FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Anorganski čvrsti izolacijski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak.

Download Report

Transcript 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 (MeOCaO6SiO2)
• olovna (MeOPbO6SiO2)
• Kalcijska stakla s obzirom na dodanu alkalijsku bazu (alkalijska
stakla) mogu biti natrijska (Na2OCaO6SiO2) i kalijska
(K2OCaO6SiO2)
• 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 = 23C
•
•
•
•
•
•
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.