morske vode S-staklo: čvrstoća 30% veća od E-stakla, 3-4x skuplje od E-stakla D-staklo: niska dielektrična konstanta, loša meh. svojstva T-staklo: do 1050 oC, viša čvrstoća i modul elastičnosti Neka svojstva i primjena staklenih vlakana Svojstva pri T = 23C • • • • • • gustoća, kg/m3 topl. rastezljivost, 1/K r tg pri 50Hz ρ, m pri 23 ⁰C Epr, MV/m 2500 4,8·10-6 6,3 0,001 1013 4-5 Primjena: • Praktički su nezapaljiva, a služe za elektroizolaciju u obliku prediva, traka, tkanine... • Izrada vlaknima ojačanih polimernih kompozita – npr. visokonaponski izolatori od epoksidne smole + staklena vlakna. Oblici staklenih vlakana Podjela keramika • Prema veličini zrna gruba keramika (veličina zrna od 0,1 do 0,2 mm npr. za opeke). fina keramika (veličina zrna < 0,1 mm, npr. suđe, sanitarije). • Prema namjeni visokokvalitetna, konstrukcijska, industrijska, funkcionalna (suprakeramika), elektrokeramika, rezna keramika, biokeramika. • Prema kemijskom sastavu silikatna keramika oksidna keramika neoksidna keramika Primjena keramike u elektrotehnici • izolatori (u energetici veliki otpori) • dielektrici (keramički kondenzatori veliki ') • podloge kod izrade hibridnih krugova (visoka toplinska vodljivost) • otporni i vodljivi slojevi (visoka električka vodljivost) • nevodljivi i funkcionalni slojevi • NTC, PTC otpornici (temperaturna ovisnost otpora) • tvrdi magnetski materijali Neki minerali i metalni oksidi kao sirovine za proizvodnju oksidne keramike • • • • • • • • • • • kvarc glinenac (feldspat) mulit talk (milovka) kordijerit korund forsterit rutil barijev titanat magnetit spinel SiO2 K2OAl2O3·6SiO2 Al6Si2O13 (OH)2Mg3SiO4O10 Mg2Al2Si5O15 Al2O3 Mg2SiO4 TiO2 BaTiO3 Fe3O4 MgAl2O4 Skupine keramičkih materijala Silikatna keramika Oksidna keramika Neoksidna keramika • porculan • aluminijev oksid - Al2O3 • silicijev karbid - SiC • steatit • magnezijev oksid - MgO • silicijev nitrid - Si3N4 • kordijerit • cirkonijev oksid - ZrO2 • aluminijev nitrid - AlN • mulit • aluminijev titanat - Al2TiO5 • borov karbid - B4C • barijev titanat – BaTiO3 • borov nitrid - BN • olovni cirkonat-titanat (piezokeramika) Bitne faze procesa proizvodnje keramike Prah •sirovine Priprema mase Oblikovanje Obrada Sinteriranje sirovca (Pečenje) Završna obrada izradak •mljevenje •prešanje •glodanje •miješanje •ekstrudiranje •tokarenje •granuliranje •naštrcavanje •bušenje •poliranje •plastficiranje •lijevanje •piljenje •obrada laserom Oblikovanje •Sinterbrand Keramički •brušenje •lepanje Sinteriranje (srašćivanje) Odvija se • pri temperaturama od oko 1050 do 2200 °C, • eventualno pod prikladnom atmosferom (zaštitni plin, ...), • eventualno pod tlakom. Povezano je s • stezanjem (skupljanjem) i do 20 %. Svi parametri ovise o materijalu! Skupljanje različitih materijala Proces sinteriranja (srašćivanja) Opća usporedba svojstava keramike s metalima tendencija porasta vrijednosti tendencija pada vrijednosti Mehanička svojstva Velika rasipanja vrijednosti čvrstoće i drugih svojstava. Glavni uzroci loma: - poroznost i uključci, - površinske napukline, nedopustiva hrapavost od završnih obrada, - velika zrna nastala tijekom proizvodnje. Porculan • sastoji se od kaolina (Al2O3·2SiO2·H2O), kvarca i glinenca (feldspata). • o udjelu komponenata ovise i svojstva. Svojstva porculana pri sobnoj temperaturi gustoća, kg/m3 2300-2500 r (50Hz-1MHz) 6-7 tg pri 50Hz 0,0018-0,025 pri 1MHz 0,006-0,012 ρ, m pri 23 ⁰C >109-1011 pri 600 ⁰C >102-103 Epr, MV/m 30-40 – za ploče debljine 1,5 mm Porculan • Za izradu elektroizolatora veće dielektrične čvrstoće rabi se tvrdi porculan s više od 50% kaolina. • Površina mu se redovito glazira. Posebno je otporan prema klimatskim utjecajima, negoriv je i lako se oblikuje (visoko skupljanje oko 20% pri pečenju). • Nedostaci: - krhkost (mala otpornost na udarno opterećenje), - teška obradljivost. Ovisnost dielektričnih gubitaka različitih vrsta porculana o temperaturi 1 – elektroporculan; 2 – ultraporculan (veći udio Al2O3); 3 – čisti Al2O3 Steatit Dominantan je udio magnezijevog silikata Svojstva: • dobra čvrstoća i na povišenim temperaturama • nije osjetljiv na nagle ∆T – nizak • dobra dielektrična svojstva • nizak faktor gubitka • pogodan za suho prešanje (malo skupljanje) Grlo svjetiljke, zakovano Podnožja i grla Svojstva steatita gustoća, kg/m3 2600-2800 r (50Hz-1MHz) 6-7 tg (50Hz-1MHz) 0,0008-0,0025 ρ, m pri 23 ⁰C >109 pri 600 ⁰C >103 pri 1000 ⁰C >102 Epr, MV/m 20-30 Kordijerit Magnezij-aluminosilikati nastali sinteriranjem talka (milovke) uz dodatke gline, kaolina, šamota, korunda i mulita. Približni sastav čistog kordijerita: oko 14% MgO, 35% Al2O3 i 51% SiO2. Treba razlikovati poroznu i neporoznu kordijeritnu keramiku Osnovna svojstva: • niska toplinska rastezljivost i dobra otpornost na promjene temperatura • dobra mehanička čvrstoća • porozne vrste imaju malu savojnu čvrstoću, ali za razliku od neporoznih još veću otpornost na promjene temperatura Aluminijev oksid (Al2O3) Tehnički najznačajniji oksidno keramički materijal: • visoke čvrstoće, • visoke tvrdoće, • temperaturne stabilnosti, • velike otpornosti na trošenje, • visoke otpornosti na koroziju i pri visokim temperaturama. Brtvene pločice, vodilice konca, mlaznice Cijevni luk za transport praha Kućište tiristora Cirkonijev oksid (ZrO2) Istaknuta svojstva: • vrlo visoka savojna i vlačna čvrstoća, • visoka lomna žilavost, • visoka otpornost na trošenje • niska toplinska vodljivost, Kalotni ležaj od ZrO2 • E-modul poput čelika, • vodljivost za kisikove ione, • vrlo dobra tribološka svojstva (vrlo prikladan za klizne parove). Vrste: FSZ, TZP, PSZ Koluti za žicu od ZrO2 Cirkonijev dioksid (ZrO2) - vrste FSZ: • Potpuno stabiliziran ZrO2 s kubičnom kristalnom rešetkom PSZ: • Djelomično stabiliziran ZrO2 s kristalima kubične i tetragonske faze TZP: • Tetragonski stabilizirani ZrO2 s tetragonskom kristalnom rešetkom Pod opterećenjem nastala monoklinska faza povezana je s prirastom volumena, što zaustavlja nastajanje pukotina. Odavde slijedi „pseudoelastičnost“ PSZ und TZP. Aluminijev titanat (Al2TiO5) Osobita svojstva: • niska toplinska vodljivost, • vrlo mala toplinska rastezljivost i s tim povezana vrlo visoka postojanost na temperaturne promjene, • otvorena poroznost. Pomoćna sredstva za neželjezni odljevak Rutili – keramika na bazi TiO2 Magnezijev silikat+metalni oksidi (najviše TiO2). Prilagodljiva ali uglavnom velika rel. dielektrična konstanta r od 5,5 do 100 (50 Hz do 1 MHz). Mali faktor dielektričnih gubitaka. Glavne primjene: - dielektrici u kondenzatorima i - keramički otpornici. Silicijev karbid (SiC) Razne podvrste sa sljedećim zajedničkim svojstvima: • visoka do vrlo visoka čvrstoća, • otpornost koroziji do vrlo visokih radnih temperatura, • izvrsna mehanička svojstva pri visokim temperaturama, • vrlo dobra postojanost na temperaturne promjene, • malo toplinsko rastezanje, • vrlo visoka toplinska vodljivost, • visoka otpornost na trošenje, • vrlo visoka tvrdoća, • poluvodička svojstva. Dijelovi SiC-mlaznice s držačem Silicijev nitrid (SN) Razne podvrste sa sljedećim svojstvima: • visoka čvrstoća i žilavost, • izvrsna otpornost na trošenje, • niska toplinska rastezljivost, • osrednja toplinska vodljivost, • izvanredna postojanost na ∆T, • vrlo dobra kemijska postojanost. Kuglice kugličnog ležaja od SN Aluminijev nitrid (AlN) Razne podvrste sa sljedećim svojstvima: • vrlo visoka toplinska vodljivost, • visoka električna izolacijska sposobnost, • toplinsko rastezanje poput Si (< Al2O3). Dijelovi od AlN Piezoelektrične keramike • Kvarc • Barijevi titanati (BaTiO3) – poluvodička svojstva, hladni vodiči (PZT), senzori temperature, samoregulirajući grijači elementi... • Najvažniji piezoelektrični keramički materijali temelje se na sustavu kristala mješanaca olovnog cirkonata i olovnog titanata, što se zajedničkim imenom naziva olovni cirkonat-titanat (PZT) Pb(ZrxTi(1-x))O3 Piezoelektrični efekt Pb-Ti-O keramika prije i nakon feroelektrične transformacije Tanki oksidni slojevi • Danas se uglavnom dobivaju kemijskim i elektrokemijskim postupcima, te oksidiranjem i naparivanjem u vakuumu. • Dobra električna svojstva i svojstva otpornosti na trošenje. • Koriste se kao dielektrici kondenzatora i integriranih elemenata i kao elektroizolacijski slojevi. Svojstva materijala keramičkih prevlaka Tanke keramičke prevlake Tanke prevlake (< 20 m) nanose se: • PVD postupkom (Physical Vapour Deposition) fizikalnim taloženjem iz parne faze, • CVD postupkom (Chemical Vapour Deposition) kemijskim taloženjem iz parne faze, • Galvanskim postupcima ili • Sol-gel postupkom (nanoslojevi). Glazure • Nanošenjem glazure površine se zaglađuju i poprimaju ljepšu boju. • Glazure poboljšavaju mnoga važna tehnička svojstva keramičkih materijala, npr.: električno ponašanje, čvrstoću, kemijsku postojanost i sl. • Bogatije su staklenom fazom od pečenog keramičkog izratka. Pri povišenim temperaturama pečenja te faze djeluju otapajuće na osnovni materijal. Posljedica toga je nastajanje jednog međusloja koji dovodi do čvršćeg zupčastog vezanja prevlake i osnove. • Razne boje glazura postižu se dodavanjem različitih sredstava za bojanje (metalni oksidi). Glazure • Za povećanje čvrstoće, glazura se mora vrlo točno prilagoditi toplinskoj rastezljivosti osnovnog materijala. • Tanke mineralne prevlake na keramičkim površinama nanose se umakanjem, valjanjem, naštrcavanjem ili premazivanjem. • U pravilu se sastoje od vatrostalnih oksida (Al2O3, SiO2, MgO, ZrO2), njihovih mješavina ili vatrostalnih minerala kao što su mulit, spinel, cirkonijev silikat, kaolinit i glinenac. Toplinska rastezljivost različitih materijala ovisna o temperaturi Staklokeramika Nastaje konverzijom stakla u polikristalnu strukturu toplinskom obradom (usmjerenom kristalizacijom). Udio kristalnih faza 90-98%, ostalo je amorfna struktura. Veličina zrna: 0,1-1,0 m, značajno manja nego kod tehničke keramike i zato je otpornija na rastezna opterećenja (čvršća) nego klasična keramika. Prednosti staklokeramike • Učinkovitost proizvodnje u staklastom stanju • Manje promjene dimenzija tijekom proizvodnje • Dobra mehanička i fizikalna svojstva: Visoka čvrstoća (4-5x viša od stakla) Odsutnost poroznosti Niska topl. rastezljivost Visoka otpornost na topl. šokove • Primjene: ploče štednjaka i posude za pečenje, izmjenjivači topline Faze proizvodnje staklokeramike I faza: prerada i ohlađivanje rastaljenog bistrog stakla. II faza: tijekom naknadnog procesa zagrijavanja na T1 (temperatura stvaranja klice) nastaju kristalne klice. Dodaju se male količine agensa za nukleaciju TiO2, P2O5, i ZrO2 . III faza: daljnjim povišenjem temperature do T2 (temperatura kristalizacije) dolazi do potpune kristalizacije, odnosno do keramiziranja (pretvorba stakla u staklokeramički proizvod). IV faza: ohlađivanje proizvoda.