Materialy a Vyrobni Procesy

5/21/2018 Materialy a Vyrobni Procesy

1/143

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANCH TECHNOLOGIVYSOK UEN TECHNICK V BRN

Elektrotechnick materily

a vrobn procesy

Garant pedmtu:

Prof. Ing. Ji Kazelle, CSc.

Autoi textu:

Prof. Ing. Ji Kazelle, CSc.Doc. Ing. Karel Liedermann, CSc.

Doc. Ing. Josef Jirk, CSc.Ing. Svatopluk Havlek, CSc.

Ing. Ji Vank


2/143

2 Fakulta elektrotechniky a komunikanch technologi VUT v Brn

Fakulta elektrotechniky a komunikanch technologi VUT v Brn

Studijn program: Elektrotechnika, elektronika, komunikan a dic technika

Studium: Bakalsk

Studijn obor: Mikroelektronika a technologie

Nzev pedmtu: Elektrotechnick materily a vrobn procesy (MVP)

Garantujc stav: Elektrotechnologie

Garant: Prof. Ing. Ji Kazelle, CSc.

Rozsah pedmtu: 4/3 (91 hod), z toho: pednky 52 hodKredity: 8 cvien 39 hod

P N L C O hod kredit garant52 15 15 0 9 7 8 UETE

Anotace:

Elektrotechnick materily a vrobn procesy (EMV)2B1 P 7/8 zk - UETEMaterily v elektrotechnice; sloen, struktura, vroba a pouit. Plasty, sklo, keramika a sklokeramika; druhy,vlastnosti, zpracovatelsk technologie. Kompozity. Kovy; klasifikace a vlastnosti. Zpracovn kov, vrobavodi a fli. Polovodiov materily; klasifikace, vlastnosti, aplikan oblasti. Pprava polovodiovchmateril a zkladnch polovodiovch struktur. Povrchov pravy, laky a spojovn materil. Svazkov,radian, elektroerozivn, ultraakustick a dal vznamn vrobn procesy.

Osnova:

1. Materily v elektrotechnice - sloen, struktura, klasifikace, pouit. zen vlastnostmateril. Kompozity.

2. Organick a anorganick izolanty, dielektrika. Plasty, elastomery, sldov vrobky, sklo,keramika (siliktov, oxidov, bezkyslkat), sklokeramika, tvrd materily.

3. Plastiksk technologie. Vroba a opracovn anorganickch nekovovch materil.

4. Kovov materily. Klasifikace, vlastnosti, pouit. Materily s fero- a ferimagnetickmivlastnostmi. Slinut materily.

5. Zpracovn kov. Vroba drt a fli. Vroba kabel a vodi. Vroba materil proplon spoje.

6. Polovodiov materily - klasifikace, struktura, sloen, vlastnosti.

7. Polovodiov materily - vlastnosti a aplikan monosti. Pprava polovodiovchmateril.

8. Vroba zkladnch polovodiovch struktur.

9. Povrchov pravy, laky, spojovn materil.

10. Elektronov procesy, inky elektronovho svazku a jeho vyuit. Iontov procesy.

11. Rentgenov procesy. Radian technologie. Jadern procesy.

12. Laserov procesy, rozdlen laser, vlastnosti a nkter aplikace laser.

13. Ultraakustick procesy, zdroje ultrazvuku, vyuit ink ultrazvuku. Elektroerozivn

procesy a jejich pouit.


3/143

Elektrotechnick materily a vrobn procesy 13

2.4 Technologick procesy zpracovn kov

2.4.1 Tven kovNeustl pokrok ve strojrenstv pin stle nov, pesnj, vkonnj a

hospodrnj zpsoby vroby polotovar. Objem obrbnch polotovar se stle zmenuje aobrbn nen nkdy ani nutn. Mezi tyto zpsoby pat pedevm tven, kterho se dnespouv stle astji, nebo pat k nejproduktivnjm oborm technologie zpracovn kov anekov. Dnes si ji neumme pedstavit sriovou a hromadnou vrobu automobil, letadel,elektrickch stroj a pstroj apod. bez pouit soust vyrobench tvenm.

Je to metoda s vysokou produktivitou a hospodrnost, a tedy s velkou perspektivou.Vrobky jsou pesn, pevn a lehk. Vyuit materilu je velmi hospodrn, s nejmenmodpadem. Pi obrbn odpad prmrn 50 %, pi tven jen asi 5 a 10 % materilu.Vkonnost strojnho zazen je velk. Vrobn pochody se mohou velmi dobe mechanizovat,take se podstatn sniuj vrobn nklady.

2.4.1.1 Zkladn pojmyPi tven se psobenm vnjch sil mn tvar, ani by se poruila celistvost

materilu, tzn., e stice materilu se pouze trvale pemsuj. Toto pemstn je umonnokovovou vazbou atom, kter zstv zachovna, probh-li tven za optimlnch podmnek(teplota a deformace materilu). K tven se proto hod materil s nzkou mez prunosti (abynebylo zapoteb velk sly) a vysokou pevnost, tj. materil tvrn (plastick). Krom ocelse tv i neelezn kovy, pop. nkter nekovov materily.

Tven se dje bu psobenm klidnch sil (vlcovnm, lisovnm apod.), nebo rzy(kovnm, ntovnm apod.), a to za studena nebo za tepla.

Tvenm za studena se kovy zpevuj. m vt je stupe petven, tm vt je

zpevnn. Tvenm za studena se zvyuje mez prtanosti, pevnost v tahu a tvrdost, alezmenuje se houevnatost. Zpracovn nen v celm prezu zcela rovnomrn, vznikajnebezpen vnitn napt, kter mohou poruit materil.

Pi tven za tepla se ohevem zmenuje pevnost a houevnatost materilu, a tm sezlepuje jeho tvrnost. Struktura je jemnj a rovnomrnj. Ocel se ohv na teplotu 250 a300C pod solidem. Tto teplot se k teplota tven. Nejni teplota, pi n je jetmono tvet, je u podeutektoidnch ocel teplota Ac3, u nadeutektoidnch teplota Ac1.

Rozhodujc pro vlastnosti tven oceli je hlavn teplota konen, ili teplota, pi nse tven ukonilo. Tven m bt dokonovno pi teplot asi 50 C nad Ac3nebo Ac1, kdym ocel nejjemnj strukturu a nejvt pevnost pi velk houevnatosti. Tven pod teplotouAc3 nebo Ac1 je vlastn tven oceli za studena, to znamen, e se ocel zpevuje. Nen-li

tven pi tto teplot jet skoneno, je nutno pedmt znovu pimen oht, tzv. tven najedno, dv i vce oht.Tvet se m pokud mono s nejmenm potem oht, protoe se kadm ohevem

st ohvanho materilu pemn v oxid eleza. Zoxidovan povrch materilu se pi tvenodlupuje v upinch, kterm se k okuje. Tm vznikaj ztrty opalem, kter in pi jednomohevu asi 3 a 5 %.

Materil uren k tven se ohv v pecch rznho proveden a velikosti. Nejastjijsou to pece plamenn, prchoz (kontinuln), nebo elektrickindukn.

Hutn polotovaryTyto polotovary jsou jednm z nejpouvanjch druh polotovar ve strojrenstv.

Vyrbj se pmo v hutch a jsou normalizovny v rznch profilech o rzn rozmrov ageometrick pesnosti.


4/143


Vlcovan polotovary

Vlcovnje tven kov rotujcmi vlci, mezi n je materil vtahovn a zrove jestlaovn a prodluovn. Vlcuje se za studenaa za tepla. Vlce (hladk nebo ka1ibrovan),

jsou uloeny ve stojanech a s psluenstvm tvo vlcovac stolici. Prce se zpravidlanedokon v jedn vlcovac stolici, a proto jsou vlcovac stolice uspodny bu vedlesebe, nebo zaseboua tvo tak vlcovactra. Podle velikosti pedvalk a vvalk, kter sena jednotlivch tratch vyrbj, jsou tk, hrub, stedn a jemn trat.

Podle potu vlc a zpsob prce jsou vlcovac stolice dvouvlcov (dua),tvlcov (tria), univerzln aj. danho prezu vvalku se doshne postupn, bu

pibliovnm vlc, nebo zmnou kalibru (tj. dry mezi tvarovmi povrchy vlc). Kromtchto zkladnch typ se stavj jet dal vlcovac trat k rznm elm.

Vlcovnm vznikne z ingotu nejdve pedvalek (polotovar) na pedvlcovacchstolicch. Z tchto pedvalk se pak vyrob na dovlcovacch zazench konen vrobek -vvalek, tj. tyov a profilov materil, plechy aj.

Taen polotovary

Vchoz polotovar (ty, drt apod.) se protahuje (kalibruje) prvlakem (kalibrem) zkalen oceli, slinutho karbidu nebo diamantu.

Taen profily jsou velmi pesn (h9, hl1), take se nemus dle obrbt. Pouvaj se

hlavn v sriov a hromadn vrob pi vrob soust na revolverovch soustruzch aautomatech.


5/143


Drty do prmru 5 mm se thnou nepetrit na bubnovch taecch strojch -drtotazch. dan tlouky drtu se doshne postupnm protahovnm stle menmi

prvlaky. Nkolikerm taenm drt ztvrdne a zkehne a nelze jej dl thnout. Mus se protopo uritm potu tah normalizan hat.

Vroba trubek

Trubky se vyrbj z materil kovovch (ocel, litin, neeleznch kov) i nekovovch(plast). Litinov trubky se vyrbj litm na stojato nebo odstedivm litm. Ocelov trubky

jsou bu svaovan (vov), nebo bezev.Svaovan trubky se vyrbj z psov oceli. Okraje se sva na tupo, pepltovnm

nebo ve roubovici. Jakost svaovanch trubek se rozvojem vrobn technologie (svaovn)zlepuje. Proto dnes v mnoha odvtvch nahrazuj svaovan trubky dra trubky bezev.

Bezev trubky se pouvaj tam, kde nesta pevnost trubek svaovanch. Nejastjise vyrbj Mannesmannovm zpsobem, tj. vlcovnm vvalku mezi dvma vlci smimobnmi osami a se stejnm smyslem oten; krom oten vznik jet roubovit

posuv. Tm, e na vvalek psob jednosmrn tlak, vznik v jeho stedu velk tahov napt,kter poruuje materil a ve vvalku tak vznik dutina. K vytvoen dutiny nen tedy zapotebtrnu. Pokud se pouv, tak jen proto, aby se usnadnilo vytvoen hladk dutiny. Tmtozpsobem se vytvej krtk tlustostnn trubky, kter se pak zpracovvaj na potebnoutlouku vlcovnm.

Volba a pouiti hutnch polotovar

Normalizovan hutni polotovary pat k nejlevnjm druhm polotovar. Je tozejmna vlcovan i taen tyov materil. Jeho normalizovan rozmry jsou odstupovny

v ad velikost. Pi volb rozmru polotovaru se vol nejbli rozmr, kter je vt, ne jeprmr sousti zvten o pdavek na obrbn. To vede mnohdy k nemrnmu odpadutsek (zvl nevhodn u legovanch materil). Proto tam, kde vyhovuje pesnost rozmra jakost povrchu taench polotovar, vol se radji ty. V sriov vrob bude mnohdyvhodnj volit jako polotovar zpustkov vkovek.

Tven kov za tepla

Nejvce pouvan zpsob tven za tepla je kovn. Kovnm se dv materiluvhodn tvar bu dery (rzy) kladiva i beran buchar, nebo klidnm tlakem lis. Dosahujese tak lepch mechanickch vlastnost, jemnj a stejnomrnj struktury. Kovn je volnnebo v zpustkch, kov se run nebo strojn.Pi volnm kovn me materil tven dery nebo tlakem "voln tci", hlavn ve smrukolmm k psoben sly. Pi kovn v zpustkch je materil vtlaovn dery nebo tlakem dokovov formy (zpustky).

Strojn kovni

Strojn kovn ulehuje tkou prci dlnka, zrychluje a zproduktivuje vrobumalch a stednch vkovk a umouje vrobu tkch vkovk, na kter lidsk sla nesta.Materil se kov na rznch tvecch strojch, z nich nejdleitj jsou buchary alisy.

Buchary psob na tven materil dery (rzy), ale prokovou jej jen do urithloubky. Hospodrn lze kovat stedn velk vkovky, pop. pedkovky. Pedkovky se dle


6/143


kovou v zpustkch na poadovan tvar vkovku. Pi derech beranu bucharu odpadvaj ztvenho materilu okuje, a proto je povrch vkovku ist. Rzy se vak penej dozklad stroje a psob otesy i v okol.

Lisypsob na tven materil klidnm tlakem a prokovou materil v celm prezu.

Kovou se na nich i nejt vkovky. Prce na lisech je bezpenj ne na bucharech.

Voln strojn kovni. Je v podstat stejn jako kovn run. Tmto zpsobem sevyrbj velk hdele turbogenertor, ojnice apod. Pedmty se vykovou jen zhruba a hrubvkovky se pak obrbj na pesn tvar na obrbcch strojch. Kovsk prce zvis naemesln zrunosti a zkuenosti kove. Je zdlouhav a drah.

Zpustkov kovn. Zpustka je ocelov dvoudln forma, jej ob polovinyvytvej dutinu, odpovdajc vnjmu tvaru vkovku. Oht materil se vlo do zpustky a

psob se na nj silou tvecho stroje. Materil postupn vypluje zpustku, a vypln celou

jej dutinu. Pi kovn na bucharu je zpustkov dutina vyplovna postupn bhem nkolikader beranu bucharu. Pi kovn na lisech je tvar vkovku zhotoven v prbhu jednohozdvihu. Pebyten kov je vytlaen do stran a vytv vronek, nebo uprosted blnu, kter seodstran ostienm.

Vkovky ze zpustek jsou velmi jakostn, maj pesn tvar, take se bu nemusobrbt, nebo se obrbj jen zsti. Prbh vlken materilu sleduje obrys vkovku. Vrobazpustky je vak drah, a proto se tento zpsob hod jen pro sriovou a hromadnou vrobu.

Vkovky nelze vdy vykovat v jedn zpustce. Nkdy se mus nejdve pedkovat vpedbn (pedkovac) zpustce a dokon se v zpustce dokonovac. Takovm zpustkmse k postupov zpustky.

Tven (lisovn) kov za studena

Tvenm za studena (tzv. lisovac technika) se uskuteuje trval zmna tvaruvchozho materilu bez odbru tsek psobenm vnj sly; podle pevldajcho prbhudeformace je tven plona objemov.

Plonm tvenm se doshne danho tvaru sousti (pevn z plechu) bezpodstatn zmny prezu nebo tlouky vchozho materilu. Mechanick vlastnosti senemn.


7/143


Objemovmtvenm se doshne danho tvaru sousti zmnou prezu nebo tvaruvchozho materilu. Objem se nemn, ale materil se zpevuje a souasn kles jehotanost. Tm je omezen poet tvecch operac.

Lisovn za studena se rozilo pro sv mnoh pednosti (velk vkonnost, nzkvrobn nklady, mal ztrty materilu odpadem a pzniv podmnky pro automatizaci),

prokzan prax v modern prmyslov vrob. Zkladn prce pi lisovn jsou sthn(oddlovn materilu) a tveni(pemsovn materilu).Sthnje postup tven, pi kterm je materil postupn nebo souasn oddlovn v

celm prezu.Tven je mechanick zpracovn materilu pemsovnm jeho stic tahem nebo

tlakem bez poruen jeho soudrnosti. Podle poteby pevld tah nebo tlak.


8/143


Sthn

Tmto zpsobem se vytvej rozmanit polotovary nebo vrobky z plechu nebo ps.Sth se nkami nebo stihacmi nstroji - stihadly. Tyto nstroje se vyrbj v rznm

proveden a velikostech, podle druhu vrobk a pouit technologie.Ke sthn plechu rovnmi stihy se pouvaj tabulovnky. Nesth se cel kaplechu najednou, ale jen urit st, jej velikost je pro dan hel sklonu a druh nek stl.

Stihadla. Hlavn st stihadla je stink a stinice. Materil se vkld mezistink a stinici a je veden vodcmi litami. Jeho posuv (krok) mezi jednotlivmi zdvihystinku je omezen dorazem. Stihadla jsou doplnna rznmi zazenmi a nadm,zajiujcmi sprvn chod nstroje, jako nap. stroj (sti) upevovac, posuvov,

vyhazovac aj.Jednoduch stihadlo je ureno pro vystihovn jednoduchch tvar - vstik z

psu plechu. Poloha psu pi sthn je zajitna pevnm koncovm dorazem. Ped dalmvystienm se ps posune o hodnotu kroku k.

Postupovstihad1ozhotovuje vstiky postupn. V prvnm kroku je to drovn, v

dalm vystien tvaru (obvodu) vstiku. K vymezen sprvn polohy psu pro jehoumstn v nstroji se pro drovn pouije tzv. nanac doraz. V dalm prbhu prce jepoloha psu zajitna pevnm koncovm dorazem.


9/143


Slouenstihad1o. Pi jednom pracovnm zdvihu nstroje je ve stejn poloze psudrovn a vystihovn hotov vstiek.

Sdruen stihad1o sdruuje ve dvou krocch rzn pracovn kony, jako nap.drovn, sthn a ohbn.

Ohbn

Ohbn je zpsob tven materilu, pi nm se vytv ostr nebo obl hrany. Je toproces prun plastick deformace, kter m rzn prbh od povrchu materilu k neutrlnose. Pi ohybu jsou napt v krajnch vlknech materilu opanho smyslu (tah, tlak). Kolemstedn sti prezu ohbanho materilu jsou tahov napt mal, v pechodu mezi tmto

psmem jsou vlkna bez napt a bez deformace. Jejich spojnice tvo tzv. neutrln osu(plochu), v n nen napt a kter se pi ohbn ani neprodlou, ani nezkrt. Neutrln osa(vlkno) je v ohban sti materilu posunuta k vnitn stran ohybu. Nen tedy toton stitn osou ohbanho materilu (profilu). U tenkch plech nen tento rozdl patrn. Piohbn tlustch plech se vak mus s touto okolnost potat. Z dlky neutrln osy vohbanch stech a z dlky rovnch sek se uruje rozvinut dlka polotovaru pedohybem. Vypotan dlka se ovuje praktickou zkoukou.

Zptn odpruen ohbanch soust (vlisk) je zpsobeno zejmna vlivem prundeformace materilu. Velikost hlu odpruen zvis na tvrnosti materilu, na polomruohybu a zpsobu ohbn (bv 3 a 15). Proto se materil ohb navc o hel odpruen.Ka1ibrac nebo prolisy vlisk se vliv odpruen tm odstran.

Nstroj pro ohbn je ohbadlo, vrobkem je vlisek. Hlavn st ohbadla jeohybnk a ohybnice (pohybliv a pevn elist). Podle druhu ohybu dlme ohbadla naohbn do tvaru V, U apod.Osa ohybu m bt kolm na smr vlken materilu vzniklch pi vlcovn plechu (tzv. ohybnap vlken, obr. 109). Odpruen materilu je sice vt, ale nen nebezpe vzniku trhlin navnj stran ohybu. Polomr ohybu se vol se zetelem na odpruen materilu co nejmen,se zetelem na tvrnost a tlouku ohbanho materilu co nejvt.

Zakruovn a lemovn

Zakruovnse pouv pi vrob vlcovch nebo kuelovch pl ndob, kotl apod., a

to i z tlustch plech (kolem 30 mm). Stroje pouvan pro tuto tvec operaci se nazvaj


10/143


zakruovad1a. Jsou bu tvlcov nebo vcevlcov. Jejich konstrukce proveden je zvislna tlouce zpracovvanho plechu.

Lemovn je vytven podlnch lbk uprosted nebo na okraji plechu, aby sezvtila tuhost plechovch vlisk.

Taen

Pi taen je rovn plech (pstih,vstiek) tven v dutou polozavenou ndoburotanch i nerotanch tvar. Vtaky se vtinou ji neupravuj. Proto m taen velkvznam, zvlt v sriov a hromadn vrob. Tven plech mus mt dostatenou tanost.

Rozmry pstihu se uruj z podmnky stlosti objemu (poetn, graficky nebopiblin, zkusmo). Objem vtakuje roven objemu pstihu (plat veobecn).

Nstrojem pro taen je taid1o, vrobkem vtaek. Hlavn sti taidla jsou tank,(pohybliv st) a tanice(pevn st), pop. pidrova(pidruje plech k tanici).

M-li se z pstihu vythnout nap. vlcov ndoba, mus se pebyten materil

pemstit, tzn. vythnout ve smru polomru a zrove ve smru obvodu stlait. Jinak by sezvtovala tlouka nebo by se materil zv1nil. To se pi taen tenkho plechu stv, tvo sepehyby materilu a pi zvten odporu se utrhne dno. Tomu se zabrn pidrenm materiluzvltn deskou - pidrovaem. Mezi pidrovaem a horn plochou tanice se vytvomezera, v n me pstih klouzat, ale neme se vlnit. Pi zptnm pohybu tanku m

pidrova funkci strae. Taen mlkch ndob z tlustch plech se me provdt bezpidrovae. Hlub a sloitj ndoby se nemohou vyrobit na jeden tah, ale postupnmtaenm.

K taen se pouvaj vtinou mechanick lisy, kter jsou vybaveny zazenmk ovldn pidrovae a k vyvozen tan sly na tanku. Jsou to tzv. dvojinn lisy (liss beranem pidrovae a beranem tanku).

Sdruentaidlosdruuje operace sthn a taen.


11/143


Protlaovn

Pi protlaovn za studena je vchoz polotovar podroben tlaku prtlanku aprtlanice. V polotovaru vznik tlak (a 3000 MPa), kter doshne hodnoty petvrnhoodporu (materil se chov jako by byl tekut). Tven materil se pemsuje a smr jeho

pohybu je uren konstrukc nstroje - protlaovadla. Zskan vrobek se nazvprotlaek.Podle smru pohybu tvenho materilu vzhledem k pohybu prtlanku je protlaovndopedn, zptn a sdruen. Vzhledem k velikosti petvrnch odpor jsou k protlaovnvhodn materily s tanost vt ne 50%, nap. oceli s obsahem uhlku do 0,2%. Tmtozpsobem se zpracovv tak olovo, cn, m, hlink a jejich slitiny.

Polotovary k protlaovn mohou mt tvar plnch i dutch palk, prstenc apod.Jejich objem a objem protlaku je stejn. Vtinou se haj na mkko a vnikl okuje seodstrauj omlnm nebo otryskvnm. Povrch ocelovch polotovar se fosftuje, aby sesnilo ten a petvrn odpor pi protlaovn.

Protlaovn ocel i neeleznch kov se pouv zejmna v elektrotechnice,

elektronice a v automobilovm prmyslu. Protlaky jsou dut a trubkovit sousti s tenkmistnami rznho prezu. Jejich rozmry jsou pesn s minimlnmi pdavky na obrbn.Dosaiteln (hospodrn) pesnost protlak je v rozmez IT 8 a IT 10, co vyaduje lisy svelkou tuhost a pesnost. Jednotliv zpsoby protlaovn maj podle monch tvar

protlak sv optimln oblasti pouit. Hlubok ndoby z hlinku lze vyrbt protlaovnm itaenm. Vroba protlaovnm je hospodrnj.

2.4.2 Svaovn

Svaovnm se vytv pevn a nerozebrateln spojen kovovch st do jednoho

dlu, kter se nazv svaenec. Tyto sti jsou vtinou z hutnch polotovar (tye, psy,plechy aj.), nkdy tak z vkovk a odlitk. Vhodou tohoto spojen je tsnost, trvanlivost avelk pevnost. Svaovn zvyuje produktivitu prce, zmenuje spotebu materilu,zjednoduuje konstrukci, podstatn zkracuje vrobn asy a umouje rychlou realizacikonstruknch nvrh. Nevhodou je nerozebratelnost spoj, poteba kvalifikovanchdlnk, zmna struktury i mechanickch vlastnost svarovho spoje, vznik vnitnch pnut adeformac.

Svaovn se pouv tm ve vech vrobnch oborech pi vrob novch stroj akonstrukc i pi opravch. Svaovan sousti asto nahrazuj odlitky a vkovky zejmnavelkch a sloitch soust (jsou a o 50 % leh). Tak zavdn modernch zpsobsvaovn m mimodn vznam pro zvyovn produktivity prce.

Svaovn psobenm tepla (tavn)

Pi tomto zpsobu svaovn vznik spoj mstnm natavenm svarovch plochzkladnho materilu, ani by se pouilo tlaku nebo rz. Obvykle se jet pouv

pdavnho materilu stejnho nebo podobnho sloen, jako m zkladn materil.

Svaovn plamenem

Zdrojem tepla je plamen, kter vznik spalovnm smsi holavho plynu, vtinouacetylnu s kyslkem. Msto acetylnu se pouv i jinch plyn, jako vodku, propanu aj.Svaovac plamen se nejastji posuzuje podle pomru msen plyn.


12/143


Svaovac souprava se skld z lahv s lahvovmi a reduknmi ventily, hadic, hoka psluenstv. Vechna tato zazen mohou bt rzn konstrukce, vdy vak schvleninspektortem bezpenosti prce.Pro materily tlouky vt ne 1,5 mm se pouv k vyplnn spry, tj. k vytvoen housenky

pdavn materil - svaovac drt. Jeho tlouka je od 1 do 8 mm. Pouze litinov tyinky maj

tlouku a 15 mm.Oxidaci roztavenho kovu zabrauj tavidla. Tvo s roztavenm kovem vrstvuochrann strusky, kter brn pstupu vzdunho kyslku, a tm i vzniku tko tavitelnchoxid (pi svaovn nkterch neeleznch kov).

Pprava materilu pro svaovn plamenem

Svarov plochy se zbav neistot, barvy, rzi aj. Svarov plochy se upravuj podletlouky materilu tak, aby bylo zajitno dokonal provaen. Sprvn poloha soust bhemsvaovn se zajist nastehovnm, mechanickm upnutm nebo jinm zpsobem.

Zpsoby svaovn

Podle polohy hoku, svaovacho drtu a postupu pi svaovn se rozeznvlevosmrn zpsob (doleva, dopedu) a pravosmrn zpsob (doprava, dozadu) svaovn.Svaovat se me v poloze vodorovn, svisl nebo nad hlavou. Pro snaz svaovn (vnejvhodnj poloze) se pouv rznch svaovacch ppravk (polohovadel). Svaovn

plamenem se pouv v kusov a malosriov vrob, v opravrenstv pro svaovn ocel dotlouky 5 mm, litiny a pro navaovn. Pro velkou pracnost je u vtch tloutk nahrazenosvaovnm elektrickm obloukem, zejmna svaovnm v CO2. Tenk plechy se asto svaujelektricky odporov (svaovn bodov, vov).

Svaovn elektrickm obloukem

V dnen dob je to nejpouvanj zpsob tavnho svaovn. Zdrojem tepla jeelektrick oblouk, kter vznikne mezi elektrodou a svaovanm materilem (nebo mezidvma elektrodami), jestlie je zapojme na vhodn zdroj elektrickho proudu. Teplemelektrickho oblouku dojde k mstnmu nataven a ke spojen (svaen) svaovanch soust.

Pi svaovn se pouv stejnosmrnho nebo stdavho proudu o napt 10 a 70 V aintenzit 30 a 500 A, pop. i vce. Proto se proud ke svaovn neme odebrat pmo ze st(230 nebo 400 V). Zdrojem stejnosmrnho proudu jsou toiv svaovac agregty (nap.Triodyn K 220, K 230) a usmrovae (nap. SM 200, 502, KM 350, WTS 500), zdrojemstdavho proudu jsou svaovac transformtory (nap. TR 260, 350).

Elektrodymohou bt netavnnebo tavn. Netavn elektrody (uhlkov, wolframov)slou jen jako prostedek k vytvoen oblouku a neposkytuj svarov kov. Tavn elektrody


13/143


maj zpravidla stejn nebo podobn sloen jako svaovan materil, teplem oblouku seodtavuj a dodvaj do svaru pdavn (svarov) kov. Mohou bt holnebo obalen.

Hol elektrody se pouvaj pouze pi svaovn v ochrann atmosfe nebo svaovnpod tavidlem. Obalen elektrody se pouvaj jak pro proud stejnosmrn, tak stdav.Polarita elektrody zvis na druhu jejho obalu. elem obalu je stabilizovat oblouk, chrnit

svarov kov ped pstupem vzduchu, zpomalit chladnut svaru vytvoenou struskou, pop.dodat do tavn lzn nkter psadov prvky (Cr, Ni, Mo, V aj.).Rozhodujc vliv na jakost svaru m pi runm svaovn prmr elektrody, svaovac

proud, dlka oblouku a rychlost svaovn. Prmr elektrody se vol podle tloukysvaovanho materilu, tvaru, rozmru a polohy svaru, druhu obalu a podle velikostisvaovacho proudu. Snaha po zven produktivity runho svaovn vedla k vrobspecilnch druh elektrod. Jsou to zejmna elektrody vtch prmr, hlubokozvarov avysokovkonn (vysokovtkov) elektrody.

Svaovn obalenou elektrodou.

Teplem oblouku se tav svaovan materil, kovov jdro elektrody i obal. Struskavytvoen z obalu chrn odtavovan kapky kovu ped kodlivmi inky vzduchu tm, e

jednak kapky kovu obaluje (usad se na nich ve form strusky) a jednak vytv plynovouclonu, kter zabrauje pstupu vzduchu (kyslku, dusku) k nim. Svauje se nejastji run,ve vech polohch.

Svaovn pod tavidlem

Elektroda (hol svaovac drt) je odvjena z bubnu a podvna do msta svaru, kterbylo pedtm pokryto vrstvou zrnnho anorganickho tavidla. Svauje se nejastjiautomaticky stejnosmrnm i stdavm proudem. Stejnosmrnho proudu se pouv protenk plechy, protoe zajiuje i pi nzk intenzit dostatenou stabilitu elektrickho oblouku.

Hlavn pednost tto metody je velk produktivita (proti runmu svaovn a 5xvy, oblouk neozauje okol, metalurgick reakce mezi svarovm kovem a aktivn(natavenou) st tavidla pzniv ovlivuj jakost svaru. Teplo oblouku je soustedno dozkho psma, take lze svait plech a 15 mm oboustrann bez kos. Svaovat se d idvma elektrodami, pouije-li se automat s dvojitou hlavou. Zv se tm rychlost a

produktivita svaovn.Svaovn pod tavidlem je vhodn pro svaovn nzkolegovanch konstruknch

ocel. Mechanick vlastnosti svaru vyhovuj nejvym poadavkm. Touto metodou se

svauj dleit konstrukce (nap.mosty, kotlov plt) tupmi nebo koutovmi svary.Tlouka svaovanch st me bt 2 a 200 mm.


14/143


Svaovn v ochrannm plynu

Jinou monost ochrany svarovho kovu ped inky okoln atmosfry je obklopenoblouku a natavenho kovu umlou atmosfrou, vytvoenou vhodnm ochrannm plynem.Podle pouitho plynu se rozliuj i zpsoby svaovn.

Svaovni v ochrann atmosfe oxidu uhliitho, metoda MAG (Metal AktivGas)

Elektrick oblouk ho mezi kovovou elektrodou (hol drt o prmru 0,8 a 2,4 mm)a svaovanm materilem v atmosfe CO2. Plyn mus mt istotu alespo 99,5 %. Pi tomto

poloautomatickm nebo automatickm zpsobu se svauje vhradn proudem stejnosmrnmpi kladn polarit elektrody. Vhodou je nzk cena plynu, velk odtavovac rychlostelektrody, monost svaovat i navaovat a velk produktivita. Hlubok zvar umoujesvaovat

plechy do tlouky 12 mm bez kos. Pi svaovn v CO2 lze pivdt souasn s plynemmagnetick tavidlo. inkem svaovacho proudu je zmagnetizovn drt, na jeho povrchu setavidlo zachyt. Tavidlo zvyuje stabilitu elektrickho oblouku a chrn svar vrstvou strusky.Svaovn s magnetickm tavidlem se pouv pro materily do tlouky 3 mm.

Svaovni v argonu netavnou elektrodou, metoda WIG (Wolfram Inert Gas)

Elektrick oblouk ho mezi wolframovou elektrodou a svaovanm materilem vproudu netenho plynu argonu. Argon chrn svarov kov ped pstupem vzduchu a zvyujestabilitu oblouku, protoe m nzk ionizan napt. Svauje se zpravidla run, stdavmnebo stejnosmrnm proudem. Zapoj-li se elektroda na kladn pl (obrcen polarita),dopadaj kladn nabit ionty argonu na povrchovou vrstvu oxidu, kterou rozruuj a tm i ist.Zvar je mlk a irok, elektroda tlust. Pi zapojen elektrody na zporn pl (pm

polarita), nem argon istic inek. Zvar je zk a hlubok, elektroda tenk. Pi zapojen nastdav proud se k itn argonem vyuv kladn plperiody. Druh zapojen se vol podlevelikosti a druhu oxidov vrstvy na svaovanm materilu.

Metody WIG se pouv s spchem pro svaovn korozivzdornch a ropevnchocel, lehkch kov a jejich slitin, mosaz a niklu.


15/143


Svaovn psobenm tepla a tlaku

Teplem nataven stykov plochy jsou k sob souasn pitlaovny tak, e dojde kjejich svaen. Z metalurgickho hlediska je lhostejn, jak zdroj tepla se pouije. Vol setakov, kter v praxi nejlpe vyhovuje.

Elektrick odporov svaovn

Svaovanm materilem protk v mst spoje elektrick proud. V tomto mst jenejmen pechodov odpor, materil se oheje na teplotu taven a tlakem se spoj (sva).

Vzhledem k nzkm hodnotm pracovnho napt (0,5 a 20 V) a elektrickho odporu(sousti krtk a masivn), se mus pout vysokch proud (a pes 105 A). Potebnmnostv tepla pro svaovn se zsk bu psobenm vysokch proud v krtkm ase (tzv.tvrd reim), nebo psobenm nich proud po del dobu (tzv. mkk reim). U modernchsveek se dv pednost tvrdmu reimu.

Odporov svaovn se pouv v kusov i sriov vrob. Jeho vhoda je v monostimechanizace a automatizace. Kad odporov sveka m dv sti: elektrickou amechanickou. Elektrick st se skld ze svaovacho transformtoru a slou k ohevumaterilu na teplotu svaovn. Mechanick st se skld z upnacho a ptlanho zazen.Vechny odporov sveky pracuj tak, e nejprve sevou svaovan sousti dosedacmtlakem a teprve

potom se do elektrod vpust svaovac proud. Po svaen se nejdve peru pvodsvaovacho proudu a potom pestane psobit dosedac tlak.

Svaovn stykov

Stdav proud se pivd ze st na svorky primrnho vinut transformtoru. Vsekundrn cvce se indukuje proud o napt 1 a 12 V. Svauje se nejastji odtavovacmzpsobem.

Stykov plochy nemus bt peliv oitny a upraveny, protoe nerovnosti seodstran odtavenm. Sousti se k sob pitla a vlivem pechodovho odporu se okolstykovch ploch oheje na odtavovac teplotu. Po zaehnut oblouku nastv vlastnodtavovn, ze svarovch ploch sr proud jisker (ochrana proti oxidaci spoje). Protoemateril ubv, mus se sousti k sob pibliovat. V dal fzi se sousti (bez peruen

jisken) k sob pitla a sva. Pitlaenm se jet odstran zbyl neistoty a vytvo se

charakteristick otep. Svar m velmi dobrou jakost.


16/143


Svaovn bodov

Sousti se pepltuj a sevou mezi dv elektrody. Potom se zapne elektrick proud.Roztaven a svaen nastane ve stykovch plochch obou soust, v mst nejmenho

pechodovho odporu. Jakmile je svar hotov, svaovac obvod se automaticky vypne. Svartuhne dle pod tlakem, take je zabrnno vzniku staenin. Elektrody jsou z mdi nebo jejchslitin.Uvnit jsou chlazeny vodou. Vlivem chladicho inku m svar jemnozrnnou strukturu. Kasovmu omezovn proud se pouv elektromagnetickch styka (do 0,1 s) neboelektronickch prvk. Svaovac tlak i proud jsou v urit asov zvislosti. Modernsvaovac stroje maj programovac zen, kter umouje sloitj svaovac cykly.

Svaovn vov

vov svaovn je obdobou bodovho svaovn. Elektrody chlazen vodou, maj tvarkotoue.Lze jimi svaovat prbn. Plechy do tlouky 1 mm se svauj neperuovanmstdavm proudem (za 1 s vznikne 100 proudovch impuls, ili 100 svar). Plechy vtchtloutk se svauj proudem peruovanm. Svary mohou bt pepltovan nebo tup.

Obr. Svaovn tlakem za studena

Svaovn psobenm tlaku za studena

Podstata metody zle v pitlaen spojovanch soust na vzdlenost odpovdajcdov parametru jejich krystalov mky. Ke svaen dojde vlivem difze, pi n se vestykovch plochch vytvo vazby mezi hraninmi mkami.


17/143


Svaovan sousti se pilo k sob plochami zbavenmi oxid a elistmi se stlatak, aby byl ve stykovch plochch tlak vy, ne je mez plasticity zkladnho materilu.Tlak zvis hlavn na druhu materilu; bv v rozmez 300 a 3 800 MPa. Nejlepchvsledk se dosahuje u hlinku a jeho slitin. Dobe se tak svauj nikl, olovo, m a stbro.Tohoto zpsobu se pouv pi vrob konzervovch krabic, ndr, trubek aj.Tlouka

svaovanch plech nepesahuje 5 mm. Svary jsou bu vov nebo bodov.Tohoto zpsobu se s vhodou tak pouv pi svaovn hlinkovch a mdnchvodi vtho prezu.

Svaovn ultrazvukem

Pi svaovn ultrazvukem jsou spojovan materily vystaveny inkm ultrazvuku zasouasnho psoben tlaku. Mechanick kmity jsou peneny vlnovcem na tzv. sonotrody,

jejich kolem je soustedit tlakovou slu a mechanick kmity do msta svaru. Pi svaovnkov psob tlakov sla a mechanick kmity ve vzjemn kolmch smrech.Ultrazvukem lzesvaovat nejen kovy (rznho druhu, velmi mal tlouky - 0,005 a 3 mm), ale i plasty.Omezen je jen jedna tlouka svaovan sousti, druh me bt libovoln tlust. Spoje sedlaj pepltovan, bodov nebo vov.

2.4.3 Pjen

Pjen je zpsob nerozebratelnho spojen kov stejnho nebo rozdlnho chemickhosloen roztavenm kovem - pjkou. Pjka pronik do zkladnho materilu a rozpout se vnm (vytv se tuh roztok). Jej teplota taven je vdy ni, ne je teplota taven zkladnhomaterilu. Pjen spoj m hor mechanick vlastnosti ne pjen kov. Pjka mus mt dobrou

zatkavost, vzlnavost, vyhovujc mechanick vlastnosti, mal rozdl elektrickho potenciluvi zkladnmu materilu a nzkou cenu. Podle teploty taven se pjky dl na mkk (do500 C) a tvrd (500 a 1 000 C).

Mkk pjky jsou cnov a zvltn. Dodvaj se ve tvaru litch tyek, trubiek snpln tavidla, zrn apod. Mkk pjky se pouvaj na spoje mal pevnosti (20 a 60 MPa).

Tvrd pjky jsou zaloeny na bzi slitin mdi, hlinku a stbra. Dodvaj se ve formhousek, drt apod. Pouvaj se na spoje vt pevnosti (a 500 MPa).

Tavidla jsou kapaln nebo tuh chemick ltky, kter odstrauj z pjench plochneistoty a zabrauj jejich dodaten oxidaci. Aby psobila co nejinnji, mus se tavit piteplot o 200 a 300 C ni, ne je teplota pjen.

Mkk pjen se pouv ke spojovn mkkch i tvrdch ocel, pozinkovanch i

pocnovanch ocelovch plech, hlinku, slitin mdi apod. K pjen slou pjedla, jejichhroty jsou ohvny elektricky nebo plamenem.

Tvrd pjen se pouv hlavn tam, kde je spoj namhn zejmna na tah. Pj sehlink a jeho slitiny, ocel s jinmi kovy apod. K ohevu se nejastji pouvkyslkoacetylenovho, nebo kyslkopropanbutanovho plamene, sezenho na teplotu pjen.

2.4.4 Vroba drt

Jdra kabel a vodi se nejastji zhotovuj z mdi a hlinku. Mdn drt je dokabeloven dodvn ve svitcch o hmotnosti:

a) 80 a 120 kg - vlcovan z brnk, lisovan z ep (blok)b) 1 a 5 t - kontinuln lit a vlcovan event. taen.


18/143


Jeho prmr se vtinou pohybuje v rozmez 6 a 10 mm, pi vrob dynamovodi vtchprez se pouv drt i s vtm prmrem. Mdn drt mus mt bezvadn povrch, bezneistot, upin, pevalk a trhlin, nesm mt vmstky, oxidy ani dutiny, jednak aby se netrhal

pi dalm zpracovn (taen), jednak aby drt v konen dimenzi ml povrch jakosti

potebn pro nanesen izolan vrstvy. Povrch drtu vak nem bt pli hladk, m mt malprohlubeniny, aby se v nich dobe zachytil mazac prostedek pro taen. Ulpv-li mazacfilm na povrchu drtu patn, stoup opoteben taecch prvlak i kotou.

Vlcovan drt je na povrchu okyslien a nehod se bez dal pravy ke zpracovn.Vrstva kyslinku z povrchu mdnho drtu se odstrauje moenm ve zedn kyselinsrov (60 a 80 C, 20 a 30 minut). Velmi dleit je dkladn oplchnut drtu po moena pasivaci povrchu.

Mdn drt, vyrbn kontinuln technologi (Properzi, Southwire, Hazelett,Contirod, Dip-forming, Outkompu) m ve vtin ppad povrch vhodnm zpsobem

pasivovn tak, aby k oxidaci nedochzelo. Takovto drt je mono zpracovvat bez moen.Hlinkov drt pichz do kabeloven ve svitcch o hmotnosti do 1 600 kg. Jeho

prmr se obvykle pohybuje v rozmez 8 a 12 mm. Je-li uren pro zpracovn na zazenConform, je jeho prmr vy (14 a 20 mm). U Al drtu nen teba ped taenm provdtpravu povrchu.

Vlastn vroba drt v kabelovnch se provd taenm na vhodn prmrs nslednm hnm, vyaduj-li to dal technologick operace.

Taen drt

Taen drt je tvec proces, pi kterm se za studena postupn zmenuje prmrdrtu protahovnm taecmi prvlaky pomoc taecch kotou. Tm se drt postupn

prodluuje, a proto mus bt odtahov rychlost kadho dalho taecho kotoue vy nekotoue pedchzejcho. Tento poadavek se u taecch stroj e dvma zsadnmi zpsoby:Tandemov taeky. Vechny taec kotoue maj stejn prmr, kad kotou m

jin otky (postupn se zvyuj). Prvlaky a taec kotoue jsou azeny za sebou, v tandemu.Kuelov taeky. Vechny taec kotoue maj stejn otky, kad kotou je jinho

prmru (postupn se zvyuje). Prvlaky jsou uspodny v ad, taec kotoue tvo nahdelch kuel.

Aby ml drt hladk a leskl povrch, mus se pi taen intenzvn mazat. Mdn ahlinkov drty se thnou za mokra. Taec prvlaky a kotoue jsou zkrpny proudem taecemulze, ppadn jsou kotoue v emulzi sten nebo zcela ponoeny. Taec emulzesouasn odvd vyvjen petvrn teplo. Sloen emulze zvis na materilu taenho drtu a

jeho prmru, v men me t na typu taeky. Vtinou jsou to vodn emulze oleje, tuk amdla. Pro taen hlinkovch drt se pouvaj taec oleje s pdavkem rznch tuk, nap.lanolnu.

Pro vrobu kabel a vodi je potebn rozsah prmr taench drt velmi irok,asi od 0,01 do 4,5 mm prmru. Tomu odpovd i velk poet typ, proveden a konstrukctaecch stroj. Zhruba se taeky rozdluj podle vstupnho a konenho prmru drtu natyto druhy: hrubotahy, stedn tahy, jemn tahy a zvl jemn tahy.

Pesnost rozmr a jakost povrchu taench drt je dna v prv ad pesnosttaecch prvlak a jejich dokonalch opracovnm. Prvlak se skld z jdra (diamantovhonebo tvrdokovovho) a objmky. V jdru vybrouen tan otvor m tyi funkn sti.Vstupn kuel (mazac kuel), kterm se do prvlaku pivd mazadlo ke snen ten pi

taen. Tan kuel, ve kterm se vstupn prmr taenho drtu petv na men. Kalibran


19/143


vlec, kterm se taen drt kalibruje na pedepsan prmr. A konen vstupn kuel,chrnc kalibran st prvlaku ped pokozenm.

Podle stupn opoteben se taec prvlaky jen brous a let nebo se ped brouenmjet brous nahrubo. Pi vech tchto operacch se prvlaky obrbj brusnou pastou,diamantov diamantovm prkem v oleji, tvrdokovov karbidem bru ve vazeln.

hn drt

Taenm se mn krystalick struktura Cu, a tm i jej fyzikln vlastnosti. Tanostkles, pevnost stoup drt je tvrd. Aby se znovu zskaly pvodn vlastnosti materilu(tanost, ohebnost), mus se drt zaht na rekrystalizan teplotu 200 a 400 C. Drty semus hat. Vyaduje-li to technologie taen (pekro-li redukce prmru 90 a 95 %), jezaazeno i mezihn.

hn se mus provdt v ochrann atmosfe, aby mdn drt byl ochrnn pedoxidac. Vlastn hn se provd:

a) prbn (odporov Jouleovm teplem)b) v pecch (hrncovch, komorovch).

Cnovn drt

Cnovnm se chrn mdn drty ped koroznm inkem uritch sloek pryovchsms (zejmna sry) nebo ped vlivy povtrnosti. Jdra nkterch typ vodi se cnujz toho dvodu, aby se usnadnilo jejich pjen pi monti. Tlouka cnov vrstvy bv0,002 a 0,015 mm. Mdn drty se cnuj bu za tepla nebo elektrolyticky.

Cnovn za tepla. Pi cnovn za tepla se mdn drt protahuje ndr s roztavenmcnem (50 a 80 % cnu, zbytek olovo) teploty 320 a 420 oC. Uprosted ndre jsou ponorn

drky s diamantovmi nebo tvrdokovovmi vodtky. Cnovac lzn se vtinou stavv tandemu s taecmi stroji.Cnovn elektrolytick. Pi elektrolytickm cnovn je mdn drt katodou, cnov

deska anodou. Jednochod cnovac zazen pracuje prbn, drt prochz v pmcepostupn sekc istic, cnovac a chladic. Tlouka vrstvy se d velikost proudu aodtahovou rychlost.


20/143


st 3.Magnetick materily

Obsah:

3.1. Struktura a vlastnosti fero- a ferimagnetik3.2. Fero- a ferimagnetick materily3.3. Speciln magnetick materily

3.3 SPECILN MAGNETICK MATERILY

Fero- a ferimagnetick materily pro specifick pouitA. Magnetick grantyB. Granty pro bublinov pamtiC. Magnetick kompozita

D. Materily s magnetostriknmi vlastnostmiE. Aktivn povlaky magnetickch pskF. Magneticky mkk amorfn slitiny kov

F e r i t y Ferity magneticky mkk

1. Ferity se spinelovou strukturou ferospinely (Ferroxcube,Fonox) MO.Fe2O3

M ... Mn, Mg, Zn, Ni, Cd, Cu, pp.Co spinelov struktura:

normln - ferit nemagnetick (ferit Zn, ferit Cd)inversn - ferit magneticky aktivnsmen - ferit magneticky aktivn

2. Ferity s grantovou strukturou Fe2O3+ oxidy vzcnch zemin

3. Ferity s hexagonln strukturou (Ferroxplan) (MO)x.(BaO).(Fe2O3)y

M ... Mg, Mn, Co Ferity magneticky tvrd

1. Ferity s hexagonln strukturou (Durox) MO.6Fe2O3

M ... Ba, Pb, Sr, Ca Ferity se specilnmi vlastnostmi

1. Mikrovlnn ferity s grantovou strukturou2. Ferity s pravohlou hysterzn smykou3. Magnetostrikn ferity Magnetostrikn ferity pro rezontory Magnetostrikn ferity pro mnie

4. Ferity pro zznamov a tec hlavy


21/143


st 4.Polovodiov materily

Obsah:

4.1 Nerovnovn stavy koncentrace nosi proudu4.2 Pechod PN4.3 MIS (MOS) struktura

4.1 NEROVNOVN STAVY KONCENTRACE NOSI PROUDU

Rovnovn stavy v polovodii spluj podmnku termodynamick rovnovhy

n.p= ni2 (4.1)

Nerovnovn stavy koncentrace nosi tuto podmnku nespluj a v ppad, en.p > ni

2 (4.2)

mus existovat zdroj injekce nosi do polovodie, pi

n.p < ni2 (4.3)

dochz k extrakci nosi z polovodie.

Ve vech dalch vahch se omezme na ppad nzk rovn injekce, pi kter se vraznmn pouze koncentrace meninovch nosi v polovodii, zatmco koncentrace vtinovchnosi zstv prakticky zachovna.

Pro nadbyten nosie mus bt t splnna podmnka elektrick neutralityn = p (4.4)

a pro vsledn koncentrace nosi tak lze pst

n = n0 + n (4.5)

p= p0 + p (4.6)

kde index 0 zna koncentrace splujc podmnku termodynamick rovnovhy.

(Pklad nzk rovn injekce pro kemk N typu dotovan 1016donory v cm-3a pokojovouteplotu:

cm101,45.10in = -3 cm101.10 -3

160 10Dn N = cm

-3

( )2102

40 16

1010

10i

D

np

N cm-3

Uvaujme injekci pr elektron dra o koncentraci n = p =1010 cm-3,

potom16 10 16

0 10 10 10n n n= + = +

cm

-3

10

cm4 100 10 10 10p p p= + = + -3


22/143


Koncentrace vtinovch nosi se nezmnila, naopak dochz k vraznmu rstukoncentrace meninovch nosi.)

Pestane-li psobit pina vyvolvajc nerovnovn stav, vrac se polovodi dorovnovnho stavu rekombinac (ppad injekce) nebo generac nosi (pi extrakci).

Pi een nerovnovnch stav se vychz z rovnice kontinuity, kter pro elektrony m tvar

1n

nG R divJ

t q

= +

(4.7)

a pro dry

1p

pG R divJ

t q

=

(4.8)

kde G (m3s1) je poet nosi generovanch v jednotkovm objemu a ase (generan

rychlost), R (m3s1) je poet nosi rekombinovanch v jednotkovm objemu a ase(rekombinan rychlost) a nJ a pJ jsou vektory proudov hustoty elektron a dr.

4.1.1 Doba ivota minoritnch nosi

Pedpokldejme rovnomrn osvtlenou desku polovodie N typu, piem energie zen jetak velk, e dochz ke generaci pr elektron-dra rovnomrn v celm objemu polovodie.Situace je znzornna na obr.4.1.

Obr. 4.1 Koncentrace meninovch nosi v polovodiovm materilu pi objemov generacipr elektron dra vnjm zdrojem.

Uvaujme ppad nzk rovn injekce. Vzhledem k tomu, e v danm ppad se koncentracevtinovch nosi prakticky nemn, budeme se zabvat pouze meninovmi nosii, drami.Je-li generan rychlost pr elektron-dra zpsoben osvtlenm GL (m-3s-1), meme rovnicikontinuity pro dry pst

nL T

pG G R

t

= +

(4.9)

kde GT (m-3s-1) je generan rychlost nosi teplem ( odpovdajc termodynamick

rovnovze),R

(m

-3

s

-1

) je celkov rekombinan rychlost nosi.


23/143


Zavedeme pojem tzv. ist rekombinan rychlosti U(m-3s-1), vztahujc se k nerovnovnmnosim nboje

U = R GT (4.10)

Je zejm, e ve stavu termodynamick rovnovhy, kdy tepeln generace nosi je

v rovnovze s jejich rekombinac je U =0.Pedpokldejme tzv. linern rekombinaci, kdy pro istou rekombinan rychlost plat

( 01

n n

p

U p p

= ) (4.11)

Veliina pm rozmr asu a je to doba ivota minoritnch nosi v polovodii.

Dosazenm do vztahu (4.9) dostvme

( 01n

L n

p

pG p p

t

=

)n (4.12)

V ustlenm stavu, kdy se osvtlen polovodiov desky nemn

0

=

np

t (4.13)

dostvme eenm (4.12) pro koncentraci meninovch dr pi osvtlenpnL

0 = +nL n p Lp p G (4.14)

Pestane-li nsledn zdroj svtla, generujc nerovnovn nosie psobit (GL = 0), kleskoncentrace nerovnovnch nosi

01 ( =

nn n

p

p p pt

) (4.15)

een (4.15) s poten podmnkou pn(0) =pnL

0 0( ) ( ).exp

= +

n n nL n

p

tp t p p p (4.16)

je graficky znzornno na obr. 4.2.

Obr. 4.2 Pokles koncentrace meninovch nosi v polovodiovm materilu pro rzn dobyivota meninovch nosi p.


24/143


Vidme, e jakmile pestal psobit vnj zdroj generace nadbytench nosi, polovodi sevrac do stavu termodynamick rovnovhy podle exponenciln funkce asu, piem rychlostnvratu je zvisl na dob ivota meninovch nosi nboje.

4.1.2 Povrchov rekombinace

U relnch polovodi nedochz nikdy k rovnomrn rekombinaci nosi v celmobjemu polovodie. U povrchu polovodie, kter pedstavuje poruen struktury materilu, sevznamn uplatuje povrchov rekombinace.

Pedpokldejme, e v desce polovodiovho materilu N typu z pedelho ppadudochz ke zven rekombinaci pouze na ploe lec v rovin x = 0 (obr.4.3) V tomto

ppad se bude koncentrace dr v uritm mst vzorku mnit tak vlivem toku nosi k ttoploe, kde je jejich koncentrace dky zven rekombinaci ni ne v objemu.

Obr.4.3 Koncentrace meninovch nosi v polovodiovm materilu pi objemov generaci

nerovnovnch pr elektron dra vnjm zdrojem a povrchov rekombinaci naploex= 0.

Rovnici kontinuity pro dry lze v tomto ppad pst

1 pnL

p JG U

t q

=

4.17)

x (

kde proudov hustota dr tekoucch k povrchu

np p p

pJ qp E qD

x

=

(4.18)

se skld z driftov a difzn sloky proudov hustoty. Lze dokzat, e pro ppad nzkrovn injekce lze driftovou sloku proudov hustoty meninovch nosi zanedbat auvaovat pouze difzn sloku proudov hustoty meninovch nosi, v naem ppad dr,tekoucch k povrchu.

20

2

= +

n n nL

p

p p pG D

t x4.19)

np

p (

Budeme uvaovat een pro ustlen stav (konstantn osvtlen), kdy

0

=n

p

t (4.13)


25/143


a pro okrajov podmnky

0( ) = = +n nL np p p 4.20)p LG (

np

pD

x (4.21)[0 (0)x p n ns p p= = ]0

Prvn okrajov podmnka vyjaduje, e koncentrace meinovch dr v objemu polovodie,daleko od povrchu kde rekombinuj, je rovna nerovnovn koncentraci stanovenv pedchozm ppad. Druh podmnka vyjaduje, e vechny dry, kter difz dorazk povrchu pro x = 0, zde rekombinuj. Stejn jako u objemov rekombinace se pedpokld,e dj je mrn pebytku dr u povrchu oproti rovnovn koncentraci. Konstantoumrnosti je rychlost povrchov rekombinace meninovch dr, sp (m s-1). een rovnice(4.19) pro ustlen stav a okrajov podmnky (4.20) a (4.21) je

0( ) ( ). .exp

=

p p

n nL nL n

p p

s xp x p p p

L L4.22) , (

kde =p pL D (4.23)p

Lp (m) je difzn dlka dr.

Na obr.4.4 je graficky znzornno een rovnice (4.22) pro rzn povrchov rekombinanrychlosti a pro jednu difzn dlku dr, een znzornn na obr.4.5 vyjaduje vliv rozdlnchdifznch dlek nosi pi velmi vysok povrchov rekombinan rychlosti dr.

Obr.4.4 Koncentrace meninovch nosi v polovodiovm materilu pi objemov generacinerovnovnch pr elektron dra vnjm zdrojem a povrchov rekombinaci na

ploe= 0 s rznou povrchovou rekombinan rychlostsp.prox


26/143


Obr. 4.5 Koncentrace meninovch nosi v polovodiovm materilu pi objemov generacinerovnovnch pr elektron dra vnjm zdrojem a povrchov rekombinacis vysokou povrchovou rekombinan rychlost spna ploe pro x= 0 pro ti rzndifzn dlky nosi Lp.

Obdobnm postupem lze odvodit pro polovodi N typu rozloen meninovch dr pi jejichgeneraci v povrchov vrstv (pro x = 0) a rekombinaci v objemu. V danm ppad se e serovnice kontinuity pro ustlen stav

2

02

1( )

np n n

p

pD p p

x0=

np

(4.24)

Okrajov podmnky vyjaduj konstantn koncentraci meninovch nosi v mst jejichgenerace a jejich rovnovnou koncentraci v objemu, daleko od povrchu kde jsougenerovny.

(0) =n

p konst. (4.25)

0( ) =np 4.26)(

een m tvar

[ ]0 0( ) (0) .exp

= +

n n n n

p

xp x p p p

L (4.27)

a je znzornno pro rzn difzn dlky nosi na obr. 4.6.

Obr.4.6 Koncentrace meninovch nosi v polovodiovm materilu pi generaci na povrchu

prox= 0 a objemov rekombinaci pro rzn difzn dlky minoritnch nosiLp.


27/143


4.1.3 Mechanismus rekombinace

Pechod elektronu z vodivostnho psu do valennho a jeho rekombinace s volnou drou senazv mezipsmov rekombinan pechod a uplatuje se pedevm u polovodi s tzv.

pmou psovou strukturou (nap. nkter polovodie ze skupiny AIIIBV) . Doba ivotameninovch nosi u mezipsmovho pechodu kles s rostouc koncentrac vtinovchnosi.Dalm typem rekombinace je rekombinace prostednictvm rekombinanch (generanch)center, jejich energetick hladiny se nachzej v zakzanm psu polovodie, pobl stedutohoto psu. Centra jsou vytvena rznmi druhy pms (tzv. hlubok pmsi na rozdl odmlkch pms donor a akceptor, nachzejcch se u okraj zakzanho psu) nebo

poruchami krystalov me. Energetick hladiny v blzkosti stedu zakzanho psu sloujako stupn k pevdn elektron a dr mezi valennm a vodivostnm psem. Lze ukzat, erekombinace bude nejinnj pro centra, kter vytvej hladiny co nejble steduzakzanho psu. Doba ivota meninovch nosi je potom ovlivnna koncentrac tchtoinnch center. Pkladem takovho centra je zlato, kter v kemku vytv celkem tyi

hladiny, z nich dv le blzko stedu zakzanho psu. Pi koncentraci Au v rozmez 1020a1023m-3se doba ivota mn v mezch 2.10-7a 10-10s.

4.2 PECHOD PN

Polovodiov soustky vyuvaj elektrickch vlastnost pechodu mezi polovodii typu P aN. Idealizovan jednorozmrn model pechodu PN s prbhem koncentrac nosi jeznzornn na obr. 4.7.

Obr.4.7 Jednorozmrn model pechodu PN s prbhem koncentrac donor, akceptor,vtinovch a meninovch nosi.

Na pechodu dochz vlivem koncentranho spdu k difznmu toku vtinovch nosi dooblasti, ve kter se stvaj nosii meninovmi. Pedpokldme, e v oblasti blzk pechodu

je v dsledku tohoto odtoku nosi koncentrace pohyblivch nosi mal ve srovnns koncentrac nepohyblivch, ionizovanch donor a akceptor. Nevykompenzovan


28/143


elektrick nboj tchto ionizovanch pms vytv elektrick pole, kter brn dalmuodtoku vtinovch nosi. Elektrick nboj nevykompenzovanch pms vytv v oblasti

pechodu tzv. oblast prostorovho nboje.

Tedy pi spojen polovodie typu P s polovodiem typu N pechzej vlivem koncentranhospdu elektrony z oblasti N do P a dry z P do N polovodie tak dlouho, a vznikl elektrick

pole dalmu toku zabrn, neboli dochz k rovnovze mezi difzn a driftovou slokouproudov hustoty

0n n nn

J qn E qDx

= +

= (4.28)

0p p pp

J qp E qDx

=

= (4.29)

eenm rovnice (4.28), pp.(4.29) meme urit velikost potencilu elektrickho polev oblasti prostorovho nboje na pechodu. Pi pouit Einsteinova vztahu a ozname-licelkovou zmnu potencilu jako difzn napt na pechodu UD, pro velikost difznho naptdostvme

ln lnp nDn p

p nkT kT U

q p q n= = (4.30)

eenm pedchozch rovnic (4.28), pp. (4.29) lze t ukzat, e bez vnjho napt napechodu je poloha Fermiho hladiny pes cel pechod PN konstantn

WF= konst. (4.31)

4.2.1 Elektrostatick een pechodu PNElektrostatick een pechodu vychz z Poissonovy rovnice, kterou jednorozmrn memevyjdit

0

( ) ( )

r

d E x Q x

dx = (4.32)

Znme-li rozloen elektrickho nboje ( )Q x v oblasti pechodu, integrac stanovme

intenzitu elektrickho pole ( )E x . Vzhledem k platnosti vztahu

( )

( )

dU x

E x dx= a (4.33)

( ) ( )W x qU x= (4.34)

pro energii elektronu, meme z rozloen intenzity elektrickho pole nsledn stanovitrozloen potencilu, resp. energi.

Nazname si grafick een Poissonovy rovnice pro jednu z pouvanch idealizacrozloen nboje na pechodu, pro tzv. strm pechod, u kterho se koncentrace donor NDmn v mst pechodu pro x= 0 skokem na koncentraci akceptor NA. Oblast prostorovhonboje o celkov ce wle sten v polovodii typu N (-xn, 0), sten v polovodii typuP (0,xp) viz obr. 4.8.


29/143


a) Koncentrace pms pro idealizovan strm PN pechod. Koncentrace na pechodu semn skokem zND na NA

b) Oblast prostorovho nboje pro strm pechod

c) Intenzita elektrickho pole pro strm pechod. Prbh intenzity dostaneme eenmPoissonovy rovnice (4.32). Plocha pod kivkou je rovna velikosti difznho napt

d) Prbh energetickch hladin na pechodu, WF = konst. Prbh energetickch hladinv oblasti prostorovho nboje bude mt parabolick tvar a je dn eenm rovnic (4.33) a(4.34)

Obr.4.8 Elektrostatick een strmho pechodu PN.

Z podmnky nbojov neutrality plyne, e celkov nboj mus bt po obou stranch pechodu

stejn a tedy


30/143


D n A pN x N x= (4.35)

Ze vztahu (4.35) plyne, e oblast prostorovho nboje na pechodu PN se roziuje pevndo t sti polovodie, kter je mn dotovna pmsemi.

Pro maximln intenzitu elektrickho pole na strmm pechodu lze eenm Poissonovy

rovnice odvodit

max

0 0

Dn

r r

qN qN E x

= = A px (4.36)

a pro velikost difznho napt

max12

DU E= w (4.37)

Z rovnic (4.36) a (4.37) lze urit ku oblasti prostorovho nboje pro strm pechod PN

02 r A D DA D

N Nwq N N += U (4.38)

Pro nesymetrick pechod, kdy nap.ND>>NAdostaneme

02 1D

r

A

wq N

= U (4.39)

a prakticky cel oblast prostorovho nboje se realizuje v oblasti polovodie typu P.

Je-li k pechodu piloeno vnj napt Umus se toto napt pi stanoven ky oblastiprostorovho nboje pitat k difznmu napt v rovnici (4.38) s kladnm znamnkem pro

zptn smr ( a se zpornm znamnkem)DU U ( DU U+ ) pro pm smr.

4.2.2 Ideln voltamprov charakteristika PN pechodu

Pilome-li vnj zdroj napt na pechod tak, e kladn napt je stran P a zporn nastran N, potom vnj elektrick pole sn potencilovou barieru na pechodu. Na pechodudochz k rstu difznch sloek proudovch hustot, nastv injekce nosi, oblast

prostorovho nboje je zaplavena injekovanmi nosii, prochz proud v pmm smru.

Pechod pedstavuje mal odpor, ka oblasti prostorovho nboje wse zmen. Elektrick

proud v oblasti P je zprostedkovn drami, v oblasti N elektrony. Dry, kter se dostanou pespechod pedstavuj v oblasti N meninov nosie, nemohou tam stabiln existovat arekombinuj postupn s elektrony. Situace je schematicky znzornna na obr. 4.9.

Jin situace nastv, je-li polarita piloenho napt opan. Dochz ke zven potencilovbariery na pechodu, ka oblasti prostorovho nboje se zvtuje, jak elektrony na stran N,tak dry na stran P se vzdaluj od pechodu, pechodem prochz pouze mal zbytkov

proud. Pechod je orientovn v zvrnm smru a pedstavuje velk odpor.

pravou vztahu (4.30) meme pro pvodn rovnovn koncentrace (ozname indexem 0)pst

0

0 expDp

n

p qU

p k

= 4.40)T (


31/143


Pi piloen napt Uv pmm smru se potencilov barira zmen o velikost tohoto napta analogicky pro koncentracep1ap2z obr. 4.9 meme uvst

01

2 0

( )exp expD p

n

pp q U U qU

p kT p

= =

4.41)

kT

(

Koncentrace dr p2 se skld z pvodn koncentrace rovnovn pno a z koncentraceinjektovanch dr p2

2

, obdobn tp1

2 0np p p= +

1

(4.42)

1 0pp p p= + (4.43)

Vzhledem k tomu, e koncentrace vstikovanch nosi je mal v porovnn s koncentracvtinovch nosi ppo >> p1 (nzkorovov injekce), je p1 ppo a koncentracevstikovanch meninovch dr do oblasti N typu

2 0 exp 1n qUp pkT

=

4.44) (

1 0 exp 1pqU

n nkT

=

4.45) (

Podobn plat pro elektrony vstikovan do oblasti polovodie P typu

Z pedchozch dvou vztah je patrn, e koncentrace injektovanch meninovch nosizvis pouze na napt na pechodu a na rovnovn koncentraci meninovch nosiv oblasti, do kter se nosie vstikuj. Koncentrace nosi v oblasti odkud dochz k

injekci nem vliv.Pro oblast typu N meme koncentraci nadbytench minoritnch nosi z obr. 4.9 vyjdit(viz kap.4.1.3, vztah (4.27))

[ ]0 0( ) (0) expn n n np

xp x p p p

L

= +

(4.46)

Proudovou hustotu dr tsn za oblast pechodu vypotme

(( 0) np p

p xJ x qD

x

= =

0

p

x

p

Dq

L= = 2p (4.47)

)

Obdobnm postupem lze pro proudovou hustotu elektron tsn za oblast pechodu stanovit

1n

n

n

DJ q n

L= (4.48)

Pro celkovou proudovou hustotu tak dostvme

1 2 0 0 exp 1p pn n

n p p n

n p n p

D DD D qUJ J J q n p q n p

L L L L kT

= + = + = +

(4.49)

Po prav


32/143


0 exp 1qU

J JkT

=

4.50) (

ppadn

0 exp 1qUI IkT

=

4.51) (

kde zbytkov proudIo

0 0 0pn

p

n p

DDI A J A q n p

L L

= = +

4.52)0n (

Aje plocha pechodu.

Vztah (4.51) bv oznaovn jako ideln voltamprov charakteristika pechodu PN.

Z ideln voltamprov charakteristiky vyplv, e zvrn proud je konstantn a roven Io ,jakmile je napt zporn a vt, ne nkolik kT/q. Naopak v pmm smru narst proudprakticky exponenciln s naptm, pouze pro mal napt U


33/143


vrstvou, tak zstv v termodynamick rovnovze, tj. plat zde vztah n . p = ni2. Dsledkemje, e poloha Fermiho hladiny v polovodii, bez ohledu na naptUHpiloen na kovovouelektrodu - hradlo, je konstantn. Nboj indukovan naptm na hradle v podpovrchov oblasti

polovodie vyvolv v tto oblasti zmnu potencilu, kter se projev zkivenmenergetickch hladin v psovm modelu struktury MIS (viz een Poissonovy rovnice pro

pechod PN, kap.4.2.1).Pi zpornm napt na hradle jsou k povrchu polovodie pitahovny kladn nboje - dryz objemu polovodie. V polovodii typu P tak vznik pod povrchem vrstva se zvenoukoncentrac dr obohacen vrstva. Stav bv oznaovn jako obohacen vtinovmi nosii.Kladn nboj dr v obohacen vrstv vyvolv zmnu potencilu a zakiven energetickchhladin znzornn na obr. 4.12 a. Na obrzku je uvedeno i rozloen elektrickch nboj nahradle a v polovodii. V nhradnm schmatu struktury se uplatuje kapacita izolan vrstvyv srii s odporem polovodie.

Obr. 4.12 Psov diagramy, rozloen nboje a nhradn schma struktury MIS s polovodiemP typu pro stavy

a) obohacen vtinovmi nosii

b) ochuzen vtinovmi nosii a

c) inverzi polovodie

Je-li k hradlu piloeno mal kladn napt, budou v prv fzi od povrchu polovodieodpuzovny kladn dry, jejich koncentrace v podpovrchov oblasti poklesne a vytvo se tzv.ochuzen vrstva. Stav se oznauje jako ochuzen vtinovmi nosii. Nboj stiakceptorovch iont v podpovrchov oblasti polovodie nebude v tomto ppadkompenzovn nbojem dr.Na jednotku plochy povrchu bude vzn nboj

A bsQ qN= x (4.53)

kdexb je ka povrchov ochuzen vrstvy. Roste-li kladn napt na hradle, ka ochuzenvrstvy se nejprve zvtuje. Odpovdajc zmna potencilu, projevujc se ohybemenergetickch hladin v psovm modelu, tak roste. Psov model struktury pro stavochuzen je znzornn na obr. 4.12b . Na obr.4.12b je uvedeno i rozloen elektrickch nbojna hradle a v polovodii ve stavu ochuzen. V nhradnm schmatu struktury se uplatuje

kapacita izolan vrstvy v srii s kapacitou polovodie danou nbojem ionizovanch pmsv ochuzen vrstv.

Jakmile se v podpovrchov oblasti polovodie pibl spodn hranice vodivostnho psu Wck Fermiho hladin WF, dojde u povrchu polovodie k rstu koncentrace elektron vevodivostnm psu. Dal zven kladnho potencilu na hradle se projev v psovm modelu

protnutm Fermiho hladiny s dolnm okrajem psu vodivostnho, dochz k inverzi polovodies prudkm zvenm koncentrace elektron. Nboj tchto elektron Qn vyvol vznik velmitenk povrchov vrstvy s vodivost typu N - tzv. inverzn vrstvy. ka ochuzen vrstvy

pestane s naptm dle rst, doshne sv maximln hodnoty xb max, protoe kad dal (ivelmi mal) zvten ohybu energetickch hladin vede k velkm zmnm velikosti nboje

v inverzn vrstv. V podmnce siln inverze je tedy na jednotku plochy vzn nbojmaxA bnQ Q qN x= (4.54)


34/143


Psov model struktury MIS pro stav inverze je znzornn na obr. 4.12c, na obrzku jeuvedeno i rozloen elektrickch nboj na hradle a v polovodii ve stavu inverze.

Z praktickho hlediska jsou nejzajmavj ppady ochuzen a inverze. Jak ji bylo uvedenoeen Poissonovy rovnice pro dan elektrick nboj v podpovrchov oblasti polovodieumon stanovit rozloen intenzity elektrickho pole, nsledn potencilu i zakivenenergetickch hladin v tto oblasti polovodie. Pro maximln ku ochuzen oblasti lzeodvodit vztah

, (4.55)

kde F je vzdlenost mezi Fermiho hladinou a Fermiho hladinou vlastnho polovodie Wi.Tato vzdlenost je mrou dotace polovodiovho materilu pmsemi. Zvislost maximlnky ochuzen oblasti na koncentraci pms v polovodiovm materilu je uvedena na obr.4.13.

Obr.4.13 Zvislost ky ochuzen oblasti na koncentraci pms v polovodii

4.3.1 C-V charakteristika struktury MIS (MOS)

Zvislost kapacity struktury MIS na napt na hradle UH s polovodiem P typu je znzornnana obr. 4.14.

Obr.4.14 C-V charakteristika struktury MIS s polovodiem P typu

Pi zpornm napt na hradle se uplatuje pouze kapacita izolantu Co. Pi kladnm napt na

hradle dostvme sriovou kombinaci dvou kapacit, kapacity izolantu Co a kapacitypolovodie, kter je funkc ky ochuzen vrstvy CS = f(xb) , a tedy i napt na hradle.Celkov kapacita v tto oblasti kles, co je dno rstem ky ochuzen vrstvy. Po dosaenstavu inverze pi napt na hradle UH = UT je kapacita konstantn a je dna sriovoukombinac kapacity izolantu Coa kapacity polovodie pro maximln ku ochuzen vrstvyCS (xb max).

V ppad, e nejsou splnny vodn zjednoduujc podmnky, tj. nen stejn vstupn prceelektronu z kovu a z polovodie, ppadn se projev vzan elektrick nboje v izolantu, resp.na rozhran izolantu a polovodie, dochz k posuvu C-V charakteristik. Odpovdajc C-Vcharakteristiky jsou znzornny na obr. 4.14 rkovan.


35/143


4.3.2 Vliv frekvence na charakteristiku C-V

Ve uveden C-V charakteristiky lze namit za pedpokladu, e ve stavu ochuzen se kadzmna napt na hradle projev zmnou nboje na okraji ochuzen vrstvy. Tento pedpoklad jesprvn pouze pi men pi vysokch frekvencch. Je-li naopak mic frekvence dostatennzk, take mechanismus generace-rekombinace nosi sta sledovat zmny malho signlu,ovlivn tento dj nboj inverzn vrstvy.Abychom tuto situaci lpe pochopili, pedstavme si, co se stane pi malm zven kladnhonapt na hradle. Bezprostedn po zven napt se v polovodii indukuje prstekzpornho nboje. Pi vysokch frekvencch to znamen, e z ochuzen vrstvy jsou vytlaenydal dry a ochuzen vrstva se trochu roz. Pokud se vak sta v ochuzen vrstvvytvoit generac pry elektron-dra dve, ne napt na hradle opt poklesne, nahradgenerovan dry ty dry, kter byly vytlaen z okraje ochuzen vrstvy a pebyten elektronyse objev u povrchu polovodie. Mal zmna napt hradla se tedy vykompenzuje malouzmnou nboje elektron u povrchu polovodie a kapacita zstv na hodnot Co.

Vsledkem popsanho mechanismu je frekvenen zvislost C-V charakteristik struktur MISznzornn na obr. 4.15.

Obr.4.15 Vliv frekvence micho signlu na C-V charakteristiku

Pechod od vysoko- k nzkofrekvennmu typu C-V charakteristik me bt pi danfrekvenci zpsoben tak vzrstem generan-rekombinan rychlosti, nap. pi zventeploty nebo pi ozen polovodie.


36/143


st 5.Dielektrick materily

Obsah:5.1. Struktura a vlastnosti izolant

5.2. Klasifikace izolant5.3. Prodn anorganick izolanty5.4. Anorganick skla5.5. Keramick materily5.6. Plasty5.7. Elastomery5.8. Prodn organick tuh izolanty5.9. Kompozity5.10.Laky a kompaundy5.11.Kapaln a plynn izolanty

5.1 STRUKTURA A VLASTNOSTI IZOLANT

5.1.1 Fyzikln jevy v izolantech

Zkladn fyzikln jevy v izolantech po vloen do elektrickho pole

dielektrick polarizace (pohyb vzanch elektrickch nboj) elektrick vodivost (pohyb volnch elektrickch nboj) dielektrick ztrty elektrick vboj

A. Odkaz

Elektronick texty Materily a technick dokumentacest Materily v elektrotechniceKapitola 5.1 5. 5

B. DoplkyI. Dielektrick polarizaceZkladn vztahy

i= El (5.1)

P = n i = n El (5.2)

n koncentrace polarizovatelnch stic (m-3

) polarizovatelnost (F m2)El intenzita vnitnho (loklnho) elektrickho pole (V m-1)El EE intenzita vnjho (makroskopickho) elektrickho pole (V m-1)

+Q0, -Q0 voln nboje na deskch kondenztoru ve vakuu (C)+Qv, -Qv vzan nboje na hraninch plochch dielektrika (C); Q = Q0

E

, + Qv

0 0Q C U= (5.3)

0 0D = (5.4)


37/143


0C = C

0D

(5.5)

0D E = = (5.6)

0

0 0 0

vQ Q QC Q

C Q Q Q

+

= = = = +0

1 v (5.7)

0 0D D P E P= + = + (5.8)

Obr. 5.1 Nabjen vakuovho a technickho kondenztoruLokln (vnitn, efektivn) elektrick pole

elektrick pole, bezprostedn psobc na polarizovatelnou stici intenzitaEl>E(pro plynyEl E) model Lorentzovy koule

lokln elektrick pole psobc na molekulu dielektrika (A)

El =E +E1+E2 (5.9)E intenzita elektrickho pole, je-li dielektrikem vakuum

E1 intenzita elektrickho pole, kter vytv polarizovan prosted vn koulensledkem vzanho nboje, kter n vrchu kulov dutiny vytvo konce etzc

polarizovanch molekul vn koule

103

PE

= (5.10)

E2 intenzita elektrickho pole od vech polarizovanch molekul uvnit koule

(s vjimkou sledovan molekuly A)E2 0

Poznmka:

Neplat v siln polrnch ltkch

El = 23

E +

(intenzita Mosottiho pole) (5.11)


38/143


Obr. 5.2 Model Lorentzovy koule

Clausiova-Mosottiho rovnice

0

1 2 3

np

= =

+ (5.12)

p mrn polarizace (-)

1 2

1p

p

+=

(5.13)

A hNn

M

= (5.14)

NA Avogadrova konstanta (6,025.1026

kmol-1

)M molekulov hmotnost (kg kmol-1)h hustota (mrn hmotnost) ltky (kg m-3)

0

1 2 3

A

h

NM

=+

= (5.15)

molrn polarizace (m3kmol-1)

obecn plat*

* 0

1

2 3

A

h

NM

= =

+ (5.16)

index lomu svtla homogennho isotropnho prosted (z Maxwellovy elektromagnetickteorie svtla)

* *Dn = (5.17)

* komplexn permeabilita2

20

12 3

AD

D h

Nn M

n

= =+

(molrn refrakce) (5.18)

Polarizan mechanismya. Polarizace elektronov


39/143


vyskytuje se u vech dielektrik probh beze ztrt,nezvis na teplot doba ustaven: 10-16 10-14 s elektronov polarizovatelnost: 304e R=

R

polomr atomu, resp.iontu synonyma: polarizace deforman, atomov, optick optick permitivita prof

b. Polarizace iontov

vyskytuje se u iontovch krystal probh beze ztrt, je zvisl na teplot doba ustaven : 10-13 10-12 s

iontov polarizovatelnost :2

i

q

=

souinitel prun vazby mezi ionty

synonyma: polarizace infraervenc. Polarizace diplov

vyskytuje se u polrnch ltek je provzena ztrtami energie v dielektriku, je zvisl na teplot a na kmitotu doba ustaven: 10-12 10-8 s u ltek nzkomolekulrnch; u makromolekulrnch ltek

o mnoho d vy

diplov polarizovatelnost2

3d kT

=

k Boltzmannova konstanta)

synonyma: polarizace diplov tepeln, orientand. Polarisace iontov - relaxan

vyskytuje se v iontovch ltkch s netsnm uloenm iont (anorganick skla, keramika) je provzena ztrtami energie v dielektriku, je zvisl na teplot a na kmitotu doba ustaven: 10-12 10-8 s

polarizovatelnost iontov-relaxan2

12irq

kT = l 2

l vzdlenost vysunut iontuII. Elektrick vodivost

Model dvojit potencilov jmy Mechanismus pohybu iont v kapalinch: peskokov mezi rovnovnmi polohami,

oddlenmi potencilovmi barirami - viz model dvojit potencilov jmy Siln zvislost konduktivity kapaliny na teplot je vyvolna pedevm vraznou teplotn

zmnou driftov pohyblivosti iont. Vyjden = F(T) vyplv z een modelu dvojitpotencilov jmy pedpokladu, e psobc elektrick pole nen pli siln.

Model dvojit potencilov jmy a matematick vyjden


40/143


Obr. 5.3 Model dvojit potencilov jmy

A. V neptomnosti elektrickho pole:

Pravdpodobnosti peskoku iontu p(A - B) =p(B - A)Koncentrace ion. pemsujcch se v 1 s

0 0 exp6AB BA

n f Wn

kT

=

n= (5.19)

B. V ptomnosti stejnosmrnho elektrickho pole v intenzitE:

Pravdpodobnosti peskoku iontup(A - B) >p(B - A)

Koncentrace iont pemsujcch se v 1 s

0 0 exp6ABn f W Wn

kT = 5.20a) (

0 0 exp6BA

n f W Wn

kT

+ =

5.20b) (

n0... koncentrace slab vzanch iont (pedpoklad - nemn se s teplotou) (m-3)6 ... dosazeno za zjednoduujcho pedpokladu, e ionty kmitaj ve smru os x, y, z

f0 ... kmitoet v1astnch tepelnch kmit okolo rovnovnch poloh (~1013 Hz)v mst loklnho minima (Hz)

W energie elektrostatickho pole (= q l E/2) (J)

00 6nf vyjaduje poet pokus peskoit potencilovou pehradu W (protoe f0 krt

za 1 s se kmitajc iont pohybuje ve smru +x)

expW

kT

ti iontu na pohybu ve smru +x vyjaduje pravdpodobnost as

Za pedpokladu W


41/143


Teplotn zvislost konduktivity je nsledn

2 expA W

T k =

(5.23)

T

Za vahy: 2A

AT

je expb

AT

=

W

bk

=

5.24) (

A,A1,A2,b materilov konstantyIII. Komplexn permitivita

A. Ppad: jedna relaxan doba (Debyeho teorie)

matematick formulace

*1

s

j = + + (5.25)

s statick permitivita (prof 0) optick permitivita (prof )

grafick vyjden

Coleho Cloeho kruhov diagramy

B. Ppad: distribuce relaxanch dob (s nejpravdpodobnj hodnotou 0)

B.a. Pstup: Debye Cole-Cole

matematick formulace*

101 ( )

s

j

= +

+ (5.26)

1,0 je initel, vyjadujc rozloen relaxanch as.

grafick vyjden

Coleho Coleho kruhov diagram se stedem pod osou

B.b. Pstup: Cole - Davidson


*

0(1 )s

j

= +

+ (5.27)

distribun initel

grafick vyjden

Coleho Davidsonv asymetrick diagram


42/143


B.c. Pstup: Havriliak Negami


*

1

0

1 ( )s

j

= +

+

(5.28)

grafick vyjden

Havriliakv Negamiho asymetrick diagram

Obr. 5.4 Zvislost = F() podle Havriliaka a Negamiho

5.1.2 Zvltn polarizan jevy

A. Zvltn polarizan jevy

Elektrostrikce Pyroelektrick jev Piezoelektrick jev

A.1 Elektrostrikce

Elektrostrikce. - mechanick deformace, tj. zmny geometrickch rozmr dielektrickhotlesa nsledkem polarizace. Psob-li elektrick pole na jakkoli dielektrikum, dochz k jehodeformaci tm, e se polarizac v jeho molekulch indukuj elektrick diply, kter se vesmru psoben pole vzjemn elektrostaticky pitahuj a tm se pibliuj. Tomuto

pibliovn brn sly prunosti materilu, take pitahovn molekul ustane v okamiku,jakmile nastane rovnovha mezi obma silami - elektrostatickmi a prunostnmi.

A.2 Pyroelektrick jev

Pyroelektrick jev se vyskytuje u vech pirozench krystalickch elektret, tj. u nkterchkrystal bez stedov soumrnosti, spontnn polarizovanch , take na jejich koncovch

povrchovch plochch jsou permanentn vzan nboje. Pyroelektrick jev spov v tom, ezahtm nebo ochlazenm krystalu se zmn vzdlenost mezi atomy a tm se zmn polarizaceuvnit krystalu. To se projev tm, e se zmn polarita obou konc krystalu: byl-li v chladnmstavu jeden konec krystalu nabit kladn a druh zporn, je tomu po zaht naopak.

Nsledkem vzanch elektrickch nboj by ml bt krystal trvale elektricky nabit. To sevak v normlnm stavu neprojevuje, ponvad na povrchu krystalu je vlhkost a neistoty,

jimi je nboj neutralizovn. Teprve zahtm nebo ochlazenm krystalu se tento rovnovnstav nboj poru a na obou koncch krystalu se objev pslun nboje. Pyroelektriky jsouvechny ltky se spontnn polarizac.

A.3 Piezoelektrick jev

Piezoelektrick jev spov v schopnosti nkterch krystalickch dielektrik, e semechanickou deformac (namhnm tlakem, tahem, ohybem nebo kroucenm) elektricky

polarizuj, m na jejich povrchu vzniknou elektrick nboje. Tento jev - tzv. pmpiezoelektrick jev, provzen vznikem piezoelektiny - se vyskytuje jen v krystalech sanizotropnmi vlastnostmi, kter nemaj sted soumrnosti (jsou stedov nesoumrn,acentrick). Takov ltky se nazvaj piezoelektrika (kemen, turmaln, boritokemiitan

Al-MgCa a etn ltky keramick.


43/143


Piezoelektinou se nazv i tzv. obrcen (reciprok) piezoelektrick jev - tj. schopnostdeformace (zmny rozmr nebo tvaru krystalu) psobenm vnjho elektrickho pole (E),

piem tato zmna rozmr je intenzit elektrickho pole pmo mrn.

Ponvad se tento jev asto chybn zamuje s elektrostrikc, je teba uvst rozdly meziobma jevy: elektrostrikce se vyskytuje u vech dielektrik bez vjimky, tedy i u tch, kter nejsou

piezoelektriky; elektrostrikce je mrn energii elektrickho pole, akumulovan v krystalu, je tedy

elektrostrikce mrnE2a nikoliEjako jev piezoelektrick.

Piezoelektrick vlastnosti maj vechny ltky feroelektrick: existuje vak mnohopiezoelektrickch ltek, kter nejsou feroelektriky.

B. Ltky Elektrety Piezoelektrika

Pyroelektrika FeroelektrikaLtky s nenulovou polarisac bez souasn ptomnosti vnjho pole

B.1 Elektrety

Polarizace je u nich sice vyvolna pedchozm psobenm vnjho pole, ale dlouhodobexistuje i po jeho vypnut.

Elektretem se nazv dielektrick tleso, kter je schopno po pedchoz polarizaci vytvet vesvm okol po dlouhou dobu elektrick pole.

Elektretov stav je mono vyvolat celou adou zpsob, podle nich se elektrety rozdluj na:

a) termoelektretypolarizace v elektrickm poli za souasnho ochlazen z vy teploty

b) fotoelektretypolarizace v elektrickm poli za souasnho osvtlen (dielektrika vyznaujc sefotovodivost)

c) elektroelektretypolarizace v elektrickm poli za pokojov teploty

d) magnetoelektretyochlazen roztaven ltky v silnm magnetickm poli

e) pseudoelektretyvytvoen prostorovho nboje v dielektriku orientovanm ozenm - nebo - paprsky

f) chemoelektretypolarizace aktivac iont ve vodivch kapalinch

Klasifikace elektret podle druhu nosi nboj

I. Diplov elektrety

Elektretov jev je vyvoln uspodnm dipl dielektrika nebo dipl pms (plastifiktory,vulkaniztory). Diply se uspodaj zahtm na teplotu tn v elektrickm poli a

ochlazenm za stlho psoben pole o intenzit cca 106

V m-1

. Tyto elektrety pat dokategorie termoelektret.


44/143


II. Elektrety s vnitnm prostorovm nbojem

Elektretov jev je vyvoln rznmi nosii nboje, jako jsou ionty neistot, ionty vody, cizmimikroskopickmi sticemi s nbojem, mikrokrystaly s piezoelektrickmi nebo

pyroelektrickmi vlastnostmi. Pi zaht dielektrika klesne viskozita matrice natolik, e senabit stice zorientuj a zanou putovat k piloenm elektrodm. Po ochlazen stoupneviskozita matrice natolik, e je zabrnno zptn migraci nosi prostorovho nboje. Vtomto ppad nemus mt dielektrikum elektricky aktivn molekuly. Tento druh elektret

pat rovn do skupiny termoelektret.

III. Elektrety s injektovanmi nboji

Elektretov jev je vyvoln ionty, kter se do dielektrika dostanou z okolnho prostedpsobenm elektrod piloench za studena k dielektriku. Jde o ionty pochzejc ze vzduchunebo ionty pedan pmo elektrodm. Nkdy se provd aktivace ve vodivch kapalinch(roztok NaOH, HCl, etylalkohol), kter jsou vydatnmi zdroji iont. Tento druh elektret

pat do skupiny chemoelektret.

IV. Elektrety s deponovanmi nbojiElektretov jev je vyvoln cizmi ionty nebo elektrony, kter se do dielektrika dostanou

plazmatickm vbojem na vzduchu nebo elektronovm bombardovnm ve vakuu. Vol setakov rychlost nboj, aby zstaly v maximlnm mnostv zachyceny v dielektriku.Obvykle se vol energie elektron v rozmez 10 a 50 keV.

Elektrety s vlastnmi nosii nboj (diplov elektrety a elektrety s vnitnm prostorovmnbojem) maj men stabilitu v zvislosti na ase a na teplot ne elektrety s deponovanminboji.

B.2 Piezoelektrika

Polarizace je u nich vyvolna psobenm vnjch mechanickch sil. Piezoelektina meexistovat pouze na krystalech. Z celkovho potu 32 krystalografickch td sepiezoelektrick jev vyskytuje ve 20 tdch. Jsou to vechno tdy bez stedu symetrie.

B.3 Pyroelektrika

B.4 Feroelektrika

Feroelektrikum je ltkou spontnn polarizovanou, jej polarizaci lze otoit piloenmelektrickm polem. Obrcen smru vektoru spontnn polarizace nazvme pepolarizac.

Z hlediska krystalov struktury se feroelektrika vyznauj tzv. pseudosymetri.Pseudosymetrick struktura je charakterizovna tm, e jej mkov parametry se jen velmi

mlo li od mkovch parametr struktury s vy symetri. Tak nap. u tetragonlnsymetrie plat pro dlky krystalovch os a b c. Vy symetri je krychlov, pro ni plata = b = c. Feroelektrick titaniitan barnat BaTiO

3 krystalizuje pi normln teplot vsymetrii tetragonln, u n pomr dlek os c : a = 1,01. Li se od jedniky tedy pouze o 1%,tud nepatrn od symetrie krychlov (kubick). kme proto, e BaTiO3 je tetragonln

pseudokubick.

Se zkladn charakteristikou feroelektrik, tj. s monost otoen smru spontnn polarisace,zce souvis tyto charakteristick fenomny feroelektrickho stavu:

hysteresn smyka, teplotn interval existence feroelektrickho stavu, kter je shora omezen tzv. Curieho

teplotou,


45/143


vysok hodnota permitivity a charakteristick jej teplotn prbh s maximem v Curiehobodu,

domnov struktura, piezoelektrick jev.

Feroelektrick ltky se asto oznauj jako ltky seignettoelektrick. Nzev je odvozen odSeignettovy soli (vinan sodnodraseln), na n byly feroelektrick vlastnosti poprv zjitny.

U pyroelektrik a feroelektrik existuje polarizace samovoln, spontnn bez jakhokolipedchozho vnjho psoben a nazvme ji proto polarisac spontnn. Me existovatpouze na krystalech, a to jenom u 10 ze 32 krystalografickch td. Vechny tyto tdy jsouobsaeny ve dvaceti tdch, u nich se vyskytuje piezoelektina. Vyznauj se tzv. polrnosou. Polrn osa neoto svj smr pi dn z pslunch operac symetrie. Z uvedenskutenosti vyplv, e vechna pyroelektrika a feroelektrika jsou vdy souasn i

piezoelektriky.

Rozdl mezi pyroelektriky a feroelektriky spov v tom, e u feroelektrik lze vektor

spontnn polarizace otoit piloenm vnjho elektrickho pole, u pyroelektrik nikoliv.Tento rozdl lze vak pokldat za vcemn formln, protoe meme pedpokldat, e i upyroelektrik by bylo mon obrtit vektor spontnn polarizace dostaten vysokm polem,jeho hodnota je vak vt, ne elektrick pevnost tuh ltky. Dve ne k pepolarizaci,dojde k elektrickmu prrazu.

U pyroelektrik i feroelektrik existuje tedy spontnn polarizace. Jej velikost se vak u obouskupin vrazn li. U feroelektrik m hodnotu dov 100 a 102 C cm-2, u pyroelektriknaproti tomu jen 10-2C cm-2, tedy podstatn men. Tak mal hodnoty se experimentlnvelmi obtn zjiuj, protoe elektrostatick pole buzen polarizanm nbojem pitahujevoln nboje vdy ptomn v ltce sam i v okolnm prosted, kter spontnn polarizaci

kompensuj. V praxi je proto u pyroelektrik mon mit pouze zmny spontnn polarizace,dve ne dojde ke kompensaci. Tyto zmny spontnn polarizace se nejsnze doshnouzmnou teploty; takto byly tak objeveny a odtud pochz nzev pyroelektina.

5.1.3 Struktura kemiitanStruktura kemiitan zklad struktury: kostra Si-O iont s velmi pevnmi vazbami vazba Si-O je polrn (sten kovalentn, sten iontov; kovalentn diplov);

ponvad iontov vazby rozhoduj o vlastnostech a chovn krystal, potaj sekemiitany (silikty) v prvm piblen k iontovm krystalm

kyslk Z = 8 K 2, L - 6k nasycen (vytvoen oktetu) chyb dva elektrony, aby vznikl aniont O2-kemk Z = 14 K 2, L 8, M 4me tvoit tyi vazby: Si ped svoje valenn elektrony tyem sousednm atomm Oa zsk tak konfiguraci oktetu

ionty kyslku jsou pomrn velk v porovnn s ionty kemku ; protoe sla vazby Si-O jevelk, rozlo se ionty kyslku ve vrcholech pravidelnho tystnu (tetraedru), take tmmal iont Si4+zcela obklop

tvorba tetraedr zkladn stavebn princip pro vechny krystalick kemiitany[SiO4]

tetraedr [ SiO4] nen valenn nasycen; k nasycen chyb kadmu iontu kyslku jetjeden elektron, aby vznikl aniont O2-; tento chybjc elektron mu me dodat bu atom kovu, s nm kyslk vytvo iontovou vazbu nebo


46/143


k nasycen dojde tm, e iont kyslku vytvo vazbu s dalm iontem kemku;ve druhm ppad je O2-spolen sdlen dvma ionty kemku (mstkov, nemstkovkyslk)

rozmanit tvary spojen [ SiO4] - rzn seskupen tetraedr; o typu spojen tetraedrrozhoduje pomr O : Si podle toho rzn struktury silikt.

Struktury silikt1. Struktura ostrvkov

samostatn tetraedry nebo dvojtetraedryforsterit Mg2[SiO4], olivn (Mg, Fe)2[SiO4], zirkon Zr[SiO4]

2. Struktura skupinovkruhov uspodan tetraedry trojlenn, tylenn nebo estilenn kruh

3. Struktura etzovnekonen etzy tetraedr

pyroxeny minerly zastoupen ve vyvelch horninch, jako enstatit Mg2[ Si2O6],spodumen LiAl[Si2O6], wollastonit Ca2[Si2O6]

4. Struktura psovnekonen dvojit etz aniont [Si2O6]4-minerly skupiny amfibol amfibolov azbesty

5. Struktura plonnekonen dvojrozmrn vrstva tetraedr [SiO4]slda, jlov minerly typu kaolinit, vermikulit; mastek

6. Struktura prostorovsouvisl trojrozmrn s - mrzn modifikace SiO2, ivce, zeolity pouit jako iontomni

1. Struktury ostrvkov

2. Struktury skupinov

Obr. 5.5 Ostrvkov a skupinov struktury kemiitan


47/143


5.1.4 Struktura a vlastnosti makromolekulrnch ltek

Makromolekulrn ltkyMakromolekulrn (vysokomolekulrn) ltky chemick sloueniny s vysokou molekulovouhmotnost, zpravidla vy ne 5 000, vtinou v rozsahu 104 107.

Zkladn klasifikace1. Anorganick makromolekulrn sloueniny (polymern oxid kemiit [SiO2]n nebohlinit [Al2O3]n; ada vysokomolekulrnch kemiitan, rozench pevn v zemskke)

2. Organick makromolekulrn sloueniny2.1 Prodn (celuloza, krob, blkoviny, prodn kauuk)2.2 Syntetick (plasty)

Vstavba a struktura organickch makromolekulrnch ltek

Zatmco nzkomolekulrn ltky vznikaj sluovnm jednoduchch ltek, je syntzamakromolekulrnch ltek zaloena na polyreakcch nenasycench nebo cyklickch

slouenin. Podmnkou reakc je, aby vchoz ltka (monomer) byla alespo bifunkn.Zkladnmi chemickmi reakcemi jsou polymerace, polykondenzace a polyadice. Polyadinreakce jsou mn ast; krom toho bvaj nkdy nesprvn zaazovny k reakcm

polykondenzanm. Makromolekuly jsou sloeny z velkho potu zkladnch stavebnchjednotek. Poet tchto jednotek v makromolekule udv tzv. polymeran stupemakromolekuly. Prmrn polymeran stupe je dov 102 104. Pznan je

polydisperznost jednotliv molekuly makromolekulrn ltky jsou rzn velk.

Na vlastnosti makromolekulrn ltky m vznamn vliv chemick sloen, molekulovhmotnost, tvar a struktura makromolekuly. Podle tvaru a uspodn makromolekuly serozliuj ltky

s linern, s linern a nsledn zesovanou a s prostorovou strukturou.

Typy makromolekul

Linern makromolekuly vznikaj postupnm pipojovnm vchoz nzkomolekulrn ltkyv jednom smru. Makromolekuly tvo v podstat dlouh etzec, dlky dov 10-7 m.Kratm sekem etzc se segment (obsahuje 10 20 atom zkladnho etzce). Ten jekineticky samostatn a kon tepeln pohyby jako molekuly ltek nzkomolekulrnch. Uritvolnost pohybu sek etzov molekuly m svj dsledek v ohebnosti linernchmakromolekul. Naproti tomu vnitn otivost kolem kovalentnch vazeb nen voln, nebo ji

omezuj vztahy k sousednm atomm nebo skupinm atom. Ohebnost molekul zvis tedy nainterakci. V relnch makromolekulrnch ltkch nejsou linern etzce rovn, ale rznzkroucen, svinut i vzjemn propleten. Nkter etzce jsou navc rozvtven, co jenejastji vyvolno tm, e nkter zkladn molekula je trifunkn. Pohyblivost rozvtvenchetzc je pochopiteln men ne u linernch. Linern makromolekulrn ltky tvo

podstatu termoplast, kter jsou rozpustn a taviteln.

V linernch etzcch, kter obsahuj asymetrick uhlk, mohou vznikat podle podmnekpolymerace rzn stereospecifick polymery. Jsou-li atomy, resp. skupiny atom stejnhodruhu ( R ) vzny vdy na te stran linernho etzce, tvo se izotaktick polymer.


48/143


H H

CH2 C CH2 C R R

pi pravidelnm stdavm rozmstn syndiotaktick polymerH R

CH2 C CH2 C R H

a pi nepravidelnm rozmstn ataktick polymer. Polymery s pravidelnm prostorovmuspodnm maj vhodnj fyzikln a chemick vlastnosti ne ataktick.

Zesovan makromolekuly vznikaj propojenm linernch etzc pnmi vazbami. Dj senazv zesovnm nebo vulkanizac. Nejznmj je vulkanizace kauuku srou, kdydochz k vytvoen mstk sloench z atom sry, kter spojuj navzjem jednotliv linernetzce. Dalmi vulkanizanmi inidly jsou peroxidy, speciln epoxidov neboformaldehydov pryskyice.

Vhodou dodatenho zesovn linernch molekul je monost zen hustoty zesovna tm i ovlivovn vlastnost vznikajcch produkt. Pi slabm zestn se charakteristickvlastnosti pli neli od ltek s linern strukturou, a na to, e ltky jsou nerozpustna netaviteln. Pi silnm zesovn nabvaj ltky vlastnost ltek s prostorovmimolekulami.

Prostorov makromolekuly vznikaj narstnm molekuly do prostoru ve vech smrech.Mohou vznikat z vchozch ltek, kter maj ti tzv. funkn (reaktivn) skupiny, schopntvoit chemick vazby. Dsledkem je velk pevnost makromolekuly, mal rozpustnosta netavitelnost.

Vazebn sly

V makromolekulrnch ltkch psob sly pitaliv a odpudiv. Dsledkem jejich psobenje konkrtn vzdlenost atom nebo st molekul. O vlastnostech makromolekulrnch ltekrozhoduj

primrn (hlavn) vazebn sly

sekundrn (vedlej) vazebn sly.Primrn (hlavn) je kovalentn vazba. Nasycen primrn kovalentn vazba pout atomyv molekule. Jej energie je pi pokojov teplot 200 800 kJ . mol-1 pi vzdlenosti(0,75 3) . 10-10 m. Jde o pomrn pevnou vazbu. Sekundrn (vedlej) jsou van derWaalsovy sly (disperzn, orientan-diplov, indukn), resp. vazba vodkovm mstkem.Psob jen na nepatrnou vzdlenost. Energie vazby je 2 40 kJ . mol-1 pi vzdlenosti(3 10) . 10-10m.

Krystalick a amorfn fze

Rentgenograficky se zjistilo, e ltky s linern strukturou mohou existovat v orientovanm

i v neorientovanm stavu. Tomu v polymeru odpovd krystalick a amorfn podl.Krystalick oblasti polymeru se oznauj jako krystality. Jsou to zny, v nich jsou polymernmoleku

Date post:	12-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	vesepeja
View:	79 times
Download:	0 times

Materialy a Vyrobni Procesy

Documents