ingineria materialelor.pdf

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVAFACULTATEA DE ELECTROMECANICĂ

INGINERIA MATERIALELOR

- curs -Învăţământ cu frecvenţă redusă

Conf. dr. ing. Sonia DEGERATU

CRAIOVA - 2006

INTRODUCERE

MATERIALELE

Competitivitatea economică a viitorului a determinat obţinerea unor produse cu parametri ridicaţi,la care concepţia geometrico-funcţională se combină cu utilizarea la maxim a proprietăţilor de material.Aceasta a impus utilizarea de materiale noi şi de tehnologii de fabricaţie adaptate acestora.

Condiţii speciale pentru elaborarea de materiale impun, mai ales, domeniile de vârf – aerospaţial,electronic şi energetic – prin exigenţele ridicate de procesele care au loc în sistemele tehnice ale acestordomenii (nave spaţiale, motoare şi rachete, calculatoare electronice, reactoare nucleare).

Aceste cerinţe şi condiţii, a căror evoluţie are un pronunţat caracter dinamic, completate cuprocesul de epuizare a resurselor au determinat mutaţii de-a dreptul revoluţionare în domeniulproducţiei de materiale, în special în trei direcţii:

folosirea unor înlocuitori ai materialelor clasice şi crearea de materiale noi; elaborarea şi dezvoltarea unor tehnologii noi, bazate pe aplicarea rapidă în producţie a unor

descoperiri ştiinţifice, numite tehnologii neconvenţionale; reciclarea şi refolosirea materialelor prin utilizarea de procedee mecanice, chimice şi biologice.

1 MATERIALELE

Materialele au definit în toate timpurile nivelul de dezvoltare al civilizaţiei noastre. Primiipaşi ai umanităţii au fost marcaţi de Epoca Pietrei, Bronzului şi Fierului. Astăzi, acestea joacă un roldeterminant în toate mutaţiile tehnologice. Oricare ar fi specialitatea inginerului, el nu poate nici săconceapă, nici să construiască noi obiecte fără să ţină cont de comportamentul materialelor, întrucâtproprietăţile lor limitează, adesea, performanţele maşinilor şi echipamentelor din care fac parte.

Proprietăţile materialelor sunt definite de natura legăturilor chimice, aranjamentul atomic şimicrostructură. Studiul relaţiilor între organizarea la scară atomică, microstructură şi proprietăţilematerialelor, constituie domeniul Ştiinţei Materialelor. Utilizarea materialelor depinde în acelaşitimp de disponibilitatea şi costul lor, de uşurinţa cu care acestea pot fi turnate în forme şi decompatibilitatea lor cu mediul înconjurător.

1.1 Modul de definire a unui materialMateria din care este format mediul înconjurător este compusă din particule discrete, având

o mărime submicroscopică, ale cărei legi de comportament sunt descrise în teoriile atomice. Stărilede organizare ale materiei sunt foarte variate, începând cu dezordinea completă a atomilor saumoleculelor unui gaz sub presiune scăzută până la ordinea aproape perfectă a atomilor într-unmonocristal.

În această lucrare se definesc materialele ca fiind elementele utilizate de către om pentrufabricarea obiectelor care constituie suportul cadrului său de viaţă.

În realitate, nici un obiect nu poate fi realizat fără materiale. Toate sectoarele activităţiiumane depind de materiale, de la fabricarea unui circuit integrat până la construirea unui barajhidroelectric. Ele apar în corpul nostru pentru a consolida sau a substitui biomaterialele deteriorate.Materialele sunt, de asemenea, indispensabile pentru societatea noastră ca şi hrana, energia şiinformaţia. Avem adesea tendinţa să uităm rolul lor esenţial.

1.2 Diversitatea materialelorMaterialele sunt adesea caracterizate prin funcţia lor sau prin cele mai tipice proprietăţi ale

lor: materiale cu rezistenţă mecanică mare, conductoare electrice, magneţi permanenţi etc. Pentru acunoaşte cel mai bine funcţiile multiple pe care trebuie să le îndeplinească materialele, se prezintămai jos compoziţia unei linii electrice de înaltă tensiune.

Ingineria materialelor2

Cablul purtător al curentului electric trebuie să fie un bun conducător de electricitate. Cumtensiunea electrică este foarte ridicată, se suspendă cablurile, folosind aerul ca izolant: aceasta estecauza existenţei stâlpilor. Pentru a limita numărul de stâlpi, cablul trebuie să fie uşor şi foarterezistent la rupere. Cele mai bune conductoare electrice sunt metalele în stare cât mai pură: cuprul şialuminiul, însă acestea nu au o rezistenţă mecanică suficientă. Trebuie, deci, să folosim un cablucompus din mai multe materiale. Miezul cablului este realizat din fire de oţel, foarte rezistente lasolicitări mecanice mari, dar caracterizate printr-o conductivitate electrică mai slabă. Transportulenergiei electrice este în mare parte asigurat de firele de aluminiu dispuse în jurul miezului din oţel.

Stâlpii sunt fabricaţi din oţel pentru a rezista la tracţiunea cablului. Oţelul trebuie să fie protejatîmpotriva coroziunii printr-un lac, un material polimeric sau printr-un înveliş metalic, cum ar fi zincul,care conferă oţelului o mare rezistenţă la coroziune. Elementele izolante sunt necesare pentru a fixacablurile pe stâlpii metalici. Această funcţie este îndeplinită de izolatorii din porţelan (un materialceramic). Betonul, alt material ceramic, este utilizat pentru ancorarea stâlpilor în sol.

În concluzie, sunt necesare o mulţime de materiale pentru realizarea unei linii de înaltătensiune, iar combinarea lor riguroasă permite stabilirea unui sistem funcţional. Acest exemplurelativ simplu, arată că orice realizare tehnică pune, în general, în joc un număr mare de materiale.

2 CLASIFICAREA MATERIALELOR

Diversele materiale pot fi clasificate după compoziţia, microstructura sau proprietăţile lor.Ţinând cont de toate acestea, materialele s-au împărţit în trei mari grupe:

metalele şi aliajele lor; polimerii organici; materialele ceramice.Această clasificare poate fi examinată cu ajutorul Tabelului Periodic al Elementelor

(Tabelul lui Mendeleev).Cea mai mare parte a elementelor (la stânga şi în centrul Tabelului lui Mendeleev) o

reprezintă metalele. Partea din dreapta tabelului este ocupată de nemetale, cum ar fi oxigenul. Înzona intermediară, între metale şi nemetale, se găseşte un anumit număr de elemente, cum ar ficarbonul şi siliciul (semiconductoare), care se omit la o clasificare simplă.

La temperatura ambiantă, cea mai mare parte a metalelor sunt solide atomice. Metalele celemai utilizate sunt cuprul, aluminiul şi fierul. Aliajele metalice sunt, în general, combinaţii de douăsau mai multe metale, ca în cazul alamelor (aliaje de cupru şi zinc), dar mai pot conţine şi elementenemetalice. Printre aceste tipuri de aliaje se găsesc, de exemplu, oţelurile (aliaje fier-carbon).

Metalele şi aliajele lor sunt de obicei foarte bune conducătoare de căldură şi electricitate şiopace la lumina vizibilă. Ele sunt cel mai adesea dure, rigide şi deformabile plastic.

Polimerii organici sunt materiale compuse din molecule formând, în general, lanţuri lungide atomi de carbon pe care sunt fixate elemente ca hidrogenul sau clorul, ori grupuri de atomi caradicalul metil (-CH3). Alte elemente ca sulful, azotul, siliciul etc. pot, de asemenea, să intervină încompoziţia lanţului.

Polimerii organici cei mai cunoscuţi sunt policlorura de vinil (PVC), polietilena (PE) şipolistirenul (PS). Cel mai adesea polimerii sunt cunoscuţi prin mărcile lor de fabrică: polimetacrilatde metil (PMMA: Plexiglas), poliamida (PA: Nylon), politetrafluoretilena (PTFE: Teflon).Polimerii organici au proprietăţi fizice variate (sticla organică, cauciucurile…). Polimerii organici,în mod curent, sunt izolanţi electrici şi termici. Sunt uşor de turnat în forme şi, contrar metalelor, eisunt puţin rigizi şi nu suportă, pentru mult timp, temperaturi mai mari de 2000 C.

Materialele ceramice sunt materiale anorganice care rezultă din combinarea unui anumitnumăr de elemente metalice (Mg, Al, Fe…) cu alte elemente nemetalice, cel mai uzual fiindoxigenul. Iniţial, termenul de ceramică a fost rezervat oxizilor (silitele SiO2, alumina Al2O3…).Există din ce în ce mai mult tendinţa de a lărgi această clasificare incluzând şi alte combinaţii deatomi cum ar fi carbura de tungsten (WC) sau nitrura de siliciu (Si3N4).

Introducere3

Materialele ceramice se disting prin caracterul lor refractar, ceea ce înseamnă că aurezistenţă mecanică şi termică ridicată. În cea mai mare parte, aceste materiale sunt izolanţi electricişi termici, deşi printre ceramice se găsesc şi cele mai bune conductoare termice (diamantul, grafituletc.). Ceramicele sunt în general foarte dure şi fragile. Sticlele minerale, care sunt combinaţii de oxizi(SiO2 + Na2O + CaO) cu structură amorfă, aparţin de asemenea clasei de materiale ceramice.

Cele trei tipuri de materiale pot fi combinate pentru a forma materialele compozite. Unmaterial compozit este format din două sau mai multe materiale diferite care combină în modsinergetic proprietăţile lor specifice. Este cazul răşinilor epoxidice (polimeri) întărite cu fibre desticlă, care formează un compozit uşor şi cu mare rezistenţă mecanică. Betonul, amestecul deciment, pietriş şi apă, reprezintă un alt exemplu de material compozit.

Împărţirea materialelor în trei clase principale, bazată adesea pe caracteristicile atomice,structurale şi pe proprietăţi, este comodă dar, ea prezintă un anumit caracter arbitrar. Astfel,diamantul, care poate fi considerat un polimer tridimensional, este un material organic din momentce el este compus din atomi de carbon. Totuşi, duritatea şi proprietăţile sale mecanice îl leagă maidegrabă de ceramice. La fel, conductivitatea electrică nu este numai apanajul metalelor deoareceanumiţi oxizi (VO2, un material ceramic) şi câţiva polimeri organici sunt conductoare electrice.

Orice clasificare a materialelor prezintă deci un anumit caracter arbitrar, în cazul de faţăneexistând o delimitare clară între cele trei clase de materiale.

Pot fi făcute şi alte clasificări bazate pe anumite proprietăţi specifice ale materialelor, cum ar ficonductivitatea (materiale conductoare, semiconductoare şi izolante).

3 PROPRIETĂŢILE MATERIALELOR

Comportamentul unui material este caracterizat de reacţia sa la o solicitare. Proprietatea unuimaterial se defineşte ca fiind măsura comportamentului

său la o încercare. După tipul de solicitări exterioare se pot distinge trei categorii de proprietăţi: proprietăţile mecanice care reflectă comportamentul materialelor deformate de sistemele

de forţe; proprietăţile fizice care măsoară comportamentul materialelor supuse la acţiunea

temperaturii, a luminii şi a câmpurilor electrice sau magnetice; proprietăţile chimice care caracterizează comportamentul materialelor supuse la un

mediu ambiant mai mult sau mai puţin agresiv.Realizarea proiectelor concepute de un inginer este adesea limitată de proprietăţile

materialelor disponibile. Orice progres tehnologic important este aproape tot timpul legat dedezvoltarea materialelor dotate cu proprietăţi îmbunătăţite sau de noile materiale. Astfel, se ştie căeste posibilă creşterea substanţială a randamentului energetic al turbinelor pe gaz şi al motoarelordiesel prin funcţionarea lor la temperatură foarte ridicată. Punerea la punct a acestor motoareperformante este condiţionată de obţinerea noilor aliaje metalice sau a noilor ceramice care săreziste la temperaturi ridicate.

Anumite proprietăţi derivă direct din aranjarea atomilor şi din natura legăturilor. Este cazulopacităţii metalelor, a transparenţei sticlelor sau a extensibilităţii cauciucurilor.

Într-un număr mare de cazuri, structura internă a materialelor este compusă din grăunţi sauparticule de mărime microscopică, cu o morfologie determinată care constituie microstructura. Aşacum se va vedea mai departe, un număr important de proprietăţi fizice, chimice şi mecanice alematerialelor depind strict de această microstructură.

4 CRITERIILE DE ALEGERE A MATERIALELOR

Utilizarea materialelor pune problema alegerii celui mai bun material, adaptat unei anumiteaplicaţii. Criteriile de alegere a materialelor trebuie să ţină cont de o serie de cerinţe de ordintehnic şi economic.


4.1 Comportamentul intrinsec al materialuluiComportamentul materialului este dat de proprietăţile lui specifice: mecanice, fizice,

chimice, cum ar fi rezistenţa la rupere, la uzură, la coroziune, conductibilitatea etc. Materialultrebuie ales astfel încât, pe durata de viaţă impusă echipamentului din care acesta face parte,proprietăţile lui caracteristice să nu scadă sub valorile prestabilite pentru o bună funcţionare aechipamentului.

4.2 Principalele funcţii ale construcţieiLa punerea în lucru şi în timpul funcţionării echipamentului, materialele componente sunt

supuse la acţiunea mai multor factori, de natură şi intensitate diferită, care pot acţiona combinat sauseparat, modificând astfel proprietăţile materialelor. Este important ca, sub acţiunea acestor factori,proprietăţile materialului să nu scadă sub valorile prestabilite pentru o bună funcţionare aechipamentului, pe durata de viaţă a acestuia.

De aceea, la alegerea materialului, trebuie să se ţină seama de modul de punere în sarcină, detemperaturile şi condiţiile generale de utilizare etc.

4.3 Mediul de funcţionareMediul, prin agenţii lui corozivi: umiditatea, temperatura, vântul, radiaţiile, termitele,

bacteriile, “îmbătrâneşte” orice material. Alegerea trebuie astfel făcută încât, sub acţiunea factorilorde mediu, care acţionează pe perioada funcţionării, proprietăţile materialului să nu scadă subvalorile prestabilite pentru o bună funcţionare.

4.4 Considerentele de ordin economicLa stabilirea preţului unei soluţii constructive pentru un echipament trebuie să se ţină seama

de următoarele considerente de ordin economic, legate strâns de materialul utilizat: preţul de cost al materialului; tehnologia de prelucrare a materialului, care trebuie să fie simplă, rapidă şi ieftină; perioada şi condiţiile de stocare ale materialului, corelate cu fluxul tehnologic şi cu

posibilităţile utilizatorului; durata de viaţă a materialului, care trebuie să fie cât mai mare astfel încât durata de viaţă

a echipamentului din care face parte să fie cât mai ridicată.Durata de viaţă (D) reprezintă timpul în care, sub acţiunea solicitărilor care apar în

funcţionare, proprietăţile nu scad sub valorile prestabilite pentru o bună funcţionare. Solicitările (S)pot fi de natură şi intensitate diferită (electrice, mecanice, termice, radiante etc.), putând acţionaseparat sau combinat. Sub acţiunea prelungită a acestor solicitări în materiale se desfăşoară procesefizico-chimice ireversibile care duc la o înrăutăţire (îmbătrânire) continuă a proprietăţilor lor, astfelîncât, după un anumit timp, acestea nu-şi mai pot îndeplini rolul pentru care au fost alese înconstrucţia unui echipament. Procesele care intervin în degradarea materialelor sunt variate şinumeroase.

Curba duratei medii de viaţă a unui material, este acea curbă care ne dă, pentru oricevaloare a solicitării, durata de viaţă a acestuia.

Cunoaşterea curbei duratei medii de viaţă înseamnă determinarea coeficienţilor ecuaţiei (1.1):f(S, D) = 0 , (1.1)

în care: S este solicitarea, iar D este durata de viaţă.În general, dacă solicitarea este temperatura, ecuaţia (1.1) se poate exprima printr-o lege de

tip Arrhenius, adică o relaţie liniară între logaritmul duratei corespunzătoare unei anumite degradăria proprietăţilor şi inversul temperaturii absolute, deci:

T

B

AeD , (1.2)în care: A şi B sunt constante caracteristice materialului, T este temperatura absolută în Kelvin, iar Deste durata de viaţă exprimată în ore.

Introducere5

Să presupunem că avem două materiale notate cu (1) şi (2), cu aceleaşi proprietăţi, carefuncţionează în aceleaşi condiţii de utilizare şi care au curba duratei medii de viaţă reprezentată înfigura 1.

De asemenea, se presupune că temperatura de funcţionare a echipamentului, din care facparte cele două materiale, este de 1200C (393 K). Conform figurii 1.3, la această temperatură defuncţionare, durata de viaţă a materialului (1) este de 100 h, în timp ce a materialului (2) este de10000 h. În aceste condiţii, în mod sigur, materialul (2) va fi mai scump.

4.5 Compatibilitatea materialelor în condiţiile concrete de utilizare şi limitele acesteicompatibilităţi

Deoarece materialele se utilizează fie grupate în diferite scheme de izolaţie, fie în contactdirect unele cu altele, fie cu mediul înconjurător, fie cu alte medii utilizate ca agenţi de răcire,prezintă o deosebită importanţă cunoaşterea compatibilităţii fiecărui material faţă de corpurile cucare vine în contact.

Compatibilitatea materialelor este proprietatea acestora de a coexista pe perioadafuncţionării, fără a-şi degrada reciproc proprietăţile.

Un exemplu clasic de incompatibilitate îl constituie izolarea directă a conductoarelor dincupru cu cauciuc vulcanizat, deoarece cuprul reacţionează cu sulful (pe care îl extrage din cauciuc),ceea ce determină o deteriorare rapidă a izolaţiei.

Limitele de compatibilitate se referă la valorile limită ale parametrilor caracteristici uneibune funcţionări, valori până la care materialele în contact rămân compatibile.

În dezvoltarea unei tehnologii, este frecventă înlocuirea unui material cu altul, fie din motivede performanţă, fie din motive economice. Astfel, iniţial, caroseria automobilelor era din lemn.Progresiv, lemnul a fost înlocuit cu metalul, acesta din urmă fiind la rândul său înlocuit cu polimeriorganici. Dacă metalul a substituit lemnul, aceasta s-a produs pentru că el se modelează mai uşor şipentru că are proprietăţi controlabile. În acest fel, fabricarea în serie mare se poate realiza cuuşurinţă.

Astăzi, se tinde către simplificarea structurilor pentru a realiza economii energetice. Aceasta,explică introducerea în construcţia automobilelor a numeroşi polimeri organici care au densitatea,

, de aproximativ 3dmkg5,1 , pe când cea a tablei de oţel, care constituie cea mai mare parte acaroseriei, este de aproximativ 3dmkg8 . Paralel, se tinde spre uşurarea caroseriilor, prinutilizarea tablelor de oţel foarte subţiri, cu mare rezistenţă, produse printr-o mai bună cunoaştere amecanismelor de durificare (oţel armat cu granule fine).

Fabricarea sticlei pentru ceasuri a suferit, de asemenea, cu trecerea anilor, o evoluţieconsiderabilă. Mai întâi, s-a înlocuit sticla minerală fragilă cu sticla organică (polimer) rezistentă laimpact, dar radiantă. În prezent se revine parţial la un material ceramic: o placă de monocristal desafir sintetic care combină rezistenţa la şoc cu rezistenţa la radiaţii.

lgt

t (0C)80

t (0C)


Noile materiale care asociază fibra de carbon cu polimerii organici constituie compoziteunidirecţionale foarte uşoare ( 3dmkg5,1 ), dintre care unele au rezistenţe mecanice mai maridecât ale celor mai bune oţeluri. Aceste compozite pătrund în forţă în domeniul aviaţiei, alconstrucţiei automobilelor şi al fabricării articolelor sportive.

5 ŞTIINŢA MATERIALELOR

Exemplele prezentate mai sus arată că, materialele sunt în continuă dezvoltare. Un materialpus la punct pentru o anumită aplicaţie, adesea, poate fi mai puţin important pentru alte domenii aletehnologiei. Această dezvoltare mereu crescândă a dus, în ultimii 50 de ani, la naşterea ştiinţeimaterialelor.

Conceptul ştiinţei materialelor a luat naştere din necesitatea stăpânirii proprietăţilormaterialelor prin cunoaşterea legilor fundamentale care guvernează comportamentul lor. ŞtiinţaMaterialelor are ca obiectiv stabilirea relaţiilor existente între compoziţia şi organizarea atomicăsau moleculară, microstructura şi proprietăţile macroscopice ale materialelor. Această ştiinţă estecompletată de aptitudinile materialelor în domeniul procedeelor de fabricaţie, al transformării şiturnării în forme.

Cunoaşterea fundamentală a materialelor nu era necesară atâta timp cât omul era mulţumitcu argila, lemnul şi lâna etc. pentru satisfacerea nevoilor sale. Experienţa acumulată de metalurgiştişi ceramişti, pe parcursul a mii de ani, nu mai este suficientă pentru satisfacerea nevoilorcontemporane şi pentru adaptarea produselor la exigenţele complexe ale tehnologiei moderne. Oapropiere unificată, cantitativă şi fundamentală, a descrierii comportamentului materialelor deinginerie, a devenit indispensabilă.

Ştiinţa materialelor este multidisciplinară deoarece necesită conlucrarea specialiştilor dindiferite ramuri ale ştiinţei şi tehnicii: chimişti, fizicieni, ingineri (mecanici, electricieni, ingineri dindomeniul construcţiei civile).

În prezent, asistăm la constituirea, ca ramură de ştiinţă distinctă, a disciplinei de materiale,cu legi şi finalităţi proprii, cu tendinţe caracteristice de evoluţie. Cunoaşterea profundă aproprietăţilor de materiale – baza ştiinţei materialelor – constituie o necesitate a pregătirii nu numaia acelora care realizează materiale, ci şi a celor care, folosindu-le, trebuie să urmărească exploatarealor în condiţii optime, cu randament şi fiabilitate maximă.

6 BIBLIOGRAFIE1. Altenpohl, D., Materials in World Perspective, Springer, Berlin, 1980.

2. Kurz, W., Mercier, J., Zambelli, G., Introduction à la science des matériaux, Presses polytechniques romandes,Lausanne, 1987.

3. Ifrim, A., Noţingher, P., Materiale electrotehnice, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1979.4. Frank, E., Zitter, H., Metallische Implantate in der Knochenchirurgie, Springer, Berlin, 1971.

5. Gordon, J. E., The New Science of Strong Materials or Why You Don’t Fall Through the Floor,, Penguin, NewYork, 1976.

6. Guinier, A., La structure de la Matière, Hachette, Paris, 1980.

7. Guy, A.G., Essentials of Materials Science, McGraw-Hill, Kogakusha, Tokyo, 1976.

8. Kovach, K., The Rational Use of Potentially Scarce Metals, NATO Science Committee, Brussels, 1976.

9. Saager, R., Metalllische Rohstoffe von Antimon bis Zirkonium, Bank von Tobel, Zürich, 1984.

10.***, Materials and Man’s Needs, Materials Science and Engineering, National Academy of Sciences, Washington,D. C., 1974.

11. Van Vlack, H.W.A., Textbook of Materials Technology. Reading, Massachusetts Addison-Wesley, 1973.

12. Hull, D., An Introduction to Composite Materials, Cambridge Solid State Series, Cambridge University Press,Cambridge, 1981.

CAPITOLUL 1

STRUCTURA MATERIALELOR

În acest capitol se prezintă elementele componente ale materialelor: atomii şi moleculele.Atomii sunt formaţi din particule elementare submicroscopice (nucleoni şi electroni). Printreacestea amintim electronii periferici care joacă un rol important în studiul proprietăţilormaterialelor. Interacţiunile dintre electronii periferici stau la originea forţelor de legăturiinteratomice şi intermoleculare care conduc la formarea unei stări condensate rigide, numită solid.

1.1 STRUCTURA MATERIEI

Pentru a înţelege, cel puţin calitativ, proprietăţile materialelor este evident necesarăcunoaşterea structurii materiei.

Materia apare chimic sub formă unitară: atomi în cazul elementelor chimice şi molecule încazul compuşilor poliatomici stabili.

Atomul este cea mai mică unitate structurală a materiei care mai păstrează proprietăţilefizico-chimice ale elementului chimic din care provine. De aceea diferenţa dintre proprietăţileelementelor chimice este dată de diferenţa dintre structurile lor atomice. Prin urmare, înainte de atrece la structura materialelor propriu-zise, adică a elementelor şi combinaţiilor lor chimice, seprezintă problemele legate de structura atomului.

1.2 STRUCTURA ATOMULUI

Atomul este constituit dintr-un ansamblu de particule elementare având sarcini electricediferite. El este format dintr-un nucleu, compus din protoni şi neutroni, înconjurat de electroni.Numărul electronilor defineşte numărul atomic Z. Atomul are sarcina globală nulă, deoarecenumărul electronilor (încărcaţi negativ) corespunde numărului de protoni (încărcaţi pozitiv).

Sarcina electrică a unui electron şi a unui proton este egală cu 19106,1 C, în timp ce toţineutronii au sarcina nulă. Prin urmare numarul numarul protonilor dintr-un atom este tot Z.

Atomii si moleculele fiind foarte mici, masele lor nu pot fi exprimate convenabil folosindunitatile de masa conventionale, ci se utilizeaza unitatea atomica de masa, notata cu u. Printr-oconventie internationala, aceasta unitate a fost definita ca fiind egala cu a 12-a parte din masaatomica a izotopului de carbon C12

6 . Ea are valoarea aproximativa u =1,66.10-27 Kg.

Cu ajutorul spectroscopiei de masa s-au definit masele componentilor atomului. Au rezultaturmatoarele valori:

- masa unui proton: mp≈1u;- masa unui neutron: mn≈1u;

- masa electronului: mē= u1837

1 (deci, practic, masa electronilor se poate neglija in raport

cu masa celorlalti componenti).In conluzie, masa atomului va fi, practic, data numai de componentii nucleului: protoni si neutroni.Spectroscopia de masa a aratat ca masele atomice ale tuturor elementelor chimice, exprimate

in unitati atomice de masa (u), sunt foarte apropiate de niste numere intregi. Numarul intreg cel maiapropiat de masa atomica exprimata in unitati atomice de masa se numeste numar de masa si senoteaza cu A.Din definitia numarului de masa rezulta ca A.u reprezinta masa atomica.


Cu exceptia hidrogenului, s-a constatat ca: A.u ≠ Z.u, unde Z.u reprezinta masa protonilor. Diferentade masa uZuA va fi data de masa neutronilor. Cum masa unui neutron este egala cu u, rezultaca numarul de neutroni este egal cu ZA .

Simbolizarea elementelor chimice se face conform relatiei:XA

Z (1.1)în care:

X – elementul chimic;A - numarul de masa;Z – numarul atomic.

Componentii nucleului se numesc nucleoni. Nucleonii pot fi:- izotopi care au acelasi Z si A diferit (de exemplu izotopii hidrogenului: HidrogenH1

1 ;

DeuteriuH21 ; TritiuH3

1 );

- izobari care au acelasi A si Z diferit (de exemplu: Ar4018 ; Ca40

20 ).Concluzii:1. Intreaga sarcina pozitiva a atomului este concentrata in nucleu si este data de cei Z protoni.2. Aproape intreaga masa a atomului este concentrata in nucleu si este data de cei Z protoni si de cei

ZA neutroni.3. Purtatorii de sarcina negativa sunt electronii care graviteaza in jurul nucleului pe niste zonenumite oribitali, creand nori de electricitate negativa.

Orbitalii se diferentiaza prin dimensiune, excentricitate, orientare si energie, pe un orbitalgasindu-se maxim 2 electroni de spin opus.Exemple:- orbitalii de tip s, in numar de 1, au forma sferica si contin maxim 2 electroni;- orbitalii de tip p, in numar de 3, au forma lobara si sunt orientati dupa cele trei directii in spatiu sicontin maxim 6 electroni;- orbitalii de tip d, in numar de 5, au forma complicata si contin maxim 10 electroni;- orbitalii de tip f, in numar de 7, cu forma complicata ce contin maxim 14 electroni.

Analiza spectrala a aratat ca fiecare element chimic emite spectrul sau caracteristic. Gazeleatomice la incandescenta emit un spectru de linii, gazele moleculare emit spectre de banda (benzispectrale), solidele si lichidele aduse la incandescenta emit un spectru continuu format dintr-osuccesiune continua de culori: rosu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo si violet.Analizand, deci, spectrul emis de o sursa spectrala putem afla compozitia chimica a sursei.Etalonandu-se in lungimi de unda scala rigletei, se poate masura direct lungimea de unda λ afiecarei linii spectrale. De exemplu, s-a putut stabili ca atomul de Na emite doua radiatii galbene,foarte apropiate cu lungimile de unda λ1=589nm si λ2=589,6 nm, in timp ce Hg emite 7 liniispectrale, Ne emite 20 linii spectrale.

Modelul lui Bohr (format dintr-un nucleu si un singur electron) nu mai putea explicaspectrele complicate emise de atomii cu mai multi electroni, in care pe langa interactiunile nucleu-electroni apar si interactiuni de tip electron-electron. Primele abateri au aparut in spectrele metaleloralcaline.

1.3 NOTIUNI DE FIZICĂ CUANTICĂ

Pentru a putea explica fenomenele legate de structura atomului se apeleaza la mecanica cuantica.

1.3.1 Postulatele lui BohrPostulatul 1: Starile legate (stationare) ale atomului sunt acelea in care atomul nu primeste

si nu cedeaza energie (energia ramane constanta). In starea legata energia cinetica este mai micadecat energia potentiala in valoare absoluta si electronul este obligat sa graviteze pe o orbita inchisain jurul nucleului.

Structura materialelor 9

Et=Ec+Ep < 0 (1.2)

042 0

22

r

evmE e

t starea legata fig 1.1).

Starea libera este starea in care energia cinetica a electronului, care se misca pe o traiectoriedeschisa, este mai mare decat valoarea absoluta a energiei potentiale de atractie:

Et=Ec+Ep >0 (1.3)Electronul se misca pe traiectorii deschise, hiperbolice, situatie energetica fiind cea din

figura 1.2.Energia de legatura Wleg este egala cu lucrul mecanic necesar desfacerii sistemului electron-

nucleu in partile lui componente izolate in stare de repaus. Energia in starea initiala este 0.Wleg=L= -ΔE= -(Et-Ei)= -Et= -Et ; (Ei=0) :

- in starea legata energia de legatura Wleg= -Et >0;- in starea libera energia de legatura Wleg= -Et <0.

Pentru ca un electron sa paraseasca atomul trebuie sa i se furnizeze o energie mai mare decatenergia de legatura. Apare astfel un ion pozitiv, iar electronul se va deplasa cu energia egala cudiferenta dintre energia furnizata si energia de legatura.

Postulatul 2. Atomii absorb sau emit radiatie electromagnetica numai la trecerea dintr-ostare staionara m intr-o alta stare stationara n. Radiatia emisa sau absorbita intr-o asemenea tranzitieare frecventa υmn determinata de relatia:

nmmn EEh , (1.4)unde h – constanta lui Planck ( h=6,626.10-34 J).

1.3.2 Numerele cuanticeIn atomul cu mai multi electroni, electronilor le corespund o multitudine de stari. Ordonarea

acestor stari a fost posibila prin introducerea celor patru numere cuantice. Orice combinatie intreaceste numere ne da o anumita stare stationara a electronului.

Deci, fiecare atom posedă un anumit număr de orbitali electronici care sunt caracterizaţi prinvalori definite ale energiei. Completarea orbitalilor cu electroni începe de la cei cu energia cea maiscăzută. Un anumit orbital al atomului este în întregime caracterizat de valorile a trei numerecuantice n, l şi ml.

Numărul cuantic principal n defineşte mărimea orbitalului. El poate lua toate valorileîntregi şi pozitive cu excepţia valorii zero: n = 1, 2, 3, … Starea de energie minimă este asociatăvalorii n = 1. Aceste niveluri de energie sunt adesea definite prin literele K, L, M, N, … carecorespund respectiv la n = 1, 2, 3, 4, … Prin urmare, n cuantifică valoarea energiei.

Numărul cuantic orbital (unghiular) l determină forma orbitei. El este asociatmomentului cinetic al electronului pe orbita sa, cuantificându-i valoarea, conform relaţiei (1.5).

E

Fig . 1.2. Energiile in starea libera a atomului

E

Fig. 1.1. Energiile in starea legata a atomului

Et


)1l(lL , (1.5)

în care,2h

, cu h constanta lui Planck În această expresie m şi v sunt masa şi, respectiv, viteza

particulei, iar h este constanta universală a lui Planck ( Js10626,6h 34 ).Acest număr este legat de valoarea lui n. Pentru un n dat, l ia tot n valori, cuprinse între 0 şi

n 1. Subnivelurile energetice, corespunzătoare fiecărei valori a numărului cuantic orbital l = 0, 1,2, 3, …, se definesc printr-o literă s, p, d, f,… Această literă este plasată după numărul cuanticprincipal n. Nivelul de energie 2p corespunde, deci, numerelor cuantice n = 2 şi l = 1. În absenţacâmpului magnetic sau electric, altul decât cel creat de nucleu, toţi orbitalii având aceeaşi valoare alui n şi l au aceeaşi energie.

Deci, numai valoarea numărului cuantic orbital l este cea care determină forma orbitei.Această formă nu depinde de valoarea numărului cuantic principal n. Toţi orbitalii de tip s (l = 0) auo simetrie sferică (fig. 1.3(a)). Orbitalii de ordin superior (p, d, …) au o formă mult mai complexă.Astfel, orbitalii de tip p (fig. 1.3(b)) sunt constituiţi fiecare din doi lobi, separaţi printr-un plan undedensitatea electronică este nulă (plan nodal). Orbitalii de ordin superior au însă o formă şi maicomplexă. Caracterul direcţional al orbitalilor p, d, f, … este cel care explică orientarea specifică aanumitor legături chimice.

Cel de-al treilea număr cuantic este numărul cuantic magnetic ml care fixează orientareaorbitalului în spaţiu. El ia valori întregi, de la -l până la +l, deci, (2l +1) valori. Valoarea ml fixeazănumărul de orbitali echivalenţi ai fiecărui subnivel energetic s, p, d, f, … Astfel, pentru subnivelul s,l = 0 şi ml = 1, nu există decât un singur orbital pe acest subnivel energetic. În cazul subnivelului detip p, l = 1 şi ml = -1, 0 şi 1, există deci trei orbitali distincţi Px, Py, Pz corespunzători acestuisubnivel. Aceştia au planuri nodale [(y,z), (z,x) şi (x,y)] orientate ortogonal unele în raport cucelelalte (fig. 1.3(b)).

Direcţia momentului cinetic se cuantifică prin condiţia ca proiecţia sa pe o direcţie oarecare(de exemplu axa Oz) să ia numai valori discrete, conform relaţiei:

lz mL , (1.6)în care ml este numărul cuantic magnetic, iar are aceeaşi semnificaţie ca şi în relaţia (1.5).

Pentru o valoare dată a numărului cuantic orbital l, numărul cuantic magnetic ml poate lua(2l+1) valori, care corespund tot atâtor orientări spaţiale posibile ale vectorului moment cinetic; ml

se numeşte număr cuantic magnetic, deoarece descrie comportarea atomului în câmp magnetic.Electronul, fiind o particulă electrizată în mişcare pe o traiectorie închisă, se va comporta ca

un dipol magnetic. Momentul magnetic orbital este orientat perpendicular pe suprafaţa orbiteişi este antiparalel cu momentul cinetic, deoarece electronul are sarcina negativă.

Momentul magnetic orbital al electronului se poate calcula cu relaţia:

Fig. 1.3 Reprezentarea schematică a două tipuri deorbitali atomici: (a) orbitalul s; (b) orbitalul p


Lm2

e

0

(1.7)

în care:e – sarcina electrică a electronului;m0 – masa de repaus a electronului;L - momentul cinetic orbital.Datorită cuantificării mărimii momentului cinetic orbital şi a proiecţiei sale pe o axă se

cuantifică şi momentul magnetic orbital electronic astfel:

1llm2

e

0

, (1.8)

l0

z mm2

eμ (1.9)

sau:

Blz μmμ , (1.10)

unde, mărimea0

B m2

eμ se numeşte magnetonul lui Bohr şi are valoarea B = 0,92710-23Am2.

Alegerea axei Oz, ca direcţie privilegiată pentru cuantificarea momentului cinetic, nu are nicio semnificaţie dacă spaţiul este izotrop (are aceleaşi proprietăţi în toate direcţiile).

Analiza spectrală a arătat că, atunci când atomul este introdus într-un câmp magnetic exteriorde inducţie B , fiecare nivel energetic se scindează în mai multe subniveluri. La introducerea

atomului în câmpul magnetic, momentul magnetic orbital interacţionează cu câmpul magneticexterior şi tinde să se orienteze astfel încât să ajungă într-o stare de energie totală minimă.

Se alege axa Oz după direcţia vectorului B .Energia potenţială de interacţiune magnetică Emag corespunde stării de stabilitate pentru

noua situaţie a sistemului, fiind dată de relaţia:BμE zmag . (1.11)

Dacă se introduce în relaţia (1.11) condiţia de cuantificare (1.9), se obţine:

BmμBmm2

eE lBl

0mag

. (1.12)

Din punct de vedere clasic, energia de interacţiune magnetică poate să ia orice valoare între( BB ) şi ( BB ), deoarece momentul magnetic poate să aibă orice orientare spaţială.Cuantificarea orientării spaţiale a momentului magnetic face, însă, ca energia de interacţiunemagnetică să ia numai valori discrete.

Energia magnetică de interacţiune se adaugă la energia totală a electronului pe orbită înabsenţa câmpului şi modifică, astfel, valoarea energiei nivelului. Deci, în câmp magnetic, în loculunui singur nivel de energie apar (2l+1) niveluri, corespunzătoare valorilor numărului cuanticmagnetic ml, deplasate faţă de nivelul dat cu valorile:

lBμB;1lμ...;B;μ0;...;B;1lμlB;μ BBBBB .Prin urmare, nivelul energetic se despică în (2l + 1) subniveluri energetice. Situaţia este

ilustrată în figura 1.4, în cazul unui nivel pentru care numărul cuantic orbital este l = 2.Fenomenul a fost observat experimental şi poartă numele de efect Zeeman; pentru un

ansamblu de atomi în câmp magnetic, liniile spectrale se multiplică datorită despicării nivelurilorenergetice. Frecvenţele liniilor satelit, care apar în jurul liniilor emise în absenţa câmpului magnetic,sunt măsurabile şi acestea pot fi observate chiar cu spectrografe cu putere de rezoluţie nu prea mare.


Primele trei numere cuantice n, l, ml caracterizează dimensiunea, forma şi, respectiv,orientarea orbitalului. Mai rămâne să introducem al patrulea număr cuantic numit număr cuanticmagnetic de spin ms, legat de spinul electronului.

Odată cu dezvoltarea spectroscopiei de înaltă rezoluţie s-au pus în evidenţă o serie decaracteristici ale spectrelor care nu pot fi explicate de modelele cu trei numere cuantice: n, l, ml.Această discordanţă apare cel mai clar la spectrele atomilor metalelor alcaline. De exemplu,spectrul natriului, privit cu un spectroscop obişnuit prezintă o singură linie galbenă. Cu unspectroscop cu o putere de rezoluţie mai bună, se constată că această linie este formată dintr-opereche de linii, un dublet, cu lungimile de undă foarte apropiate: 588,9953 nm şi 589,5930 nm.Apariţia celor două linii indică scindarea nivelului, care nu se poate explica decât printr-ointeracţiune suplimentară, de tipul celei din câmp magnetic. Dar, deoarece efectul apare în absenţacâmpului magnetic exterior, explicaţia trebuie căutată în interacţiunile din interiorul atomului.

Explicaţia a fost dată prin introducerea unei noi proprietăţi a electronului, momentul cinetic

propriu sau de spin, S .Iniţial, momentul cinetic de spin a fost asociat cu imaginea intuitivă a electronului care se

roteşte în jurul axei proprii. Apoi s-a văzut că acesta este numai un suport intuitiv, deoarece s-a pututstabili că proprietăţile momentului cinetic de spin sunt proprietăţi cuantice care nu pot fi intuite.

Momentul cinetic de spin S ia numai valori discrete, după o relaţie analoagă celei carecuantifică momentul cinetic orbital:

1ssS (1.13)

unde, s este numărul cuantic de spin, care pentru electron are valoarea2

1s .

Proiecţia momentului cinetic de spin pe o axă arbitrară este dată de numărul cuanticmagnetic de spin ms:

sz mS (1.14)

Numărul cuantic magnetic de spin ms ia (2s+1) valori, adică 212

12m s valori.

Numărul cuantic ms ia, deci, două valori determinate+1/2 şi –1/2, care sunt asociate momentului cinetic al spinului electronului.

Momentului cinetic de spin îi este ataşat, ca şi în cazul mişcării orbitale, un moment

magnetic de spin s . Măsurarea directă a momentului magnetic de spin al electronului a datvaloarea:

Sm2

e2

0s (1.15)

în care e şi m0 au aceeaşi semnificaţie ca şi în relaţia (2.6), iar S este momentul cinetic de spin.

În prezenţacâmpului magnetic

E

În absenţacâmpului magnetic

E

Fig. 1.4 Modificarea energiei totale a electronuluiîn prezenţa câmpului magnetic în cazul în care l = 2


Proiecţia lui s pe o axă Oz va fi:

BsBs0

sz μm2μm2m

2eμ

. (1.16)

Acum se poate explica de ce se despică nivelurile energetice ale atomilor în absenţacâmpului magnetic exterior.

Mişcarea orbitală a electronului creează un câmp magnetic orientat pe direcţia momentuluicinetic al mişcării orbitale.

Momentul magnetic propriu de spin al electronului interacţionează cu câmpul magnetic creatde mişcarea orbitală. După cum am văzut din relaţia (1.12), energia de interacţiune are atâtea valoridistincte câte orientări are momentul magnetic în raport cu axa câmpului, deci 2s+1 = 2. Prinurmare, orice nivel care are un moment cinetic orbital diferit de zero (l 0) se va despica în douăsubniveluri; în locul unei radiaţii cu o singură frecvenţă, se vor emite două linii cu frecvenţeapropiate (cazul natriului).

Despicarea liniilor spectrale din cauza interacţiunii între momentul de spin şi momentulorbital se numeşte structură fină a liniilor spectrale.

1.4 ORDONAREA STĂRILOR ELECTRONILOR PRIN GRUPAREA LOR ÎNPĂTURI SI SUBPĂTURI

În continuare se va prezenta modul de dispunere a electronilor pe diverşii orbitali atomici.Toti electronii dintr-un atom cu acelasi numar cuantic principal n se grupeaza intr-o patura.

Pentru comoditate paturile s-au mai notat cu litere mari: K(n=1), L(n=2), M(n=3) ...Pentru un numar cuantic principal n dat, toti electronii care au acelasi numar cuantic orbital l

se grupeaza intr-o subpatura. Într-o patura data se afla n subpaturi. De exemplu, pentru patura n=3avem trei subpaturi, date de: l = 0; l = 1; l = 2.

Tot pentru comoditate, subpaturile s-au notat cu litere mici: s (l=0), p (l=1), d (l=2),f (l=3) ... Intr-un strat se afla 2n2 electroni.

Asezarea in straturi si substraturi a electronilor se face in ordinea crescatoare a energiei(începând cu nivelurile energetice cele mai de jos) si respectand regula lui Pauli, care precizează cădoi electroni nu pot avea aceleaşi patru numere cuantice. Calculul energiilor straturilor (nivelelor) aaratat ca incepand de la n≥3 nivelele energetice ale straturilor se intrepatrund (fig. 1.5). Starea ceamai stabila a electronului este starea de energie minima. Nivelul de energie minima este cel maiapropiat de nucleu. Pe masura ce ne departam de nucleu, energia nivelelor creste datorita scaderiiinteractiunii dintre nucleu si electroni ca urmare a maririi distantei.

Analizând figura 1.5 se observă că spaţiul dintre nivelurile energetice se diminuează pemăsură ce n creşte. Începând de la n = 3 se constată o întrepătrundere a nivelurilor; astfel, nivelul 4sare o energie mai mică decât nivelul 3d.

De exemplu, în atomul de hidrogen există un electron (Z=1) în orbitalul 1s, care se noteazăcu 1s1 (fig. 1.6).

Heliul are doi electroni (Z=2) pe acelaşi orbital 1s, de unde şi notaţia 1s2. Cei doi electroni trebuiesă aibă spinii antiparaleli (fig. 1.6) pentru a respecta regula lui Pauli. Stratul electronic corespunzătornumărului cuantic principal n=1 este astfel complet. Această structură conferă o mare stabilitate atomuluide heliu, care se comportă ca un gaz monoatomic şi nu posedă, practic, reactivitate chimică.

Conform figurii 1.5, pentru Z=54, vom avea următoarea notaţie:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6...

Comportamentul atomului la nivel chimic, face să intervină numai stratul electronic exterior saucel care este imediat adiacent. Când mai mulţi orbitali ai aceluiaşi nivel energetic sunt disponibili,electronii evită să se plaseze în acelaşi orbital şi se dispun într-un anume mod încât spinii lor să fieparaleli, în maniera diminuării la maxim a interacţiunii dintre electroni (regula lui Hund). Regula lui


Hund are tendinţa de a favoriza dispunerea electronilor pe orbitali diferiţi deoarece doi electroni,care se găsesc pe acelaşi orbital, au în mod necesar spini opuşi.

Acest fenomen stă la baza proprietăţilor magnetice ale materiei. Orice atom, ion saumoleculă, care posedă unul sau mai mulţi electroni necompensaţi este paramagnetic. Substanţelecare au toţi electronii compensaţi sunt diamagnetice. În anumite cazuri, atomii sau ioniiparamagnetici interacţionează, dând naştere diverselor forme complexe ale magnetismului, cumsunt feromagnetismul, ferimagnetismul şi antiferomagnetismul.

Această ordonare a electronilor în pături si subpături permite gruparea proprietăţilorelementelor chimice. Astfel, în tabelul lui Mendeleev (in care aşezarea elementelor se face înordinea crescătoare a lui Z –numarul atomic), fiecare perioadă începe cu completarea cu electroni aunei noi paturi. Deci, periodicitatea în proprietăţile elementelor se explică prin faptul că electroniise dispun în pături si subpături de un anumit fel.

Proprietatile fizico-chimice ale elementelor sunt date de numarul şi poziţia electronilor devalenţă (electronii de pe ultimul nivel). De aceea, completarea periodică a noilor pături duce laperiodicitatea proprietăţilor atomilor. Elementele de pe o coloană verticlă (dintr-o grupă) a tabeluluilui Mendeleev, care au aceeaşi structură a straturilor exterioare electronice, au proprietăţiasemănătoare.

Exemplu: metalele alcaline au un singur electron pe ultimul strat (grupa I):Na (Z=11): 1s22s22p63s1

K (Z=19): 1s22s22p63s23p64s1.Aceste elemente pentru a-şi forma dubletul sau octetul, pentru stabilitate, pot să cedeze cu uşurinţăelectronul de pe ultimul strat. Elementele din grupa gazelor inerte (He, Ne, Ar, Kr, Xe Rn, grupa a VIII –a) au patura exterioarăcomplet ocupată:

Ne (Z=10): 1s22s22p6

Ar (Z=18): 1s22s22p63s23p6.Aceste elemente sunt foarte stabile având octetul satisfăcut.

Incepând de la elementul Z=19 (Potasiu) exista o serie de elemente (toate metale), cusubstraturi incomplete, cunoscute sub numele de metale de tranziţie sau din grupa de trecere.Substraturile atomice incomplete, ca şi valoarea apropiată a energiei substraturilor, explică o seriede proprietăţi specifice: polimorfism, valenţă variabilă, para şi feromagnetism, forţe mari de atracţieîntre cristale, temperaturi mari de topire, capacitate de formare de nitruri şi carburi etc.

Fig. 1.5 Diferitele nivelurienergetice ale orbitalilor atomici

Fig. 1.6 Aşezarea primelor elementeale Tabelului Periodic în funcţie decompletarea straturilor electronice


1.5 STRUCTURA GRUPURILOR DE ATOMIPresupunem ca avem doi atomi care manifestă tendinţa de formare a moleculei. La distanţe

mari, între atomi, nu există forţe de interacţiune. La distanţa r = r1 apare forta de atracţie aF

dintre

atomi, iar la distanţa r = r2 apare forta de respingere rF

(fig. 1.7). Existenţa acestor forţe permiteexplicarea distanţei minime interatomice. Există o distanţă între atomi r = r0, pentru care cele douăforţe se echilibrează, adică: 0FF ra

, deci pentru care energia totală a sistemului este minimă,

deoarece:

r

EFt

(1.17)

Variaţia energiei potenţiale de interacţiune aatomilor, la apropierea lor unul de celălalt,pornind de la infinit, este reprezentată în figura1.7.

Iniţial, energia este nulă pentru că aF

şi

rF

sunt neglijabile la distanţe mari. Apoi

aF

devine apreciabilă şi energia potenţială devinenegativă deoarece lucrul mecanic este furnizat deatomii care se apropie. Când distanţa s-a micşoratşi mai mult, rF

devine apreciabilă şi în energie

apare un termen pozitiv, deoarece lucrul mecanic este contrar atomilor în mişcarea lor unul cătrecelălalt. Mărirea energiei datorită acestei forţe poate depăşi micşorarea provocată de aF

, astfel că la

distanţe foarte mici rF

devine factorul principal. Când Ft = 0, energia va avea un minim, cecorespunde distanţei dintre atomi r = r0, când starea sistemultui format din cei doi atomi este stabilă.La această distanţă se formeaza molecula.

Concluzie: Un grup de doi sau mai mulţi atomi pot forma o moleculă numai dacă ei se aflăla o anumita distanţă ce corespunde unei energii a sistemului minime, ca starea să fie stabilă. Înaceastă stare stabilă (E = minim) forţa totală este zero. Rezultă că există ambele tipuri deinteracţiuni, atracţie şi respingere, indiferent de natura forţelor.

1.6 STĂRILE DE AGREGARE ALE MATERIEI

Cu structura atomică sau moleculară sau ionică, materialele pot să existe în mai multe stăride agregare: gazoasă, plasmă, lichidă, solidă.

1.6.1 Factorii care determină starile de agregare ale materieiSe vor prezenta mai jos pricipalii factori care determină stările de agregare ale materiei.a) Natura şi intensitatea forţelor de interacţiune din sistemMateria este alcătuită din particule (atomi, molecule, ioni) care formează un sistem.

Sistemul nu poate exista în starea de agregare respectivî decât dacă energia în acea stare esteminimă, astfel încât sistemul sa aibă stabilitate. Aceasta, presupune existenta ambelor tipuri deforţe, atracţie şi respingere, în toate stările de agregare. Diferenţa de la o stare de agregare la altaeste dată şi de intensitatea acestor forţe (vezi fig. 1.7).

b) PresiuneaÎn cadrul unei structuri stabile (gazoasă, lichidă, solidă), presiunea acţionează îin sensul

forţelor de atracţie, care tind să apropie atomii.c) Temperatura

Fig.1.7. Reprezentarea fortelor si energiei la formarea

moleculei


Cresterea temperaturii sistemului corespunde creşterii vitezei atomilor, deci creşteriienergiei cinetice a sistemului. Rezultă că atomii vibrează , astfel că distanţa de separaţie oscilează înjurul valorii de echilibru. Dacă energia cinetică de vibraţie a atomilor depaşeşte Emin, forţa deatracţie nu mai este capabilă să menţina atomii legaţi unul de altul, ei îndepărtându-se.

O temperatură de fierbere ridicată caracterizează existenţa unor forţe de atracţie intense, lafel un punct de topire ridicat, căci trecerea în starea lichidă, intermediară între cea solidă şi gazoasă,corespunde la o rupere parţială a legăturilor.

1.6.2 Starea gazoasăIn starea gazoasă (de exemplu, materialele electroizolante gazoase) există ambele tipuri de

forţe (de atracţie şi de respingere), numai că intensitatea acestor forţe fiind foarte mică, încomparaţie cu distanţele mari dintre particule, ele sunt practic neglijabile. Particulele se mişcă liberîn spaţiul înconjurător, la distanţe mari în comparaţie cu dimensiunile proprii. Deci, gazele nu aunici formă nici volum determinat.

Plasma, în fizică, este o stare gazoasă a materiei în care o parte sau toţi atomii/moleculelesunt disociate pentru a forma ioni. În 1879, Sir William Crookes, un fizician englez, identifică apatra stare de agregare a materiei, numită acum plasmă. Plasma conţine un amestec de particuleneutre, ioni pozitivi (atomi sau molecule care şi-au pierdut unul sau mai mulţi electroni) şi electroni.Pe Pamânt, plasma nu apare în mod natural decât sub forma fulgerelor, care conţin porţiuni îngustede molecule de aer, din care aproximativ 20% sunt ionizate, iar restul este flacără.

Plasma poate fi creată aplicând un câmp electric unui gaz la presiune scăzută (neon, tuburifluorescente). Primele dispozitive de producere a plasmei prin descărcări electrice în gaze, numiteplasmatroane sau generatoare de plasmă, au apărut în anii 1910 şi 1920. Plasma mai poate fi creatăşi prin încălzirea unui gaz neutru la temperaturi foarte ridicate. De obicei, temperaturile cerute suntprea mari pentru a putea fi aplicate extern, iar gazul este încălzit intern prin injecţie de ioni cu vitezăfoarte mare sau electroni care se ciocnesc cu particulele de gaz, crescând energia lor termică.Electronii din gaz pot fi acceleraţi şi prin câmpuri electrice exterioare. Ionii din plasma astfel creatăsunt folosiţi în industria semiconductoarelor, pentru gravare sau pentru schimbarea proprietăţilormaterialelor. În plasma cu temperaturi foarte ridicate particulele dobândesc suficientă energiepentru a se angaja în reacţii nucleare între ele în timpul coliziunilor. Evoluţia tehnicilor dindomeniul industriei grele, a conversiei de energie, a tehnicii rachetelor, impun cu rapiditatedezvoltarea generatoarelor de plasmă. Aplicaţiile plasmei sunt extrem de variate.

1.6.3 Starea lichidăŞi în starea lichidă (de exemplu, uleiurile electroizolante) există ambele tipuri de forţe, de

atracţie şi de respingere, numai că intensitatea acestor forţe este mai mare decât la gaze şi mai micădecât la solide. Aceste forţe reuşesc să menţină un volum constant al sistemuluiş însă forma rămânenedeterminată (lichidele iau forma vasului în care sunt puse). Pentru sistemele în stare lichidă sepoate vorbi de existenţa unor zone în care particulele execută mişcări relativ ordonate în jurul unorpozitii de fixe, Aceste zone au insă dimensiuni prea mici, de ordinul a câtorva diametre moleculare,ca să poată fi stabile. De aceea, ele apar şi dispar continuu, dând astfel curgerea lichidului.

Deci, în lichide, existenţa forţelor de interacţiunemoleculară îngrădeşte, pe de o parte,libertatea de mişcare liberă a particulelor structurale, iar pe de altă parte, având intensităţi prea micinu favorizează fixarea unor configuraţii moleculare spaţiale stabile.

În conluzie, lichidele au volum determinat, formă nedeterminată şi curg.

1.6.4 Starea solidăŞi în această stare de agregare, întâlnită la o gamă variată de materiale (conductoare,

semiconductoare, izolante, magnetice) există ambele tipuri de forţe (de atracţie şi de respingere)între particulele structurale. Aceste forţe au intensitate foarte mare reuşind sa menţină sistemul solidintr-o formă spaţială stabilă, bine determinată. Astfel, particulele constituente ale solidului ocupă


poziţii fixe, cu legături permanente. Natura şi intensitatea acestor forţe de interacţiune dintreparticulele sistemului ne dau tipul de legătură din sistem, care poate fi: legatură Van der Wals(polară), ionică, covalentă, metalică.

Pentru ca sistemul solid sa fie stabil termodinamic trebuie ca energia sa liberă să fie minimă:STWE , (1.18)

unde:W – energia interna;S – variaţia entropiei;T – temperatura absoluta.Dacă energia libeberă a sistemului prezintă un minim absolut, deci o stare stabilă de

echilibru termodinamic se obţine o structură cristalină.Dacă, însă, energia liberă are o valoare de minim relativ rezultă structura amorfă cu un

echilibru termodinamic nestabil. Ambele structuri se obţin prin răcirea sistemului din stare lichidăcând cristalele se formează în jurul unor centre numite centre de cristalizare, în care apar acumulăride atomi.

1) Dacă apare un singur centru de cristalizare şi răcirea este lentă rezultă un monocristal sau ostructură monocristalină.

2) Dacă apar mai multe centre de cristalizare, iar răcirea este lentă rezultă un policristal sau ostructură policristalină.

3) Dacă apar mai multe centre de cristalizare şi răcirea este rapidă rezultă structura amorfă.La structura cristalină aşezarea atomilor este ordonată pe domenii întinse adică are o ordine la

distanţă sau la mare depărtare. La structura amorfăaşezarea ordonată apare pe domenii mici,rezultând o ordine apropiată. La astfel de corpuri doar un grup de atomi are o aşezare ordonată.Trecând apoi la un grup vecin de atomi şi acesta are un aranjament ordonat, dar diferit de primulgrup şi aşa mai departe. În grupa materialelor amorfe intră: sticla, masele plastice, cauciuculetc

Între stările cristalină şi amorfă există stări intermediare, mesomorfe, în care moleculelelungi ale unor corpuri organice se aşează paralel şi ordonat în anumite zone, în timp ce în zonelevecine există anizotropie.

Starea mesomorfă are două stări:- nematică cand moleculele pot aluneca unele peste altele. Este mai apropiată de starea

lichidă şi de aceea se mai numesc cristale lichide;- smectică în care moleculele nu pot aluneca unele peste altele şi ea este mai apropiată de

solide, prezentându-se ca nişte lichide vâscoase.In concluzie, putem spune că solidele prezintă urmatoarele stări:- starea cristalină, cu structură monocristalină sau policristalină;- starea mesomorfă, cu structură nematică sau smectică;- starea amorfă.

1.7 BIBLIOGRAFIE

1. Atkins, P.W., Physical Chemistry, 2nd ed., Oxford University Press, Oxford, 1982.

2. Ifrim, A., Noţingher, P., Materiale electrotehnice, Ed. didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1979.

3. Popescu, Ch., Lefter, C., Materiale electrotehnice, Ed. didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1970.4. Kurz, W., Mercier, J., Zambelli, G., Introduction à la science des matériaux, Presses polytechniques romandes,

Lausanne, 1987.

5. Drăgănescu, M., Electronica corpului solid, Ed. tehnică, Bucureşti, 1972.

6. Bennet, S.C. , Ph. D. Thesis, Leeds University, 1976.

7. Compagnion, A.L., Chemical Bonding, McGraw-Hill, New York, 1964.

8. Huheey, J.E., Inorganic Chemistry, 2nd ed., Harper, New York, 1978, p. 842.

CAPITOLUL 2

STRUCTURA CRISTALINĂ RETICULARĂ

Cea mai importantă proprietate a corpurilor cristaline constă în aşezarea particulelorconstituente într-un aranjament periodic care poartă denumirea de structură cristalină. Distanţelemedii dintre particule sunt menţinute constante de către forţele de atracţie şi de respingere. Aceastămenţinere constantă a formei (distanţe, feţe plane şi mai ales unghiuri) defineşte structura cristalină.

2.1 TIPURI DE REŢELE CRISTALINE

Ordonarea atomilor (moleculelor sau ionilor) pe diverse direcţii depinde de tipul retelei.

2.1.1 Reţeaua liniarăReţeaua liniară este specifică cristalelor minerale şi în acest tip de reţea atomii se ordonează

la distanţe egale după o anumită direcţie Ox, numită direcţie reticulară (fig. 2.1).

Fig. 2.1. Reprezentarea unei porţiuni dintr-o reţea liniară

Ca origine a reţelei liniare se alege un nod oarecare, care se noteaza cu O.Nodul reţelei reprezintă poziţia medie a atomilor în oscilaţie cu o mică amplitudine datorită agitaţieitermice. Distanţa de la originea aleasă până la primul nod al reţelei, pe direcţiaOx, poartă numele deparametrul reţelei a

sau vectorul unitar al reţelei (fig. 2.1).

2.1.2 Reţeaua planăReţeaua plană se caracterizeaza prin două familii de drepte paralele şi echidistante cu nişte

directii date Ox şi Oy, numite direcţii reticulare. Nodurile reţelei, în acest caz, se află la intersecţiadreptelor celor două familii. Cele două familii de drepte se află în acelaşi plan. Fie O, un nodoarecare al reţelei plane, ales ca origine (fig 2.2).

Fig. 2.2. Reprezentarea unei porţiuni dintr-o reţea plană

Structura cristalină reticulară 19

Celor două axe Ox şi Oy le corespund o infinitate de reţele, deci ele nu sunt suficientepentru a defini reţeaua.

2.1.2.1 Parametrii reţelei planea) Vectorii unitari a

, b

reprezintă vectorii de poziţie ai primelor noduri din reţea pe

directiile Ox, respectiv Oy, luaţi ca unitate.b) Unghiul retelei este unghiul dintre cei doi vectori unitari.Celula elementară, definită de parametrii vectori şi de unghiul reţelei, reprezintă

paralelogramul care are ca laturi cei doi vectori unitari şi unghiul dintre acestia egal cu unghiulreţelei. Celula elementară repetată identic după cele două direcţii reticulare descrie reţeaua plană.

2.1.2.2 Tipuri de celuleÎn afară de celula elementară mai putem definii următoarele tipuri de celule:- celula simplă este paralelogramul care are o latură diferită de parametrul vector pe acea

direcţie (fig. 2.2). Nu are în interior nici un atom;- celula dublă este paralelogramul care are pe o latură două noduri consecutive, iar în

interiorul lui se află un atom;- celula triplă este paralelogramul cu două noduri consecutive pe o latură şi care conţine în

interior doi atomi;- celula patratică are trei atomi în interior şi aşa mai departe.

2.1.2.3 Aranjamentul reticularOrice dreaptă care trece prin două noduri consecutive, în reţea trece print-o infinitate de

noduri (datorită periodicităţii reţelei), definind astfel un aranjament reticular (fig. 2.3).

Fig 2. 3. Reprezentarea aranjamentelor şi a unei familii de aranjamente reticualre

Distanta dintre două noduri consecutive ale unui aranjament reticular se numeste parametrularanjamentului reticular, notat, în figura 2.3, cu p.

2.1.2.4 Familia de aranjamente reticulareToate dreptele din reţea paralele şi echidistante cu un aranjament reticular formează o

familie de aranjamente reticulare. Intr-o familie, distanţa dintre două aranjamente reticulareconsecutive poartă numele de distanţă interreticulară, notată cu d, în figura 2.3.

2.1.2.5 Ecuatia unui nod oarecare al reţeleiFie o reţea plană (fig . 2.4) cu ochi drept (unghiul reţelei de 900). Fie A un nod oarecare al retelei.Oricare ar fi nodul A, poziţia lui este determinată de vectorul de pozitie AO

, în raport cu originea O

aleasă. Dar:

ABBOAO

, (2.1)

COAB

. (2.2)Din (2.1) şi (2.2) rezultă:


COBOAO

, (2.3)în care OB si OC sunt proiectiile nodului A pe axele Oxrespectiv Oy.Coordonatele nodurilor de pe direcţia Ox, scrise în funcţie deparametrul vector corespunzător acestei directii, sunt:

au...a3,a2,a1

, (2.4)în care u reprezinta numărul nodurilor de la originea O pană lapiciorul proiecţiei nodului considerat A pe direcţiaOx.Coordonatele nodurilor de pe direcţia Oy, scrise în funcţie deparametrul vector corespunzător acestei directii, sunt:

bvbbb

...3,2,1 , (2.5)în care v reprezintă numarul nodurilor de la originea O pană lapiciorul proiecţiei nodului considerat A pe direcţiaOy.Ţinând cont de relaţiile (2.4) şi (2.5) putem transcrie relaţia (2.3) sub forma:

bvauAO

. (2.6)

2.1.3 Reţeaua spaţialăEste caracterizata de trei familii de drepte paralele şi echidistante cu trei directii din spaţiu:

Ox, Oy si Oz. Reţeaua cristalină spaţială se reprezintă prin linii drepte (linii reticulare), în ale cărorpuncte de intersecţie se găsesc nodurile reţelei. Liniile dintreatomi sunt imaginare, iar nodurile reprezintă poziţia medie aatomilor în oscilaţie, datorită agitaţiei termice. Reţelele se obţinprin repetarea unui mare număr de corpuri simple geometrice,numite celule elementare, paralelipipede ce rezultă dinintersecţia planelor reticulare. Celula elementară (reprezentatăîn figura 2.5 prin cubul cu muchiile îngroşate) repetată identicdupă cele trei directii Ox, Oy, Oz descrie reţeaua.

2.1.3.1 Parametrii retelei spaţialea) Vectorii unitari a

, b

şi c

reprezintă vectorii de

pozitie, faţă de originea aleasă, ai primelor noduri din reţea pedirectiile Ox, Oy şi respectiv Oz, luaţi ca unitate.

b) Unghiurile retelei ,

, sunt unghiurile dintre axele Ox şi Oz, dintre Oz şi Oy,respectiv dintre Oy şi Ox (fig. 2.6).

Celula elementară, definită de vectorii unitari şi de unghiurile reţelei, reprezintăparalelipipedul care are ca laturi cei trei vectori unitari şi unghiurile dintre acestia egale cu unghiurilereţelei. Celula elementară repetată identic după cele trei directii reticularedescrie reţeaua spaţială. În figura 2.6 s-a reprezentat o celulă elementarăcubică, cu a = b = c = 1.

In funcţie de vectorii unitari şi unghiurile reţelei există şaptesisteme de cristalizare, cu 14 reţele cristaline.

2.1.3.2 Tipuri de celuleÎn afară de celula elementară mai putem definii celula simplă,

celula dublă, celula triplă etc. în mod similar ca la reţeaua plană.

2.1.3.3 Aranjamentul reticularSe defineşte în mod similar ca la reţeaua plană.

Fig. 2.5. Reteaua spatiala

Fig. 2.6. Celulă elementarăcubică

Fig 2.4. Reţeaua plană dreaptă


2.1.3.4 Familia de aranjamente reticulareSe defineşte în mod similar ca la reţeaua plană.

2.1.3.5 Planul reticularPlanul reticular este dat de trei noduri ale reţelei, nesituate pe aceeaşi linie reticulară. Acesta

conţine o infinitate de noduri în reţea.

2.1.3.6 Familia de plane reticulareToate planele paralele şi echidistante cu un plan reticular formează o familie de plane

reticulare (fig. 2.7).Distanta d dintre două plane consecutive ale unei familii de

plane reticulare poartă numele de distantă interreticulară.

2.1.3.7 Ecuatia unui nod oarecare al retelei spaţialeFie P un nod oarecare al reţelei spaţiale din figura 2.5.

Pozitia lui este dată de vectorul de pozitie OP. Între vectoriireprezentaţi în figura 2.5 există următoarele relaţii:

DOEOBOPO

EOAB

DOCEPA

ABBOAO

PAAOPO

. (2.7)

Coordonatele nodurilor de pe direcţia Ox, scrise în funcţie de parametrul vectorcorespunzător acestei directii, sunt:

au...a3,a2,a1

, (2.8)în care u reprezintă numărul nodurilor de la originea O până la piciorul proiecţiei nodului consideratA, pe direcţiaOx.

Coordonatele nodurilor de pe direcţia Oy, scrise în funcţie de parametrul vectorcorespunzător acestei directii, sunt:

bvbbb

...3,2,1 , (2.9)în care v reprezintă numărul nodurilor de la originea O până la piciorul proiecţiei nodului consideratA, pe direcţiaOy.

Coordonatele nodurilor de pe direcţia Oz, scrise în funcţie de parametrul vectorcorespunzător acestei directii, sunt:

cw...c3,c2,c1

, (2.10)în care w reprezintă numărul nodurilor de la originea O până la piciorul proiecţiei noduluiconsiderat A, pe direcţiaOz.

Ţinând cont de relaţiile (2.8), (2.9) şi (2.10) putem transcrie relaţia (2.7) sub forma:

cwbvauPO

. (2.11)

2.2. INDICAREA PLANELOR ŞI DIRECŢIILOR INTR-O REŢEA CRISTALINĂ

Cristalografia descrie arhitectura cristalelor, adică modul de aşezare al particulelorconstituente în spaţiu şi legile geometrice care fixează poziţia acestora. Solidele cristaline sunt, deci,caracterizate printr-un ansamblu de atomi cu un aranjament periodic după cele trei direcţii în spaţiu,într-o ordine strictă care defineşte structura cristalină.

Fig.2.7. Reprezentarea uneifamilii de plane reticulare


2.2.1 Indicarea planelor reticulare cu indicii lui MillerÎn cristalografie s-a convenit că nodurile reţelei coincid cu baricentrele atomilor sau

grupurilor de atomi.Poziţia unui nod în spaţiu este determinată dacă se indică poziţia sa în raport cu un nod al

reţelei ales ca origine în mod arbitrar şi exprimând coordonatele sale cu ajutorul a trei vectori

cba

,, , luaţi ca unitate şi care definesc reţeaua. Astfel, un nod având cotele p, q, r, va aveacoordonatele: x = pa; y = qb; z = rc.

De exemplu, pentru celula cubică din figura 2.8, cu parametrii vectori a = b = c = 1, puncteleA, B şi C au coordonatele (1,0,0), (0,1,0) şi respectiv (0,0,1). Coordonatele punctelor D, E, F şi Gsunt: (0,1,1), (1,0,1), (1,1,0) şi respectiv (1,1,1).

Într-o reţea cubică centrată (fig. 2.9) atomul P, situat în centrul cubului, are coordonatele: .2

1,

2

1,

2

1

Pentru a indica planele într-o reţea cristalină se utilizează, în general, indicii lui Miller.Într-un cristal, care are pentru celula elementară vectorii cba

,, , vom considera un plan reticular

oarecare, care taie axele de referinţă ale celulei în punctele A, B şi C (fig. 2.10).Intersecţiile planului cu axele de coordonate sunt:OA = H.a; (2.12)OB = K.b; (2.13)OC = L.c. (2.14)

în care H, K şi L sunt numere care ne arată de câte ori secuprinde intersecţia în parametrul reţelei pe direcţia respectivăsau de câte ori se cuprinde parametrul reţei în intersecţia cuaxele de coordonate a planului considerat.Ecuaţia planului va fi :

OC

z

OB

y

OA

x (2.15)

cL

z

bK

y

aH

x

(2.16)

Pentru a = b = c =1 rezultă că ecuaţia (2.16) devine:

L

z

K

y

H

x (2.17).

Prin definiţie, indicii lui Miller, notaţi cu literele h (după Ox), k (după Oy) şi l (după Oz), seobţin luând inversele numerelor H, K, L şi multiplicându-le cu n, astfel încât h, k şi l să fie numereintregi şi cele mai mici posibil:

Fig 2.9. Celula unei retele cubice cu volum centratFig 2.8. Celula unei retele cubice simple

Fig 2.10. Indicarea planului ABCintr-o reţea cristalină


L

nl

K

nk

H

nh

D

D

D

. (2.18)

Planul se notează cu indicii lui Miller scrişi în paranteze rotunde, în cazul nostru planulABC va fi (h k l).

Deci, pentru a defini un plan într-o reţea se utilizează un sistem de axe special, legat decristal, astfel încât axele de coordonate să fie paralele cu axele de simetrie sau perpendiculare peplanele de simetrie, iar originea coordonatelor să coincidă cu unul din nodurile reţelei. Într-unasemenea sistem, coordonatele sunt măsurate în unităţi egale cu distanţele interatomice, în direcţiadată (aceste distanţe sunt constantele reţelei sau parametrii reţelei). Poziţia unui plan oarecare esteunivoc definită de coordonatele a trei puncte oarecare ale acestui plan, de exemplu, de punctele deintersecţie ale planului cu axele de coordonate.

Fie Ox, Oy şi Oz axele de coordonate; trebuie să definim planul ABC din figura 2.11.Dacă, de exemplu, planul considerat întâlneşte axa Ox în punctul situat la distanţa de 4

unităţi (adică la 4 distanţe interatomice în direcţia Ox), axaOy la distanţa de 1 unitate şi axa Oz la distanţa de 3 unităţi,poziţia planului se defineşte prin trei cifre: 4, 1 şi 3. Pentrunotarea planelor s-a convenit să nu se utilizeze aceste cifre,ci indicii lui Miller, care se definesc astfel: se găsesccoordonatele a trei puncte (în unităţi de constante de reţea),ce reprezintă intersecţiile planului considerat cu axele decoordonate. Se aduc la acelaşi numitor inversele acestornumere şi se renunţă la numitor. Numărătorii acestor fracţiine dau cu precizie indicii lui Miller.

Iată, de exemplu, pentru planul ABC, dinfigura 2.11, care taie axele de coordonate în punctele 4, 1, şi 3 mărimile inverse ale acestorcoordonate vor fi 1/4, 1 şi respectiv 1/3. Cum numitorul comun al acestor fracţii este 12, indicii luiMiller vor fi egali cu 3, 12 şi respectiv 4. Aceste cifre sunt scrise între paranteze rotunde, astfelincât planul considerat să fie notat astfel:

(h k l) = (3 12 4). (2.19)În concluzie, un plan oarecare, de exemplu planul ABC din figura 2.11 va fi dat de raportul

indicilor lui Miller, nu de indicii lui Miller. Dacă reţeaua este cubica, cu a=b=c=1, avem

)4123(3

1:1:

4

1

L

1:

K

1:

H

1l:k:h . (2.20)

Observaţii1. Grupul indicilor lui Miller definesc în mod evident nu numai un singur plan, ci toate planele

familiei de plane reticulare paralele şi echidistante, din reţea.2. Dacă planul este paralel cu una din axele de coordonate, cu alte cuvinte taie acea axă la

infinit, indicele corespunzător este nul.3. Dacă planul reticular taie una din axe în partea sa negativă, în acest caz indicele lui Miller

corespunzător este negativ şi este afectat de o bară scrisa deasupra numărului.Exemple

E1. Fie planul ABC, din figura 2.12, într-o reţea cubică simplă (a = b = c = 1). Coordonateleintersecţiilor vor fi:

după Ox: OA = H.a = 15

3

5

3 a

Fig. 2.11. Reţea cu ochi oblic


după Oy : OB = K.b = 13

1

3

1b

după Oz : OC = L.c = 18

3

8

3 c

Indicii lui Miller corespunzători vor fi:

n3

8l

n3k

n3

5h

L

nl

K

nk

H

nh

D

D

D

D

D

D

8l

9k

5h

3n

E2. Fie planul ABCD, din figura 2.13, într-o reţea cubică simplă (a = b = c = 1). Coordonateleintersecţiilor vor fi:după Ox : Ha= 1 a ;după Oy : OB = k.b=1.b=1.1;după Oz : 1 cLc .Indicii lui Miller corespunzători vor fi:

0l

1k

0h

1nCum.

n1

l

nk

n1

h

L

nl

K

nk

H

nh

D

D

D

D

D

D

.

Deci, întotdeauna indicele după o direcţie este zero dacăplanul nu intersectează acea direcţie.

E3. Fie planul ABC, din figura 2.14, într-o reţea cubică simplă (a = b = c = 1). Coordonateleintersecţiilor vor fi:

c5

3cLOB:Ozdupa

bbk:Oydupa

a2

1aHOA:Oxdupa

5l

0k

6h

3nCum.

n3

5l

0k

n2h

L

nl

K

nk

H

nh

D

D

D

D

D

D

.

Deci, dacă planul intersecteazăa axa în partea ei negativă, indicele este negativ şi se simbolizează cu o barădeasupra cifrei. Prin urmare planele (h k l) şi )lkh( sunt paralele şi simetrice faţă de origine (fig. 2.15).Indicii unui plan sunt aceeiasi pentru orice plan al familiei de plane definita de planul respectiv.

Metoda de notare a planelor:- se determină intersecţiile planului cu axele cristalografice Ox, Oy şi Oz;

Fig. 2.12. Notarea planului ABC, cu indiciilui Miller, într-o reţea cubică simplă

Fig. 2.13. Notarea planului ABCD, cu indiciilui Miller, într-o reţea cubică simplă

Fig. 2.14. Notarea planului ABC, cu indiciilui Miller, într-o reţea cubică simplă


- se raportează intersecţiile la parametrii vectori pe direcţiile respective şi rezultă astfel numerele H, K, L;

- inversele numerelor H, K, L multiplicate cu n ne dau indicii lui Miller, n reprezentând celmai mic număr întreg, mai mare sau egal cu 1, care face ca indicii lui Miller h, k şi l să fienumere întregi;

- acesti indici h, k, l scrisi în paranteze rotunde ne dau planul respectiv.

2.2.2 Indicarea direcţiilor cu indicii lui MillerO direcţie într-o reţea cristalină se indică folosind tot indicii lui Miller (fig. 2.16).Fie direcţiaOP; vom demonstra că direcţia este dată de indicii lui Miller corespunzători

planului din retea pe care această direcţie este perpendiculară. Fie acest plan u (fig. 2.16); elintersectează axele cristalografice Ox, Oy, Oz în punctele A, B, C. Fie α, β şi γ unghiurile pe caredirecţia OP le face cu axele Ox, Oy, respectiv Oz.DirecţiaOP este dată de proiecţiile sale pe axele Ox,Oy, Oz, proiectii pe care o să le notăm OS, OQ,respectiv OR.In triunghiul dreptunghic OPA:

coscos OAOPOA

OP (2.21)

Similar, pentru axa Oy, în triunghiul OPB:

coscos OBOPOB

OP (2.22)

Pentru axa Oz, în triunghiul OPC:

coscos OCOPOC

OP (2.23)

In triunghiul OSP:

coscos

OSOP

OP

OS (2.24)

In triunghiul OQP:

coscos

OQOP

OP

OQ (2.25)

In triunghiul ORP:

coscos

OROP

OP

OR (2.26)

Inmultind relaţiile (2.21) cu (2.24), (2.22) cu (2.25) şi (2.23) cu (2.26) rezultă:

Fig. 2.15. Reprezentarea planelor paralele şi simetrice faşă de origine

Fig. 2.16. Indicrea direcţiei OP într-o reţeacristalină folosind indicii lui Miller


OCOROBOQOAOSOP

OROCOP

OQOBOP

OSOAOP2

2

2

2

. (2.26)

Din analiza relaţiei (2.26), cum OP este o constantă, pentru o direcţie dată, rezultă căproiecţiile OS, OQ şi OR (care ne dau direcţiaOP) sunt invers proporţionale cu intersectiile OA, OBsi respectiv OC.

OC

1:

OB

1:

OA

1OR:OQ:OS (2.27)

Dacă a = b = c = 1 rezulltă:

l:k:hOC

1:

OB

1:

OA

1OR:OQ:OS (2.28)

Concluzie- Cum direcţia OP este dată de proiecţiile ei pe cele trei axe (OS, OQ, OR), din relatia (2.28) rezultăcă direcţia OP este dată de indicii lui Miller corespunzători planului pe care această direcţie esteperpendiculară, planul ABC. Indicii acestui plan scrisi in patanteze drepte ne dau direcţiarespectivă, adică [h k l].- Direcţia considerată fiind perpendiculară pe planul ABC (fig. 2.16), va fi perpendiculară pe oriceplan din reţea paralel şi echidistant cu planul considerat; rezultă că direcţia OP este distanţăinterreticulară, notată cu d, pentru familia de plane pe care ea este perpendiculară.

Metoda de notare a direcţiilor- se identifică cel mai apropiat plan din reţea faţă de originea directiei considerate, pe care

această direcţie este perpendiculară;- se găsesc indicii lui Miller corespunzători acestui plan;- indicii lui Miller găsiţi, scrisi în paranteze drepte, dau orientarea direcţiei considerate.

ExempluFie direcţia OP perpendiculară pe planul haşurat din figura 2.17. Să se indice această direcţie cuajutorul indicilor lui Miller.

Mai intâi se vor determina indicii lui Millercorespunzători planului haşurat, din figura 2.17, plan pe caredirecţia OP este perpendiculară.

nl

0k

0h

1nCum.

L

nl

K

nk

H

nh

11cLOA:Oz

1bbK:Oy

1aaH:Ox

Planul va fi dat de (001), iar direcţia OP de aceeaşi indici scrişi în paranteze drepte, adică [001].

2.2.3 Determinarea valorii distantei interreticulare, dDistanţa interreticulară, notată cu d, reprezintă distanţa de la origine pană la primul plan al unei

familii de plane sau distanţa între două plane consecutive alefamiliei (fig. 2.18). Ea se află pe direcţia , deci va fi dată, caorientare, de indicii lui Miller corespunzători planelor familieireprezentate în figură, indici scrişi în paranteze drepte. Deci:d = OP = O’P’.

Fie α (fig. 2.19), planul pe care direcţia considerată OPeste perpendiculară, plan care intersectează axele Ox, Oy şi Oz

Fig. 2.17. Indicarea direcţiei OP, în reţeauacubică a=b=c=1, folosind indicii lui Miller

Fig. 2.18.Reprezentarea distanţeiinterreticulare OP pentru familiade plane prezentată în figură


în A, B şi respectiv C. Dacă se cunoaştereţeaua şi intersecţiile OA, OB şi OC ale planului α cu axelesunt cunoscute.

l

ccLOC

k

bbKOB

h

aaHOA

sunt cunoscute. (2.29)

ABOQCQOP)ABC(plOP

ABCQ

În triunghiul dreptunghic COQ:

CQ

OQOCOP

(2.30)

In triunghiul dreptunghic OAB:

22OBOA

OBOA

AB

OBOAOQ

(2.31)

In triunghiul COQ:

22

222

22

222222

22

222222

22

22222

22

22222

OBOA

OC

1

OA

1

OB

1OCOBOA

OBOA

OBOAOBOCOAOC

OBOA

OBOAOBOCOAOC

OBOA

OBOAOBOAOC

OBOA

OBOAOCOQOCCQ

222

22

222

22

OC

1

OA

1

OB

1

1

OBOA

OC

1

OA

1

OB

1OCOBOA

OBOA

OBOAOC

OP

(2.32)

Dacă în relaţia (2.32) se introduc valorile cunoscute ale intersecţiilor OA, OB şi OC, date derelaţia (2.29), rezultă:

2

2

2

2

2

2

c

l

b

k

a

h

1OP

(2.33)

Dacă a = b = c, rezultă:

222 lkh

aOP

, (2.34)

iar dacă a = b = c =1, rezultă:

Fig. 2.19. Reprezentarea grafica pentrucalculul distanţei interreticulare d=OP


222 lkh

1OP

(2.35)

2.3 STRUCTURA DE BENZI A ENERGIEI ELECTRONILOR ÎN CRISTALE

Comportarea electronilor în corpurile solide are particularităţi care nu pot fi explicate decâtcu ajutorul mecanicii cuantice. Ele pot fi deduse cu mai puţine dificultăţi matematice pentrucorpurile cristaline, datorită structurii lor regulate. Periodicitatea aşezării particulelor (atomi, ioni,molecule) în cristale are drept consecinţă, între altele, gruparea valorilor energiei electronilor încristale în benzi (sau zone) de energie, deosebit de importante pentru explicarea unor proprietăţi alemonocristalelor sau, cel puţin calitativ şi sub aspectul lor fundamental, ale corpurilor policristalineşi chiar amorfe.

Ca exemplu, se consideră formarea moleculei de hidrogen pornind de la doi atomi dehidrogen. Fiecare atom de hidrogen are un singur orbital (1s) suficient de stabil, ocupat de unelectron şi susceptibil de a conduce la formarea unei legături covalente stabile. Atunci când cei doiatomi de hidrogen se apropie unul de altul, cei doi orbitali atomici se combină pentru a forma unorbital molecular ψb liant, care este caracterizat printr-o energie mai mică decât cea a celor doiorbitali atomici (1s) şi un orbital molecular ψa antiliant, care are o energie mai ridicată (fig. 2.20).

În figura 2. 20, cei doi electroni de spini opuşi,responsabili de legătură, sunt reprezentaţi prin douăsăgeţi de sens opus, pe orbitalul liant ψb.

Orbitalii moleculari ca şi orbitalii atomici nu potprimi mai mult de doi electroni de spini opuşi.

Energia sistemului scade şi molecula de H2 seformează atunci când cei doi electroni vin să ocupe orbitalulmolecular cu energia cea mai mică. În aceste condiţii,densitatea electronică a orbitalului molecular ψb este maimare decât cea care ar rezulta din însumarea densităţilorelectronice ale orbitalilor atomici luaţi separat. Electroniisunt împărţiţi între cele două nuclee, iar forţa de atracţiedintre aceşti electroni şi cele două nuclee este superioarăforţei de respingere dintre nuclee şi chiar dintre electroniiînşişi. Rezultă, deci, o forţă de legătură.

Dacă electronii ocupă un orbital antiliant,densitatea electronică dintre nuclee este mai mică decâtcea a orbitalilor atomici separaţi. În aceste condiţii, apare o forţă de respingere între atomi, cândaceştia se apropie unul de celălalt.

Deci, doi orbitali atomici aparţinând la doi atomi distincţi pot să se combine pentru a formaun orbital molecular liant şi un orbital molecular antiliant. În acelaşi mod, se combină trei orbitaliatomici aparţinând la trei atomi diferiţi pentru a forma trei orbitali cu trei centre: unul liant, unulneliant şi unul antiliant. Combinând cei N orbitali atomici ai celor N atomi ai unui cristal metalic, seobţin N orbitali polinucleari, cu N niveluri energetice foarte apropiate (fig. 2.21).

Fig. 2.21. Schema benzilor de energie în metale

Fig. 2.20. Reprezentarea schematică a formăriiorbitalilor moleculari ai moleculei H2:(a) orbitalii atomici a doi atomi de hidrogenseparaţi; (b) diagrama reprezentând formareaorbitalilor moleculari b şi a


În general, despicarea nivelurilor orbitale de energie se produce pentru toate nivelurileatomului izolat: 2s, 2p, 3s etc. În cazul unui nivel degenerat, cu ordinul de degenerare g, fiecăreiadintre cele g stări îi corespunde, la apropierea atomilor, câte o despicare în două subniveluri; prinurmare, nivelul degenerat se despică în 2g noi niveluri. De exemplu, un nivel p(l = 1) se despică înşase, deoarece g = 3 (într-adevăr, pentru l = 1 se obţin trei stări orbitale, definite de valorilem1 = -1, 0, 1); un nivel d(l = 2, m1 = 0 ± 1, ±2) are g = 5 şi se despică în 10 noi niveluri etc.Menţionăm, însă, că energiile stărilor care diferă între ele numai prin valorile lui m1 sunt, în cazurilepractice obişnuite (câmpuri electrice şi magnetice nu prea intense), foarte apropiate, astfel că cele2g niveluri se grupează în două subbenzi a câte g niveluri foarte apropiate; rezultă că acestesubbenzi sunt foarte înguste şi pot fi asimilate, în primă aproximaţie, cu două niveluri. De exemplu,cele şase niveluri obţinute dintr-un nivel p se grupează în 2 subbenzi extrem de înguste, cuprinzândcâte trei niveluri şi, practic, se poate considera că nivelul p s-a despicat în două, ca şi un nivel s.

Dacă, generalizând, considerăm apropierea a N atomi, atunci fiecare nivel din atomul izolatse despică în N noi niveluri (de fapt, fiecare stare electronică generează N noi stări), dacădegenerarea este zero, ca în figura 2.22 (în care N = 4). Ele se grupează în benzi de energie, numitebenzi permise (b. p. în figura 2.22(b)), fiecare corespunzând unui nivel al atomului izolat. Fiecarebandă conţine câte N niveluri (benzile au deci structură discretă) foarte apropiate în cazul corpurilorsolide (în care N este foarte mare). Zonele care separă benzile permise şi care, deci, nu conţinniveluri de energie pe care să le poată avea electronii, se numesc benzi interzise (b.i. în fig.2.22(b)). Benzile de energie „aparţin” corpului format de cei N atomi apropiaţi.

Din figura 2.22(a) rezultă că este posibilă suprapunerea unor benzi permise, ca benzile 2s şi2p (adică benzile obţinute din nivelurile 2s şi 2p ale atomului izolat), pentru distanţa R dintre atomiegală cu a’. Pe măsură ce energia creşte, benzile permise se lărgesc (deoarece electronii atomilorvecini situaţi pe nivelurile orbitale superioare, deci cei legaţi mai slab de nuclee, interacţionează maiputernic), iar benzile interzise se îngustează.

Din figura 2.22(a) se mai poate observa că lărgimea benzilor permise se măreşte odată cuscăderea distanţei dintre atomii vecini. Comprimând, de exemplu, un corp solid, se produce olărgire a benzilor permise şi o îngustare a celor interzise.

De asemenea, trebuie să se facă următoarea observaţie: conform principiului de excluziuneal lui Pauli, fiecare stare orbitală de energie poate fi ocupată de cel mult doi electroni, iar spiniiacestora trebuie să fie opuşi (deoarece fiecare stare cuantică e ocupată de cel mult un electron). Deexemplu, în atomul izolat de heliu, cei doi electroni se găsesc, în starea fundamentală a atomului, penivelul 1s şi au spinii opuşi. Apropiind doi atomi de He, perechea de electroni ai unuia dintre atomise situează pe nivelul '

1E ( şi au spinii opuşi), iar perechea de electroni ai celuilalt atom se situează,

Fig. 2.22. Despicarea nivelurilor de energie, la apropiereaa N atomi, în funcţie de distanţa R (dintre atomi)[2]


cu spinii opuşi, pe nivelul ''1E ; ca urmare, fiecare din cei patru electroni se găseşte într-o stare

cuantică diferită de a celorlalţi trei. Mai general, pentru N atomi oarecare apropiaţi, fiecare stareorbitală din benzile permise poate fi ocupată de cel mult doi electroni, ai căror spini trebuie să fieopuşi. Considerăm, de exemplu, un atom de bor: el are stările 1s şi 2s ocupate de câte doi electroni(complet ocupate), iar starea 2p ocupată de un singur electron. Benzile permise formate prinapropierea a N atomi de bor, provenite din stările 1s şi 2s au câte doi electroni în fiecare din cele Nstări care le compun (deoarece fiecare bandă e ocupată de 2N electroni). Banda 2p conţine însă Nelectroni (electronii de valenţă ai celor N atomi), care îi ocupă (la temperatura T = 0 K) doar celeN/2 stări cu energii inferioare ale ei, pentru ca energia sistemului de atomi să fie minimă.

Nivelul energetic situat la jumătatea acestei benzi, EF, care este deci ultimul ocupat deelectroni, la T = 0 K (deci corespunzând ultimei stări ocupate), se numeşte nivel limită Fermi. Înfigura 2.23, în care s-a considerat, pentru simplificare, N = 4, nivelul limită Fermi este notat cu EF,iar electronii sunt indicaţi, pe niveluri, prin puncte. La T > 0 K,electronii din vecinătatea nivelului EF pot absorbi energie princiocniri, corespunzător agitaţiei termice şi pot deci trece pe nivelurisuperioare, creând, deci, niveluri incomplet ocupate. La temperaturiuzuale, electronii nu pot însă, practic, escalada benzile interzise dincauza lărgimii lor mari şi, ca urmare, repartiţia lor rămâne aceeaşi înbenzile provenite din 1s şi 2s. Electronii care pot absorbi energie dinexterior (prin agitaţie termică, prin stabilirea unui câmp electric etc.)sunt, practic, numai aceia situaţi în benzile de energie incompletocupate (mai precis, pe nivelurile incomplete din aceste benzi) -pentru schimburi nu prea intense de energie.

În concluzie, atunci când numărul de atomi N devine foartemare, nivelurile energetice ale orbitalilor polinucleari formează obandă de energie practic continuă.

Formarea benzilor de energie stabile depinde de gradul desuprapunere al orbitalilor atomici în solid. Acest grad desuprapunere variază foarte mult cu distanţa interatomică, aşa cum sepoate vedea în figura 2.22(a).

Se poate varia distanţa interatomică supunând materialul la o presiune ridicată. Astfel,anumite substanţe, care la presiune normală sunt izolanţi, devin conductoare sub presiune mare,deoarece apropiind atomii, se permite formarea orbitalilor polinucleari.

Se poate generaliza teoria benzilor de energie la solidele nemetalice.Combinând orbitalii atomici se obţin benzi de energie. Un anumit număr de benzi sunt

complet ocupate de electroni şi se numesc benzi complet ocupate (b.c.o.). În particular, banda devalenţă (b.d.v.) este cea care posedă energia cea mai mare. Banda de valenţă, dintr-un cristal, este obandă de energie care provine de la nivelul energetic discret al atomului pe care se află electronii devalenţă. Gradul de ocupare cu electroni a nivelurilor energetice din banda de valenţă depinde denatura chimică a atomilor, de structura cristalină sau de alţi factori. Unui nivel de valenţă completocupat, al atomului izolat, îi va corespunde în cristal o bandă de valenţă complet ocupată(b.d.v.c.o.), iar unuia parţial ocupat, o bandă de valenţă parţial ocupată (b.d.v.p.o.).

În atomul liber, deasupra nivelului de valenţă se găsesc nivelurile energetice care, deşilibere, ele pot fi ocupate cu electroni, în cazul excitării atomului. În cristal, nivelul liber al atomuluise transformă într-o bandă de subniveluri libere numită bandă de conducţie (b.d.c.), separată debanda de valenţă printr-o bandă interzisă. Ocuparea cu electroni a nivelurilor din banda deconducţie poate începe numai în momentul în care electronii din banda de valenţă primesc o energiecel puţin egală cu lărgimea benzii interzise. Deci, pentru ca un solid să fie capabil să conducăelectricitate, trebuie ca electronii să posede suficientă energie pentru a sări de pe ultima bandăocupată pe prima bandă liberă care este banda de conducţie.

Fig. 2.23. Benzi de energiecomplet ocupate (1s, 2s) şiincomplet ocupate (2p) la T = 0 K;EF este nivelul limită Fermi


2.4 CLASIFICAREA MATERIALELOR ÎN FUNCŢIE DE STRUCTURA DE BENZIA ENERGIEI ELECTRONILOR ÎN CRISTALE

Toate corpurile solide pot fi împarţite în două mari grupe, în funcţie de gradul de ocupare cuelectroni a benzilor de energie.

Din prima grupă fac parte corpurile solide care deasupra ultimei benzi complet ocupate cuelectroni (b.c.o.) au o bandă de valenţă parţial ocupată cu electroni (b.d.v.p.o.), separate de o bandăinterzisă (b.i.), figura 2.24. În această figură s-a reprezentat numai ultima bandă complet ocupată.

Din această grupă fac parte materialele conductoare, în special metalele.Din a doua grupă fac parte corpurile solide care deasupra ultimei benzi complet ocupate cu

electroni (b.c.o.) au o bandă de valenţă complet ocupată cu electroni (b.d.v.p.o.), separate de obandă interzisă (b.i.), figura 2.25.

Dacă diferenţa de energie Ei (lărgimea benzii interzise), care separă ultima bandă ocupată deprima bandă liberă, este mare ( 2E i eV), nici un electron nu are, la temperatura ambiantă,suficientă energie termică pentru a sări de pe banda de valenţă pe banda de conducţie, solidulcomportându-se ca un izolant electric (rezistivitatea electrică > 108 Ω∙m).

Când banda interzisă are energia 2E i eV, un anumit număr de electroni pot fi excitaţicătre banda de conducţie şi vom avea de-a face cu un semiconductor, a cărui rezistivitate electricăvariază între 10-6 Ω∙mşi 108 Ω∙m. Siliciul şi germaniul, care sunt două semiconductoare, au aceeaşistructură cristalină ca şi diamantul, care este un izolant. Ceea ce le distinge este numai mărimeabenzii interzise: 0,7eV şi 1,1eV pentru germaniu şi, respectiv, pentru siliciu în comparaţie cu 5,4 eV, pentru diamant. La 0 K, aceste trei solide sunt izolanţi, deoarece nici un electron nu posedăsuficientă energie pentru a fi excitat către banda de conducţie.

Din contră, conductivitatea electrică a metalelor creşte când temperatura scade până la 0 K.Ele sunt caracterizate printr-o bandă de valenţă care nu este complet ocupată şi prin electronii lor devalenţă care rămân mobili, oricare ar fi temperatura. În concluzie, la metale, mărimea benziiinterzise este practic nulă.

Adesea, este suficientă o simplă schimbare a structurii cristaline pentru a modifica Ei şi aschimba caracterul covalo-metalic al legăturii. Astfel, staniul cenuşiu (structură tetraedrică decoordinaţie 4), care este forma stabilă a staniului sub 13,20C, este un semiconductor. Staniul alb (cunumăr de coordinaţie 8), care este stabil peste această temperatură, este un metal. La fel, oxidul devanadiu VO2 este, la temperatura ambiantă, un izolant caracterizat de legături iono-covalente.Pornind de la 660C el devine conductor electric. Această schimbare, care este complet reversibilă,rezultă din variaţia minimă a structurii cristaline. Peste 660C, atomii de vanadiu sunt echidistanţi şielectronii sunt nelocalizaţi. Sub această temperatură atomii de vanadiu se regrupează în

Fig. 2.24. Schema nivelurilorde energie, în teoria benzilor,la materialele conductoare

Fig. 2.25. Schema nivelurilor de energie, în teoria benzilor, la:

a) materialele semiconductoare ( 2iE eV);

b) materialele izolante ( 2iE eV)


perechi V – V şi legătura este covalentă. În acelaşi fel, se explică şi conductivitatea electrică agrafitului cu modelul benzilor de energie.

2.5 BIBLIOGRAFIE

1. Atkins, P.W., Physical Chemistry, 2nd ed., Oxford University Press, Oxford, 1982.


3. Popescu, Ch., Lefter, C., Materiale electrotehnice, Ed. didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1970.4. Kurz, W., Mercier, J., Zambelli, G., Introduction à la science des matériaux, Presses polytechniques romandes,

Lausanne, 1987.

5. Drăgănescu, M., Electronica corpului solid, Ed. tehnică, Bucureşti, 1972.6. Bennet, S.C. , Ph. D. Thesis, Leeds University, 1976.

7. Compagnion, A.L., Chemical Bonding, McGraw-Hill, New York, 1964.

8. Huheey, J.E., Inorganic Chemistry, 2nd ed., Harper, New York, 1978, p. 842.

9. Hull, D., An Introduction to Composite Materials, Cambridge Solid State Series, Cambridge University Press,Cambridge, 1981.

10. Kelly, A., Strong Solids, 3rd ed., Clarendon Press, Oxford, 1986.

11. Kittel, C., Introduction to Solid State Physics, 5th ed., John Wiley, New York, 1976.

12. Mahan, B.H., College Chemistry, 2nd ed., Addison Wesley, Reading, Mass., 1966.

13. Robert, P., Matériaux de l’Electronique, Traité d’Electricité, Vol. II, Presses polytechniques romandes, Lausanne,1979.

14. Slater, J.C., Electronic Energy Bands Metals, Phys. Rev., 45 (1934) 794.

15. Wahl, A.C., Chemistry by Computer, Scientific American, 222 (1970) 54.

16. Watt, W., Proc. Roy. Soc., A 319 (1970) 5.

CAPITOLUL 3

DEFECTELE STRUCTURII CRISTALINE

Cristalul real are un aranjament atomic care se depărtează local de structura cristalului ideal,din pricina prezenţei defectelor în structura cristalină. Acestea pot modifica în mod considerabilproprietăţile materialelor.

Unul dintre cele mai importante aspecte ale ştiinţei materialelor este să caracterizeze acestedefecte, să analizeze efectele lor asupra proprietăţilor şi să studieze metodele care permit inducereaacestora într-un mod controlabil, pentru a se ajunge la un comportament optim al materialelor.

Defectele structurii întâlnite în cristale sunt de patru tipuri: defecte punctiforme (zerodimensionale), care sunt de ordinul de mărime al volumului

unui atom; defecte liniare sau dislocaţii (unidimensionale), care sunt perturbaţii ale structurii

cristalului situate de-a lungul unei linii sau unui aranjament reticular; defecte de suprafaţă (bidimensionale), care pun în joc imperfecţiunile situate în planele

care separă două cristale; defecte de volum (tridimensionale), de mărime macroscopică, precum porii, fisurile,

crăpăturile, incluziunile de corpuri străine în cristal.În acest capitol, se vor studia numai acele defecte la care cel puţin o dimensiune este de

ordinul de mărime al atomilor. Nu se vor studia, deci, în detaliu defectele de volum.

3.1 DEFECTELE PUNCTIFORME

Atunci când există un defect la scară atomică, se spune că avem un defect punctiform, înciuda faptului că acest defect ocupă un anumit volum. Ca orice defecte, cele punctiformedeformează reţeaua şi generează un câmp de solicitări în cristalul care înglobează un volum maimare decât cel al defectului însuşi.

Se disting trei tipuri principale de defecte punctiforme (fig. 3.1): golul (nodul vacant), care caracterizează absenţa unui atom din reţeaua cristalină (A); interstiţialul, care apare atunci când un atom străin (B), de mărime mică, se inserează în

spaţiile libere ale reţelei cristaline. Atunci când un atom constituent al cristalului este plasat prininserare, avem de-a face cu un auto-interstiţial (B’);

atomul de substituţie, care apare atunci când poziţia normală a unui atom constituent alcristalului este ocupată de un atom străin (C).

3.1.1 Goluri şi atomi străiniGolurile sunt defecte punctiforme foarte importante, deoarece ele uşurează deplasarea

atomilor cristalului. Acest fenomen, numit difuzie, este schiţat în figura 3.2.

Fig. 3.1 Tipuri de defecte punctiforme în cristal: (A)gol; (B) atom străin interstiţial; (B’) atom auto-interstiţial; (C) atom străin de substituţie

Fig.3.2 Mecanismul migrării atomilor în goluri într-o reţeacristalină: schimbarea poziţiei între atomi şi goluri (1 6)


Difuzia controlează în mare măsură comportamentul materialelor la temperatură ridicată(fluaj, tratamente termice).

3.1.2 Defecte punctiforme la solideÎn cristalele monoatomice, cum ar fi metalele, defectele punctiforme pot fi create

independent unele de celelalte. În cristalele ionice, neutralitatea electrică trebuie să fie menţinută şidefectele sunt create prin perechi de semne opuse. Astfel, se disting defectele Schottky compusedintr-un gol anionic (nod vacant) şi dintr-un gol cationic şi defectele Frenkel constituite dintr-unansamblu format dintr-un gol (cation sau anion) şi dintr-un ion (anion sau cation) interstiţial(figura 3.3).

Defectele de tipul Schottky şi Frenkelprezintă o deosebită importanţă pentruproprietăţile materialelor. Un defect de tipulSchottky se formează prin trecerea uneiparticule dintr-un nod, care rămâne vacant şicare constituie defectul, pe suprafaţacristalului sau în exteriorul său (fig. 3.3(a)),iar un defect Frenkel apare prin difuziuneaunei particule dintr-un nod, care devinevacant, într-un interstiţiu al reţelei cristaline(fig. 3.3(b)), defectul Frenkel fiind decidublu: nod vacant şi interstiţiu ocupat.

Calculul numărului de defecte punctiforme din unitatea de volum se face satisfăcândcondiţia ca, la echilibrul termodinamic, energia liberă a cristalului să fie minimă în prezenţadefectelor. Fie:

000 STUE (3.1)energia liberă a cristalului ideal (fără defecte), T fiind temperatura, iar U0 şi S0 energia internă,respectiv entropia cristalului ideal. Prin formarea defectelor, energia internă a cristalului creşte cuδU, deoarece particulele trebuie să absoarbă energie pentru a părăsi nodurile (în care energia esteevident minimă, corespunzând stării celei mai stabile la T = 0); totodată, creşte şi entropiacristalului cu δS. Energia liberă a cristalului cu defecte are deci expresia:

STU)SS(TUUE 00 (3.2)dacă U = U0+U şi S = S0 +S

Se observă că pentru T·δS > δU se obţine E < E0 şi, prin urmare, rezultă că starea cu defectepoate fi mai stabilă, corespunzând unei energii libere mai mici, decât cea ideală, cristalul cu defectefiind, deci, mai “natural” la T ≠ 0 decât cel ideal. De fapt, acest caz se realizează pentru un anumitnumăr de defecte deoarece, datorită agitaţiei termice, unele dintre particule absorb suficientăenergie pentru a părăsi nodurile reţelei. Numărul acestora este însă foarte mic în raport cu alparticulelor care nu părăsesc nodurile reţelei (altfel, energia δU ar atinge valori mai mari decât T·δSşi energia liberă ar creşte).

Se consideră cazul defectelor de tip Schottky care constau numai în apariţia unor nodurivacante (goluri). Fie N numărul nodurilor reţelei din unitatea de volum şi Ns numărul nodurilorvacante din unitatea de volum formate prin defect Schottky. Numărul g, din unitatea de volum, altuturor configuraţiilor care se pot obţine repartizând, în toate modurile posibile, nodurile vacante penodurile reţelei are expresia:

)!NN(!N

!NCg

ss

sN

N . (3.3)

Deoarece toate configuraţiile sunt egal probabile, probabilitatea de realizare a uneia dintreele are expresia:

Fig. 3.3 Defectele punctiforme în cristalele ionice(exemplu NaCl): (a) prezenţa a două goluri desarcină opusă (defect Schottky); (b) formareaunei perechi gol-atom interstiţial (defect Frenkel)

Defectele structurii cristaline 35

g

1P , (3.4)

aşa cum rezultă din condiţia de normare P·g = 1. Se ştie că variaţia δS a entropiei are expresia:])!NN(!N/!Nln[kglnkP

~lnkS ss , unde k este constanta lui Boltzman.

Dacă, pentru producerea unui defect, cristalul absoarbe energia wds, mărimea δU areexpresia δU = Nswds. Introducând în (3.1) ultimele expresii ale variaţiilor δS şi δU, se obţine:

)!NN(!N

!NlnkTwNEE

ssdss0

(3.5)

Din cauză că N şi Ns sunt numere foarte mari, ca şi (N-Ns), deoarece N >> Ns, se poatefolosi formula lui Stirling: N! ≈ (N ∕e)N şi, deci, se poate scrie egalitatea (3.5) sub forma:

)]NNln()NN(NlnNNlnN[kTwNEE ssssdss0 . (3.6)

Minimul energiei libere se obţine din condiţia 0N/E s , care conduce la relaţia:],kT/wexp[)NN/(N dsss sau, deoarece Ns N:

]kT/wexp[NN dss (3.7)Ordinul de mărime al energiei wds este de 1 [eV]; deci, pentru un mol de substanţă, cu N =

6,025 · 1023 [mol-1], se obţine Ns/N ≈ 10-5, la T ≈ 1000 [K] şi Ns ≈ 1018 [goluri/mol].În cazul defectelor de tip Frenkel, pe lângă numărul g al configuraţiilor posibile, obţinute

prin repartizarea nodurilor vacante, notate cu NF pentru unitatea de volum, pe noduri, maiintervine şi numărul gi al tuturor configuraţiilor care se obţin repartizând, în toate modurileposibile, interstiţiile ocupate, egale de asemenea cu NF, pe interstiţiile reţelei, în număr de N’ înunitatea de volum. Se obţine, ca mai sus, )!NN(!N/!Ng F

'F

'i şi deci numărul total de

configuraţii care se obţin pentru defectele Frenkel are expresia:

)!NN()!NN()!N(

!N!Nggg

F'

F2

F

'

iF , (3.8)

iar probabilitatea de realizare a uneia dintre ele este dată de expresia PF = 1/gF.Repetând raţionamentul ca şi în cazul defectelor Schottky, se obţine, dacă wdF este energia

de formare a unui defect Frenkel:

]kT2/wexp[NNN dF'

F , (3.9)

în care s-a ţinut seama că NF N’.Deoarece N şi 'N sunt constante pentru o reţea cristalină dată, expresiile (5.9) şi (5.11) se

mai pot scrie sub formele:]kT/wexp[.constN dss (3.10)

]kT2/wexp[.constN dFF (3.11)Rezultă că numărul defectelor punctiforme ale unui cristal creşte exponenţial cu temperatura.

Menţionăm că energia de formare a unui defect interstiţial e mai mare decât aceea necesară formăriiunui nod vacant, din cauza dimensiunilor mici ale interstiţiilor, în care pătrund greu particulele, adicăwdF > wds şi, din această cauză, numărul defectelor de tip Frenkel e mai mic decât al defectelor de tipSchotty. De exemplu, într-un cristal de aluminiu, wds ≈ 0,75 [eV], iar wdF ≈ 3 [eV].

3.2 DEFECTELE LINIARE SAU DISLOCAŢIILE

Dislocaţia este un defect al cristalului care rezultă dintr-o perturbaţie a structurii, centrată înjurul unei linii sau a unui aranjament reticular.


3.2.1 Geometria dislocaţiilorPentru a putea înţelege geometria acestui defect, se consideră următoarea experienţă

(fig. 3.4): se tăie un cristal cu reţea cubică ideală după un plan ABCD, deplasând partea superioarăla o distanţă interatomică. Pentru a permite refacerealegăturilor interatomice, este necesar ca deplasarea să seefectueze de-a lungul unui plan de tăiere ABCD. Existăîn acest plan o infinitate de direcţii de deplasareposibile, dintre care două sunt particulare:

atunci când deplasarea atomilor seefectuează într-o direcţie perpendiculară pe linia AB(fig. 3.4(b)), se comprimă partea superioară a cristaluluişi se observă formarea unui plan reticular ABEF care setermină în interiorul cristalului de-a lungul liniei dedislocaţie (linia AB). Acest plan de atomi suplimentarise cufundă în cristal determinând o dislocaţie-marginală (liniară). La exteriorul cristalului, se observăformarea unei marcaţii CC’DD’ a cărei lăţimecaracterizează deplasarea atomilor de-a lungul planuluide tăiere;

dacă deplasarea atomilor se face paralel culinia AB (fig. 3.4(c)), se induce o răsucire elicoidală acristalului care are linia AB ca axă. Acest defect liniarse numeşte dislocaţie elicoidală (de răsucire).Contururile exterioare ale alunecării atomilor suntmarcările ADD’ şi BCC’.

Orice altă deplasare în planul ABCD, formândun unghi oarecare cu direcţia AB, produce o dislocaţiemixtă, adică o dislocaţie având în acelaşi timp o componentă elicoidală şi o componentă marginală.

O altă reprezentare a dislocaţiei marginale este dată în figura 3.5. Este o dislocaţie marginalăpozitivă (simbol ), cu planul suplimentar deasupra planului de deplasare. În partea cristaluluisituată deasupra liniei de dislocaţie atomii sunt comprimaţi, cristalul fiind comprimat. Contrar, sublinia de dislocaţie atomii sunt depărtaţi şi cristalul este umflat. În consecinţă, deplasarea atomilor, înafara poziţiei lor de echilibru, din vecinătatea liniei de dislocaţie, măreşte energia internă asistemului. Dacă în figura 3.5 se efectuează o rotaţie de 1800, în jurul liniei de dislocaţie, se obţine odislocaţie marginală negativă (simbol ). Dislocaţia elicoidală nu conţine plan suplimentar. În acest caz,planurile reticulare perpendiculare pe linia de dislocaţie sunt uşor deformate şi se înfăşoară în spirală de-a lungul liniei de dislocaţie, luată ca axă. Pasul acestei spirale poate fi la stânga sau la dreapta.

Vectorul care caracterizează amplitudinea, direcţia şi sensul de deplasare al dislocaţiei este

numit vectorul lui Burgers b (reprezentat în figuri cu b). Acesta se determină prin metoda numităcircuitul lui Burgers, care este sintetizată în figura 3.6, în care este reprezentat un plan reticular pelinia de dislocaţie. Circuitul lui Burgers, care se formează în sensul rotirii acelor de ceasornic, seefectuează plecând dintr-un atom oarecare al planului reticular şi urmărind ca el să conţină acelaşinumăr de paşi în toate direcţiile.

Dacă circuitul este efectuat într-un plan reticular al unui cristal perfect (fig. 3.6(a)), se revine

la atomul de plecare şi vectorul b este egal cu zero. Dacă circuitul este efectuat în jurul uneidislocaţii marginale (fig. 3.6(b)) sau în jurul unei dislocaţii elicoidale (fig. 3.6(c)), nu se revine lasfârşitul circuitului la atomul de plecare şi vectorul de închidere a circuitului este un vector egal cuvectorul lui Burgers.

Fig. 3.4 Geometria dislocaţiilor într-un cristal cu reţeacubică: (a) reţea fără defecte; (b) dislocaţie-marginală;(c) dislocaţie-elicoidală. Pentru cele două tipuri dedislocaţii s-a indicat vectorul care caracterizeazădeplasarea atomilor reţelei cristaline, numit vectorul lui

Burgers b (reprezentat în figură cu b).


Sensul de parcurs al liniei de dislocaţie poate fi ales arbitrar. În figura 3.6(c), se remarcăfaptul că pentru o dislocaţie elicoidală cu pas la dreapta, vectorul lui Burgers este în sensul negatival liniei de dislocaţie. Pentru dislocaţia elicoidală cu pas la stânga, situaţia este, evident, inversă.

Vectorul lui Burgers şi linia de dislocaţie a unei dislocaţii elicoidale sunt paralele. În acestcaz, contrar cu ceea ce se întâmplă pentru dislocaţia marginală, planul de alunecare nu este definitîn mod univoc şi fiecare plan reticular de mare densitate, care trece prin linia de dislocaţie,constituie un posibil plan de alunecare. Dislocaţia elicoidală are, deci, mai multă libertate pentru ase deplasa faţă de dislocaţia marginală.

3.2.2 Deplasarea dislocaţiilorProcesul de deplasare a dislocaţiilor în planurile lor de alunecare constituie baza

mecanismului deformării plastice la temperatură joasă, pentru cea mai mare parte a materialelor.Aceasta antrenează o modificare permanentă a formei materialului. Dacă numărul dislocaţiilor carealunecă este mare, formarea multiplelor mărginiri microscopice face loc unei schimbării a formeimacroscopice.

Deformarea plastică este mult uşurată de prezenţa dislocaţiilor. Într-adevăr, în absenţa lor artrebui aplicate eforturi la forfecare foarte mari pentru deplasarea unei părţi a cristalului în raport cualta, deoarece ar trebui să se rupă simultan toate legăturile adiacente planului de alunecare. Acestproces ar necesita eforturi de zece ori mai mari faţă de valoarea modulului de forfecare. Deformareaplastică a cristalelor metalice se face sub acţiunea unor eforturi mult mai scăzute decât E/10,datorită deplasării cu uşurinţă a dislocaţiilor prezente în acest tip de material.

3.2.3 Interacţiuni între dislocaţii şi defectele punctiformeÎntre dislocaţii şi defectele punctiforme apar interacţiuni elastice şi electrice.Interacţiunile elastice se datorează deformării reţelei de către defecte. Dislocaţia reprezintă

pentru defectele punctiforme un centru de atracţie spre care acestea difuzează formând în juruldislocaţiei un nor de defecte punctiforme; este ca şi cum dislocaţia ar fi atras cu forţe elasticedefectele punctiforme.

Fig. 3..5 Vedere în perspectivă astructurii unei dislocaţii marginale într-un cristal cu reţea cubică (după Kittel,1976). Linia de dislocaţie se găseşte încentrul desenului. Ea este înconjurată decinci atomi

Fig. 3.6 Circuitul lui Burgers care permite determinareavectorului lui Burgers b. Planul circuitului esteperpendicular pe linia de dislocaţie indicată printr-o săgeatămare. (a) Circuit într-un cristal perfect (vectorul b=0); (b)circuit în jurul unei dislocaţii marginale; (c) circuit în jurulunei dislocaţii elicoidale


Interacţiunile electrice se datorează redistribuirii electronilor de conducţie la grupurile deatomi adunate lângă dislocaţiile liniare. Apar astfel, părţi cu surplus de electroni şi părţi cu lipsă deelectroni, deci dipoli electrici, care interacţionează cu impurităţile şi vacanţele de diferite sarcini cuforţe de natură electrostatică.

3.3 DEFECTELE BIDIMENSIONALE

Aşa cum s-a menţionat la începutul acestui capitol, defectele bidimensionale sau de suprafaţăpun în joc imperfecţiunile situate în planele care separă două cristale (ce provin de la faze decristalizare diferite) sau pe cele aflate la limita de granulaţie, în cazul policristalelor.

3.3.1 Joncţiuni între două cristale adiacenteAcest tip de defecte de suprafaţă apare, evident, la două cristale lipite, ce pot fi de la două

faze diferite care fac joncţiunea. Această joncţiune poate fi:- cu păstrarea structurii cristaline până la limita joncţiunii, figura 3.7. Din această figură se observăcă cele două cristale 1 şi 2 au o structură cubică (în figură s-a reprezentat numai o faţă a cubuluicelulei elementare) şi că îşi păstrează structura până la joncţiune;- cu jonctiunea sub forma unei zone de tranziţie:

1. cu structură parţial ordonată (amorfă), figura 3.8(a); 2. cu structură total dezordonată a zonei de tranziţie, figura 3.8(b).

3. cu jonctiunea plan de simetrie pentru cele două cristale adiacente; rezultă o structură cumacle interne (fig. 3.9), numită martensitică şi intâlnită la aliajele cu memorie a formei în faza de latemperatura joasă.

3.3.2 Joncţiunea grăunţilorSe ştie că un număr mare de materiale au o structură policristalină, adică o structură formată

din cristale de mărime mică (grăunţi). Regiunile unde grăunţii se ating se numesc joncţiuni alegrăunţilor. Acestea constituie zone de tranziţie caracterizate printr-o structură mai mult sau maipuţin ordonată, permiţând acomodarea geometrică şi cristalografică a cristalelor.

În cele mai multe cazuri, grăunţii au formă de poliedre cu faţete multiple, iar morfologiajoncţiunii depinde de orientarea feţelor acestor poliedre, unele în raport cu altele. Figura 3.10prezintă o secţiune văzută la microscopul optic, efectuată într-un material policristalin după şlefuireşi atac chimic. Joncţiunile grăunţilor materialelor metalice sunt mai uşor atacate de acizi decâtcristalul, ceea ce le face vizibile la microscopul optic. În figură, liniile continui reprezintăjoncţiunile grăunţilor, iar liniile punctate simbolizează sub-joncţiunile.

Fig. 3.7. Cristale adiacente care îşipăstrează structura până la joncţiune

(a) (b)

Fig. 3.8. Cristale adiacente cu zonă de tranziţie:(a) cu structură parţial ordonată;(b) cu structură total dezordonată


Există două tipuri de joncţiuni simple: joncţiunile la flexiune, care conţin axa de rotaţie agrăunţilor, figura 3.11(a) şi joncţiunile la torsiune, care sunt perpendiculare pe această axă, figura3.11(b). În general, diferenţierea între sub-joncţiuni şi joncţiuni se face pe baza valorii unghiului derotaţie . Dacă este mai mic de 100, se consideră că avem o sub-joncţiune.

3.4 DEFECTELE TRIDIMENSIONALE

Acestea sunt defectele de volum, de mărime macroscopică, precum porii, fisurile,crăpăturile, incluziunile de corpuri străine ce nu pot difuza în cristal.

3.5 BIBLIOGRAFIE

1. Friedel, J., Dislocations, Pergamon, Oxford, 1964.

2. Kurz, W., Mercier, J., Zambelli, G., Introduction à la science des matériaux, Presses polytechniques romandes,Lausanne, 1987.

3. Henderson, B., Defects in Cristalline Solids, Arnold, London, 1972.

4. Hull, D., Bacon, D.J., Introduction to Dislocations, 3th ed., Pergamon, Oxford, 1984.

5. Read Jr, W.J., Dislocations in Crystals, McGraw-Hill, New York, 1953.

6. Reneker, D.H., Points Dislocations in Crystals of High Polymer Molecules, J. polym. Sci., 59 (1962) S 39.


Fig. 3.9. Cristale adiacentecare îşi păstrează structurapână la joncţiune

Fig. 3.10 Vedere schematicăla microscopul optic a uneisecţiuni efectuate într-unmaterial policristalin dupăşlefuire şi atac chimic

Fig. 3.11 Tipuri de joncţiuni: (a) joncţiune laflexiune; (b) joncţiune la torsiune

CAPITOLUL 4

MATERIALE CONDUCTOARE. METALE

Din grupa materialelor conductoare fac parte corpurile a căror rezistivitate electrică este deordinul a 68 10...10 Ω∙m şi care – conform teoriei benzilor de energie – prezintă benzi de valenţăcare au doar jumătate din nivelurile energetice ocupate cu electroni (cazul metalelor monovalente)sau suprapuneri ale benzilor de valenţă peste benzile de conducţie (cazul metalelor bivalente).

4.1 CARACTERISTICI GENERALE

Procesul de conducţie este legat de existenţa unei mişcări dirijate a electronilor sau ionilordin interiorul corpurilor.

Conductoarele de ordinul întâi sunt caracterizate prin conductivitatea lor de tip electronic,corespunzătoare deplasării electronilor şi prin faptul că parcurse de curentul electric se încălzesc şirezistivitatea lor creşte, dar nu suferă nici o modificare chimică. Este caracteristică îndeosebimetalelor (în stare solidă sau lichidă), grafitului etc.

Conductoarele de ordinul doi cu conductivitate ionică (cu valori mai mici decât ceaelectronică), corespunzătoare deplasării ionilor din electroliţi, a căror rezistivitate scade cutemperatura şi care suferă modificări chimice când sunt străbătute de un curent electric.

În cele ce urmează, vor fi considerate numai materialele cu conducţie electronică (îndeosebimetalele) care prezintă aplicaţii importante în industria electrotehnică.

Cum solicitările metalelor sânt foarte complexe, atât ca intensitate, cât şi ca natură (termice,mecanice, chimice, electrice, magnetice etc.) şi cum metalele pure nu pot suporta acţiunilecombinate ale acestora decât în anumite condiţii, în practică se utilizează, de cele mai multe ori,aliaje ale căror proprietăţi pot să difere considerabil de cele ale metalelor componente.

Metalele prezintă, în general, o structură cristalină. Unele aliaje au însă structuri eterogene –constituite din două sau mai multe tipuri de cristalite – care înrăutăţesc proprietăţile materialelor,îndeosebi cele mecanice (de deformare plastică). În unele cazuri se realizează şi orientări alecristalelor, texturări; acestea determină însă anizotropii ale materialelor şi fac ca proprietăţileacestora să depindă şi de direcţia solicitărilor.

Caracteristicile materialelor conductoare sunt, de asemenea, influenţate de tehnologia deelaborare, de structura, natura şi conţinutul impurităţilor, de solicitările mecanice, termice etc.

4.2 DEPENDENŢA PROPRIETĂŢILOR MATERIALELOR CONDUCTOARE DEDIVERŞI FACTORI

Un conductor monocristalin cu reţea cristalină ideală (fără deformaţii datorită impurităţilor,vibraţiilor termice, tensiunilor mecanice etc.) se caracterizează printr-un maxim al conductivităţiielectrice. Practic, însă, toate corpurile prezintă abateri de la reţeaua cristalină ideală, fenomen caredetermină variaţii importante ale proprietăţilor lor electrice, termice şi mecanice.

4.2.1 Influenţa temperaturiiSe ştie că reţelele cristaline ale metalelor se comportă, pentru undele asociate electronilor

în mişcare, ca nişte reţele de difracţie, adică determină fenomene de difuzie care conduc lamicşorarea intensităţii fasciculului incident când a ( λ fiind lungimea de undă a undelor ψ , iara constanta reţelei). La temperaturi joase agitaţia termică este foarte redusă, reţeaua fiind practicideală (dacă nu conţine alte defecte). Cum 1010a m, iar 1010 m, în aceste condiţii, reţeaua

Materiale conductoare. Metale 41

este perfect transparentă pentru fasciculul de electroni, corpul aflându-se în starea desupraconductor.

Dacă temperatura creşte, agitaţia termică devine importantă, se produce o împrăştiere aelectronilor pe fononii reţelei cristaline şi deci, o reducere a conductivităţii cristalului. Datorităproporţionalităţii dintre agitaţia termică şi temperatură, dintre împrăştierea electronilor şi agitaţiatermică precum şi dintre rezistivitatea corpului şi gradul de împrăştiere, rezultă că rezistivitateaelectrică a unui conductor este proporţională cu temperatura acestuia. Aşadar, pentru valori aletemperaturii superioare temperaturii Debye (tab. 4.2) rezistivitatea unui metal se poate determina curelaţia:

00 TTT1TT , (4.1)

unde T şi 0T reprezintă valorile rezistivităţii la temperatura T, respectiv 0T , T este

coeficientul de temperatură al rezistivităţii, iar 0T este temperatura de referinţă (de obicei 293 K).Valorile caracteristicilor mecanice sunt, de asemenea, strâns legate de temperatură. Astfel,

metalele cu temperatură de topire mai ridicată au modulul de elasticitate mai mare, acestaprezentând însă variaţii mai importante cu temperatura.

4.2.2 Influenţa naturii şi conţinutului de impurităţiImpurităţile din reţeaua cristalină a metalului (practic inevitabile) produc o împrăştiere

suplimentară a mişcării electronilor (fig. 4.1(a)) contribuind astfel la micşorarea, cu i , a duratei de

relaxare a acestora. Cum i este caracteristică fiecărei specii de impurităţi şi presupunând că naturaşi conţinutul impurităţilor nu depind de temperatură, se obţine, pentru rezistivitatea electrică,expresia:

rT (4.2)

numită relaţia lui Matthiessen, unde termenul T reprezentând contribuţia oscilaţiilor termice alereţelei. Rezultă că, la K0T , rezistivitatea corpului este nenulă: ea are valoarea r , numitărezistivitate reziduală şi depinde doar de natura şi conţinutul de impurităţi (fig. 4.1(b)).

Aşadar, prin impurificarea metalelor conductivitatea lor scade oricare ar fi valoareaconductivităţii metalelor impuritate.

O categorie deosebită de impurităţi o constituie cele introduse în mod voit în reţelelecristaline ale metalelor cu scopul de a obţine aliaje (materiale cu rezistivitate sau proprietăţimecanice superioare). În procesul de aliere se produc deplasări ale atomilor din poziţiile lor deechilibru (fiind înlocuiţi cu atomi de altă specie), precum şi treceri ale electronilor de conducţie înbenzile incomplete ale metalelor impurităţi. Aceste fenomene, deformarea reţelei cristaline şi

Fig. 4.1. Influenţa impurităţilor asupra conductivităţii metalelor:a – împrăştierea electronilor pe ioni pozitivi şi negativi deimpuritate; b – variaţia rezistivităţii cu temperatura pentru cuprupur (1), Cu+1,12 Ni (2), Cu+2,16 Ni (3) şi Cu+3,32 Ni (4) [2]


legarea electronilor liberi de atomii impuritate, provoacă o reducere a conductivităţii electrice şi oîmbunătăţire a proprietăţilor mecanice.

În cazul aliajelor binare, metalele componente pot forma (în procesul de aliere) elementechimic pure, soluţii solide, compuşi intermetalici şi amestecuri eutectice.

Soluţiile solide se obţin numai atunci când metalele impuritate B (sau adaos) sunt solubile înmetalul de bază A (aliajul obţinut prezentând un singur tip de cristale) şi pot fi (fig. 4.2):

a) cu reţea de substituţie;b) cu reţea interstiţială.În cazul reţelelor de substituţie, metalele

componente au acelaşi sistem de cristalizare şivolume atomice apropriate (diferenţa dintrediametrele atomilor nu depăşeşte 15 %); metalelese aliază în orice proporţii, în nodurile reţeleiaflându-se atomi ai ambelor elemente (fig. 4.2(a)).

Dintre aliajele de acest tip, se remarcă celede tipul: Cu-Ni, Au-Ag, W-Mo etc.

Dacă diferenţa dintre diametrele atomice ale metalelor de aliere depăşeşte 15 %, se obţin soluţiisolide cu reţea interstiţială (fig. 4.2(b)). În acest caz, metalele nu se aliază în orice proporţii ci numaipână la ocuparea interstiţiilor reţelei cristaline a lui A de către ionii lui B (solubilitatea este limitată).Asemenea tip de soluţii formează metalele cu hidrogenul, carbonul, azotul, borul, oxigenul etc.

Rezistivitatea soluţiilor solide variază cu conţinutul elementului adaos, prezentând unmaxim când cele două metale se află în aceeaşi proporţie (fig. 4.3).

Dacă metalele componente se aliază doar în proporţie bine determinată, se obţin substanţechimice cu proprietăţi distincte, numite compuşi intermetalici. Conductivitatea electrică a acestoraeste apropriată de cea a metalelor dar, din punct de vedere mecanic, prezintă caracteristicilecristalelor ionice: plasticitate foarte scăzută, duritate mare, punct de topire ridicat etc. Unii compuşiintermetalici (InSb, AlSb etc.) sunt semiconductori.

Amestecurile eutectice (mecanice) se obţin din metale insolubile unul în altul (Pb în Fe, W înCu, Pb în Ag etc.) şi prezintă o structură de natură eutectică: cristale mari ale uneia dintre componente,înecate într-un amestec de cristale foarte mici aparţinând ambelor componente (numit eutectic).

Cele două metale se amestecă mecanic, componentele păstrându-şi caracteristicile proprii.Drept urmare, rezistivitatea electrică a acestor aliaje are o variaţie liniară cu conţinutulcomponentelor (fig. 4.4), curbele respective utilizându-se, de foarte multe ori, la determinareastructurii fizico-chimice a aliajelor.

4.2.3 Influenţa stării de agregarePrin topirea unui metal se distruge reţeaua cristalină. Mişcarea electronilor este puternic

frânată, conductivitatea scăzând pe măsură ce masa metalului topit creşte. Din acest motiv,diagramele de variaţie a rezistivităţii cu temperatura prezintă creşteri bruşte pentru valori aleacesteia egale cu temperaturile de topire ale metalelor. În unele cazuri însă (Ga, Bi etc),rezistivitatea scade odată cu schimbarea stării de agregare.

Fig. 4.2. Reţele cristaline ale soluţiilor solide: a – reţea de substituţie; b – reţea interstiţială

Fig. 4.3. Variaţia rezistivităţii ρ şi acoeficientului de temperatură al rezistivităţiiαt(ρ) cu gradul de aliere, pentru soluţii solide

Fig. 4.4. Variaţia rezistivităţii ρ şi a coeficientuluide temperatură al rezistivităţii αt(ρ) cu conţinutulcomponentelor, în cazul amestecurilor eutectice


4.2.4 Influenţa solicitărilor mecaniceProprietăţile conductorilor se modifică numai sub acţiunea solicitărilor mecanice care

provoacă deformări ale reţelelor cristaline. Astfel, în cazul deformărilor elastice, variaţiaamplitudinii de oscilaţie a ionilor din reţeaua cristalină determină o creştere a rezistivităţii corpuluiîn cazul solicitărilor de întindere şi o reducere a acesteia, în cazul solicitărilor de comprimare. Îngeneral, rezistivitatea unui material supus unei solicitări mecanice specifice este a10 , 0 fiindrezistivitatea materialului nesolicitat mecanic, iar a, coeficientul mecanic de variaţie a rezistivităţii.

Deformările plastice (prin laminare, forjare, trefilare etc.) modifică structura granulară acorpurilor. Astfel, grăunţii cristalini a căror direcţii de alunecare fac unghiuri mai mari cu direcţiade deformare se sparg, îngreunând desfăşurarea, în continuare, a procesului de deformare. Caurmare, corpul îşi măreşte rezistenţa mecanică la deformare, se durifică; se spune că materialul seecruisează, că are o structură tare, fibroasă (fig.4.5).

Gradul de ecruisaj eG se defineşte prin relaţia S/SSG e , în care S şi S reprezintă ariasecţiunii iniţiale, respectiv finale, a corpului metalic supus deformării plastice ( r creşte de 1,5 2

ori pentru %80G e , fig. 4.6). Pe de altă parte, deformarea sau distrugerea cristalelor constituind osursă importantă de defecte de reţea, atrage şi o reducere (cu 3 6 %) a conductivităţii electrice acorpului.

4.2.5 Influenţa tratamentelor termicePrin creşterea temperaturii corpurilor se produce o rearanjare a atomilor în reţea, adică se

desfăşoară un proces de refacere a cristalelor, de recristalizare. Temperatura de recristalizaredepinde de natura metalului (2200C pentru Cu) de gradul de deformare plastică (fiind cu atât maimare, cu cât gradul de deformare este mai redus) etc. Ca urmare a recristalizării, rezistenţamecanică scade, iar alungirea la rupere şi conductivitatea electrică cresc.

În decursul proceselor tehnologice de prelucrare a metalelor (de exemplu în cazul trefilării)se efectuează tratamente termice de recoacere (pentru refacerea caracteristicilor materialelorecruisate) la temperaturi superioare temperaturii de recristalizare (la 400 7000C pentru cupru). Seproduc astfel creşteri importante ale grăunţilor cristalini, rezistenţa mecanică a corpurilorreducându-se considerabil. Situaţii similare pot apărea şi în cazul unor scurtcircuite ale instalaţiilorelectrice, când, local, temperatura conductoarelor depăşeşte temperatura de recristalizare ametalelor din care sunt confecţionate.

4.3 COROZIUNEA METALELOR

Coroziunea reprezintă acţiunea chimică sau electrochimică exercitată la suprafaţa corpurilorde către aer, umezeală sau unele substanţe chimice. Coroziunea chimică apare în gaze uscate sau înlichide neconductoare. În atmosferă obişnuită agentul corodant cel mai important este oxigenul care

Fig. 4.6. Variaţia rezistenţei la rupereprin tracţiune σr (1) şi a alungirii larupere εr (2) cu gradul de ecruisare Ge

pentru cupru [4]

Fig. 4.5. Modificarea structurii metalelor cusolicitările mecanice şi termice; a – structură degrăunţi mari (stare moale); b – structură tare,fibroasă (după deformări plastice); c – structură cugrăunţi mici (stare moale, după tratare termică)[4]


formează la suprafaţa metalelor pelicule de oxizi. Dacă peliculele formate sunt poroase, oxigenulpătrunde prin ele şi atacă, în continuare, metalul până la distrugerea completă a acestuia (cum estecazul wolframului la temperaturi ridicate). Dacă însă pelicula este compactă, fără fisuri şi cucoeficient de dilataţie liniară apropiat de cel al metalului corodat, aceasta împiedică pătrundereaoxigenului în metal şi deci desfăşurarea procesului de coroziune. Asemenea tipuri de peliculeformează Cd, Al, Pb, Sn, Cu etc., la temperatura camerei, iar Cr, Ni, la temperaturi ridicate etc. Apacu care metalele vin în contact conţine, de obicei, impurităţi (acizi, săruri etc.) şi constituie unelectrolit a cărui concentraţie poate diferi de la un punct al suprafeţei corpului la altul. Se pot formaastfel pile electrice macroscopice (dacă în contact cu electrolitul se află două metale) saumicroscopice (dacă concentraţia electrolitului este neuniformă sau dacă suprafaţa metalului conţineimpurităţi). În primul caz se distruge metalul cu potenţial de electrod standard mai scăzut, iar încel de-al doilea caz se distruge metalul în cauză. De exemplu, în cazul contactului Cu-Al se vadistruge, prin coroziune electrochimică, piesa de aluminiu.

Potenţialul de electrod normal reprezintă diferenţa de potenţial care apare între un metal şio soluţie apoasă a unei sări a acestuia care cuprinde un echivalent gram de ioni activi la litru.Valoarea potenţialului de electrod normal depinde de natura metalului şi a electrolitului, deconţinutul de impurităţi din metal, de starea suprafeţelor etc.

Dacă se măsoară valoarea potenţialului normal faţă de potenţialul de electrod normal alhidrogenului se obţine potenţialul de electrod standard. Potenţialul standard al aliajelor depinde decompoziţia şi natura metalelor componente. Astfel, amestecurile eutectice au potenţialele deelectrod negative şi apropiate de cel al litiului. În cazul soluţiilor solide, potenţialul de electrodvariază în salturi cu compoziţia aliajului. De exemplu, alamele cu mai puţin de 39% Zn aupotenţialul standard apropiat de cel al cuprului, în timp ce alamele cu un conţinut superior de Zn, aupotenţialul de electrod apropiat de cel al zincului.

Deoarece numai un număr relativ redus de elemente sunt necorodabile (Au, Pt, Ag etc), înaplicaţiile tehnice se iau măsuri speciale de protecţie a metalelor împotriva coroziunii. În acest sens,fie se reduce agresivitatea mediului ambiant (prin utilizarea unor soluţii alcaline, a amoniacului,inhibitorilor etc.), fie se măreşte rezistenţa corpurilor la acţiunea coroziunii.

Mărirea rezistenţei metalelor la coroziune, se realizează prin acoperirea acestora cumateriale necorodabile. Acoperirile nemetalice se realizează cu materiale anorganice (oxizi,silicaţi), lacuri nehigroscopice (bitumuri etc.), pelicule de email (care conţin amestecuri de silicaţi,boraţi etc.). Acoperirile metalice se realizează cu Sn, Zn, Cu, Cr pentru materiale feroase şi cu Ni,Ag, Au etc. pentru materiale neferoase şi pot avea caracter catodic (când, la apariţia coroziunii, sedistruge elementul de protejat) sau anodic (când este atacat stratul protector). Executareaacoperirilor metalice se face prin cufundarea pieselor de protejat în băi care conţin metalul deacoperit în stare topită (Zn, Al, Cd, Pb etc.), prin galvanizare (Al, Ag, Au, Cd, Cr, Ni, Pb, W etc.),prin difuzia metalului de protecţie la temperaturi ridicate (B, Cr, Zn etc.), prin pulverizareametalului de protecţie (Al, Zn, Cu, Pb etc.), prin placare (prin laminare, sudare, presare) etc.

Dacă corpurile se utilizează la temperaturi înalte, se fac acoperiri cu Al2O3, ZnO2, SiO2,compuşi metalo-ceramici etc. De asemenea, se efectuează acoperiri pe bază de ciment, prin nitrurărisau fosfatări electrostatice şi prin electroforeză etc.

4.4 MATERIALE CONDUCTOARE CU MARE UTILIZARE

4.4.1 Cuprul şi aliajele saleFiind materiale cu conductivitate electrică şi rezistenţă mecanică mare, rezistente la

coroziune, maleabile şi ductile, sudabile etc., cuprul şi aliajele acestuia prezintă numeroase utilizăriîn industria electrotehnică.

4.4.1.1 CuprulCuprul electrotehnic (CuE) se obţine prin rafinare electrolitică şi are puritatea de peste 99,9%.


Impurităţile îi pot modifica considerabil proprietăţile. Astfel, oxigenul reacţionează, întimpul procesului de prelucrare a cuprului, cu gazele din mediul ambiant (H2, CO, CH4 etc.), dândnaştere unor produse insolubile în cupru (apă, CO2 etc.), care, ieşind din metal, provoacă fisuri înstructura acestuia (fenomenul numindu-se boala hidrogenului). De asemenea, oxigenul afecteazăconductivitatea cuprului: aceasta scade cu aproape 4% pentru un conţinut de oxigen de 0,15%. Ceamai dăunătoare impuritate o constituie, însă, bismutul. Insolubil în cupru, bismutul formeazăpelicule foarte fragile şi uşor fuzibile în jurul grăunţilor cristalini ai acestuia, mărindu-i fragilitatea.Alte impurităţi, cum sunt fosforul, fierul, siliciul, cromul etc. determină o reducere importantă aconductivităţii, în timp ce argintul, aurul, cadmiul, nichelul etc. au o influenţă mult mai mică.

Proprietăţile cuprului depind de structura sa, precum şi de solicitările mecanice şi termicedin exploatare.

Având potenţialul de electrod standard pozitiv (+0,345 V), cuprul este protejat de metaleleuzuale cu care vine în contact (Al, Fe, Zn etc.), acestea având potenţial de electrod standard negativ.Este atacat de oxigen, de oxizii de azot, de acidul azotic şi acidul sulfuric, de clor, amoniac, desulful din cauciucul vulcanizat etc.

Cuprul se utilizează la fabricarea conductoarelor de bobinaj, liniilor de transport şidistribuţie a energiei electrice, colectoarelor maşinilor electrice, conductelor şi cablurilor pentruînaltă frecvenţă, pieselor pentru tuburi cu vid, redresoarelor cu Cu2O, aliajelor de mare rezistivitate,magnetice etc.

4.4.1.2 Aliajele cupruluiIntroducerea unui conţinut foarte redus de Ag, Cd, Zn, Cr, Be etc. conferă cuprului

proprietăţi termice şi mecanice superioare. Astfel, un adaos mic de argint (0,03...0,1 %) imprimăaliajului stabilitate termică bună după ecruisare, cadmiu (0,06...1 %) îi măreşte rezistenţa lasolicitări dinamice, zincul (2%) şi cromul (0,5...0,9 %) îi măresc rezistenţa la rupere prin tracţiune,beriliul (0,5...2 %) îi măreşte duritatea etc. În schimb adaosurile, care apar ca „impurităţi” în reţeauacristalină a cuprului, măresc rezistivitatea electrică a materialului.

Alamele sunt aliaje ale cuprului cu zincul. Se reprezintă prin simbolul AmXY, numărul XYreprezentând conţinutul de cupru (peste 50%) în procente (de exemplu, Am67 reprezintă o alamă cu67% Cu). Proprietăţile lor depind atât de compoziţia chimică, cât şi de tratamentele mecanice şitermice la care au fost supuse în procesul de fabricaţie.

Sunt rezistente la coroziune, se pot lamina şi ştanţa uşor, dar au conductivitatea electrică mairedusă decât cea a cuprului. Adăugându-se şi alte elemente, se conferă alamelor rezistenţă mărită lacoroziune şi oxidare (Si), proprietăţi mecanice superioare (Al, Sn, Fe, Mn), eventual la temperaturiînalte (Ni), prelucrabilitate uşoară (Pb) etc.

Sub denumirea de bronzuri sunt cunoscute aliajele cuprului cu staniul, precum şi cele cuAl, Si, Cd, Be, P, Cr, Ti, Ag etc. Acestea au duritate mare (dependentă de gradul de deformareplastică), sunt rezistente la coroziune, iar unele din ele (cele cu Cd) au rezistivitatea apropiată de ceaa cuprului.

Se utilizează la fabricarea conductoarelor aeriene, a firelor de troleu, a contactelor arcuite, alamelelor de colector etc.

4.4.2 Aluminiul şi aliajele saleAluminiul şi aliajele sale sunt, după cupru, materialele cele mai utilizate în electrotehnică.

4.4.2.1 AluminiulAluminiul este mai uşor şi mai ieftin decât cuprul, dar inferior acestuia în ceea ce priveşte

conductivitatea electrică, rezistenţa mecanică şi rezistenţa la coroziune electrochimică.


Aluminiul cristalizează, ca şi cuprul, în sistemul cubic cu feţe centrate (fig. 4.7).Conductivitatea sa scade cu creşterea conţinutului de impurităţi, îndeosebi în cazul vanadiului şititanului (fig. 4.8).

De aceea, aluminiul pentru conductoare conţine cel mult 0,5% adaosuri (în general, fier şisiliciu). Proprietăţile mecanice ale aluminiului sunt destul de reduse şi variază sub acţiuneasolicitărilor mecanice şi termice. Temperatura de recristalizare este de 1500C, dar o recristalizarecompletă se realizează numai la 250 - 4000C (în funcţie de gradul de deformare şi de duratatratamentului).

Solicitat la 70 - 800C timp îndelungat, rezistenţa mecanică a aluminiului scade mult maipuţin decât cea a cuprului. Prezintă însă rezistenţă redusă la acţiunea vibraţiilor şi este atacat deoxigen (formând o peliculă protectoare de Al2O3), clor, săruri alehalogenilor, acizi organici, apă de mare etc.

Având potenţialul de electrod negativ şi mare (-1,66 V)aluminiul se distruge în contact cu metalele tehnice obişnuite.

Aluminiul se utilizează la fabricarea electrozilorcondensatoarelor cu hârtie şi a celor electrolitice (folii), amantalelor şi ecranelor cablurilor de energie, a înfăşurărilormaşinilor şi transformatoarelor electrice, a liniilor de transport şidistribuţie a energiei electrice, a cablurilor subterane etc., precumşi a unui număr foarte mare de produse care, prin caracteristicilelor neelectrice (greutate mică, rezistenţă mecanică mare etc.), auînlocuit materialele uzuale în construcţii, transporturi, aparaturăelectrocasnică etc. Utilizarea aluminiului în transportul energiei electrice presupune realizarea unorconductoare de secţiune mai mare, dar de greutăţi mai reduse.

În cazul liniilor aeriene de înaltă tensiune, creşterea secţiunii contribuie la reducerea pierderilorprin efect corona, iar reducerea greutăţii conductorului permite mărirea distanţei dintre stâlpii deînaltă tensiune şi deci a costului liniei. Cum însă aluminiul are rezistenţă mecanică redusă, liniileaeriene se construiesc din Aldrey sau din conductoare bimetalice (miezuri din oţel peste care sesuprapun sârme de aluminiu (fig. 4.9). În cazul cablurilor de energie, creşterea secţiuniiconductoarelor atrage însă o mărire a cantităţii de materiale izolante şi de manşoane de legăturăutilizate, deci o scumpire a instalaţiei.

4.4.2.2 Aliajele aluminiuluiPrin adăugarea unor mici cantităţi de Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Ni, Be etc. se obţin aliaje ale

aluminiului cu proprietăţi mecanice superioare şi conductivitate apropiată de cea a aluminiului pur.Astfel, Aldrey-ul (98,45 Al; 0,6 Si; 0,7 Mg; 0,2 Fe) are rezistivitatea mai mică de 32 nΩm, rezistenţala tracţiune mai mare de 320 MN/m2 şi temperatura de recristalizare cuprinsă între 180 şi 2000C.Siluminiul (11...13,5 % Si), în stare topită, are fluiditate mare şi se utilizează la fabricarea prin turnare apieselor de grosimi reduse sau cu forme complicate. Tot ca aliaje de turnare se utilizează şi aliajele Al–Mn (pentru coliviile motoarelor asincrone), Al–Cu, Al–Cu–Ni, Al–Si, Al–Mn–Mg etc.

Fig. 4.7. Sistemul de cristalizarecubic cu feţe centrate (Cu, Al)

Fig. 4.8. Variaţia conductivităţiielectrice a aluminiului în funcţiede conţinutul de impurităţi[2]

Fig. 4.9. Secţiune printr-un conductorbimetalic oţel - aluminiu


4.4.3 Alte materiale conductoareUtilizarea fierului ca material conductor se datorează îndeosebi costului scăzut şi rezistenţei

mecanice mari pe care acesta le are. Prezintă, de asemenea, rezistivitate electrică mare (0,1 μΩm),rezistenţă slabă la coroziune chimică şi efect pelicular pronunţat. Deoarece efectul de refulare acurentului este cu atât mai pronunţat, cu cât conductorul are diametrul mai mare şi rezistivitatea mairedusă, în c.a. se utilizează conductoare de oţel cu rezistivitate mai mare şi diametre care nudepăşesc 2,5 mm. Aceste oţeluri conţin pe lângă carbon (0,1 … 0,15%) şi Si (0,08%), Mn (0,046%),S (0,05%), P (0,05%) etc. În curent continuu se foloseşte fierul armco cu cel mult 0,2% impurităţi(carbon sub 0,003%, în rest Si, Mn, S, P).

Fierul se utilizează în locul cuprului sau aluminiului la realizarea liniilor de distribuţie aenergiei electrice (acolo unde costul energiei este redus sau în regiunile rurale cu consum redus), detelecomunicaţii la fabricarea conductoarelor solicitate mecanic (trolee pentru macarale, conductoare bimetalice) etc.

Argintul nu se oxidează decât la temperaturi ridicate, stratul de oxid format fiind un bunconductor electric. Se utilizează pentru confecţionarea contactelor, a armăturilor pentrucondensatoare, a siguranţelor fuzibile etc.

Platina, rezistentă la coroziune şi arc electric, se utilizează la fabricarea contactelor, atermocuplelor etc.

Wolframul, grăunţos şi fragil, cu temperatură de topire ridicată şi rezistenţă mare la arcelectric, se utilizează la fabricarea lămpilor cu incandescenţă (în medii fără oxigen), a contactelor derupere etc.

Se mai utilizează, de asemenea, zincul (electrozi de sudură, acoperiri metalice), plumbul(mantale pentru cabluri etc.), staniul (aliaje pentru lipit etc.), molibdenul, nichelul, cadmiul, cromuletc.

4.5 MATERIALE CU MARE REZISTIVITATE ELECTRICĂ

4.5.1 Materiale pentru rezistoare de precizie şi etalonAcestea au coeficientul de temperatură al rezistivităţii şi tensiunea termoelectromotoare

(t.e.m.) faţă de cupru reduse, sunt maleabile şi ductile etc. Cele mai utilizate sunt manganina – aliajeCu+Ni+Al – sau aliajele de tip manganină şi aliajele pe bază de metale preţioase, materiale curezistivitate electrică ridicată şi invariabilă în timp.

4.5.2 Materiale pentru reostateEle trebuie să suporte încălziri până la 2500C fără a-şi modifica proprietăţile sau să devină,

prin răcire, casante, să aibă coeficientul de temperatură al rezistivităţii mic, cost redus etc.Materialele care îndeplinesc aceste condiţii sunt constantanul (60 Cu, 40 Ni), utilizat la fabricareatermocuplelor şi a reostatelor cu cursor, nichelina, utilizată la construcţia reostatelor de pornire şireglaj, neusilberul (mai ieftin, deoarece conţine Zn), utilizat până la 2000C, fonta ( m5,1...4,1 ),utilizată la confecţionarea reostatelor de sarcină etc.

4.5.3 Materiale utilizate în electrotermieAcestea prezintă rezistenţă mare la oxidare şi la temperaturi înalte, au rezistivitate mare,

coeficientul de temperatură al rezistivităţii redus, caracteristici tehnologice bune şi cost redus. Dinaceastă grupă fac parte metale pure, aliaje pe bază de nichel, fier etc.

Wolframul este un material dur, casant, greu prelucrabil şi se oxidează la 5000C dacă nu seaflă în atmosferă protectoare (vid, gaze inerente). Se utilizează la fabricarea lămpilor cuincandescenţă a tuburilor electronice, a rezistoarelor de încălzire a cuptoarelor electrice pentrutopire şi tratamente termice etc.


Molibdenul are caracteristici asemănătoare cu cele ale wolframului, este rezistent la acizi şise oxidează pentru T > 6000C. Se utilizează la fabricarea lămpilor cu incandescenţă, a tuburilorelectronice, a electrozilor de sudură etc.

Tantalul are rezistenţă la coroziune foarte ridicată şi se utilizează în construcţia cuptoarelorpentru temperaturi ridicate, a tuburilor electronice etc.

Niobiul are rezistivitate mare (14,2 μΩm) şi se utilizează în construcţia cuptoarelor, afilamentelor, a tuburilor electronice etc.

Aliajele pe bază de nichel, numite nicromi, sunt soluţii solide ale nichelului cu cromul(acesta contribuind la creşterea rezistivităţii şi rezistenţei la căldură, la micşorarea coeficientului detemperatură al rezistivităţii etc. (tab. 6.17).

Pentru îmbunătăţirea caracteristicilor mecanice şi ieftinirea nicromilor, se înlocuieşte o partedin crom cu fier, obţinându-se feronicromi. Se utilizează la fabricarea elementelor de încălzire, aaparatelor electrocasnice etc.

Aliajele pe bază de fier sunt mai ieftine decât cele pe bază de nichel. Adăugarea unorcantităţi de Cr, Ni, Al şi Si le măreşte rezistivitatea, iar adaosurile de Cu, Mn sau Co le micşoreazăcoeficientul de temperatură al rezistivităţii. În general, aceste aliaje au variaţii mari ale rezistivităţiicu temperatura, iar la temperaturi ridicate prezintă o tendinţă de creştere a grăunţilor cristalini (deci,de reducere a caracteristicilor mecanice).

Pentru încălzirea cuptoarelor electrice (în metalurgie, chimie etc.) se utilizează şisilitele. Acestea sunt produse din carbură de siliciu (CSi) care suportă sarcini mai ridicate decâtaliajele amintite anterior, dar a căror rezistivitate variază sensibil cu temperara. De asemenea,prezintă fenomenul de îmbătrânire, rezistivitatea lor crescând în decursul exploatării.

4.6 BIBLIOGRAFIE

1. Ifrim, A., Materiale electrotehnice, vol. II. Bucureşti, Imprimeria I.P.B., 1972.

2. Ifrim, A., Noţingher, P., Materiale electrotehnice, Ed. didactică şi pedagogică, Bucureşti 1979.

3. Popescu, Ch., Ifrim, A., Materiale electrotehnice. Proprietăţi şi utilizări. Bucureşti, Editura tehnică, 1976.4. Popescu, Ch., Lefter, C., Materiale electrotehnice. Bucureşti, Editura didactică şi pedagogică, 1970.5. Ifrim, A., Anghel, F., Materiale electrotehnice, vol. I. Bucureşti, Imprimeria I.P.B., 1976.6. Aczel, O., Bozan, C., Dislocaţiile şi frecarea internă la metale. Timişoara, Editura Facla, 1974.7. Mantea, St. ş.a., Metalurgie fizică. Bucureşti, Editura tehnică, 1970.8. McLean, D., Mechanical Properties of Metals. New York, John Wiley and Sons, 1962.

9. Leicheisen, Jr., The Corrosion of Copper and Their Alloys. New York, John Wiley and Sons, 1962.

10. Constantinescu, S., Coroziunea microbiologică. Bucureşti, Editura tehnică, 1972.11. Klaus, H., Stein H., Die Korrosion des Eines und ihre Verhütung. Düseldorf, Stahleisen, 1974.

12. Waterhous, R. B., Fretting Corrosion. Oxford, Pergamon Press, 1973.

13. Greenwood, J. D., Heavy Deposition of Cu, Ni and Cr for Engineering Applications. Teddington, Robert DraperLtd., 1970.

14. Friedrich, L., Modern electroplating. London, John Wiley and Sons, 1974.

15. Gîdea, S., Protopopescu, M., Aliaje neferoase. Bucureşti, Editura tehnică, 1965.16. Cruceru, C., Conducte electrice. Îndreptar. Bucureşti, Editura tehnică, 1968.17. Dumitrescu, E., Aluminiul – metal al secolului XX. Bucureşti, Editura ştiinţifică, 1967.18. Vicol, P. ş.a., Construcţia liniilor electrice aeriene şi în cablu. Bucureşti, Editura tehnică, 1962.19. Subbayyan, R., Superconductivity. Coimbatore, P.S.G. College of Technology, 1968.

20. Williams, J.E.C., Superconductivity and Its Aplications. London, Pion, 1970.

21. Hortopan, Gh. Aparate electrice. Bucureşti, Editura didactică şi pedagogică, 1967.

CAPITOLUL 5

MATERIALE SEMICONDUCTOARE

În capitolul introductiv s-a arătat că între metale şi nemetale se găseşte un anumit număr deelemente, cum ar fi carbonul şi siliciul, elemente numite semiconductoare.

Din punct de vedere al benzilor de energie, semiconductorii au deasupra ultimei benzicomplet ocupate cu electroni o bandă de conducţie, separate printr-o bandă interzisă cu lărgimeamai mică de 2 eV.


Semiconductoarele au rezistivitatea cuprinsă între 10-6 şi 108 m, adică între cea aconductorilor şi cea a izolanţilor. Se deosebesc de conductori şi izolanţi şi prin structura benzilor deenergie: nivelurile limită Fermi sunt situate în benzi interzise, dar de lărgimi mult mai reduse decâtcele corespunzătoare izolanţilor. Au coeficientul de temperatură al rezistivităţii negativ în domeniilargi ale temperaturii, proprietate utilizată în numeroase aplicaţii practice. De asemenea, îşimodifică proprietăţile sub acţiunea luminii, temperaturii, câmpului electric şi magnetic, asolicitărilor mecanice etc.

În funcţie de natura conducţiei electrice, semiconductorii se împart în:a) intrinseci care, la temperatura normală, prezintă doar conducţie intrinsecă (Ei 1eV).

Conducţia electrică a unui semiconductor intrinsec se poate realiza prin promovarea unor electronidin banda de valenţă în banda de conducţie (fig. 5.1) în urma căreia, în banda de valenţă rămânniveluri incomplet ocupate şi electronii ei pot contribuila stabilirea curentului electric, alături de electroniicare au ajuns în banda de conducţie (evidentincompletă). Este convenabil ca în banda de valenţăconducţia electrică să fie atribuită convecţiei golurilorpe care le lasă electronii, când se deplasează în cristal,în punctele pe care le părăsesc şi care pot ficonsiderate ca purtători fictivi de sarcină electricăpozitivă (în realitate, golurile nu sunt numai simple“absenţe” de electroni; ele au, de exemplu, masaefectivă diferită de a electronilor). Deci, într-unsemiconductor intrinsec se spune că procesulconducţiei se realizează prin electronii din banda deconducţie şi prin golurile din banda de valenţă;conducţia astfel realizată se numeşte conducţie intrinsecă;

b) extrinseci care, la temperatura normală, prezintă, în afara conducţiei intrinseci şi oconducţie extrinsecă datorată purtătorilor de sarcină de pe nivelurile adiţionale ale benzii interzise,care conţine nivelul limită Fermi. Elementele din grupa IV, ca germaniu şi siliciu, se impurifică cuelemente din grupele III şi V, dând naştere, în banda interzisă, unor niveluri de energiesuplimentare, numite niveluri adiţionale.

Semiconductorii extrinseci pot fi:1. de tip p, ca de exemplu în cazul cristalului pur de germaniu (sau siliciu), care este un

element tetravalent, impurificat cu atomi trivalenţi, de exemplu atomi de bor. În acest caz, unelectron de valenţă al unui atom de germaniu, vecin cu cel de bor, rămâne neparticipant la legăturilechimice din cristal, deoarece atomul de bor are numai trei electroni de valenţă (fig. 5.2(a)).

Fig. 5.1 Tranziţia electronicăspecifică conducţiei intrinseci


Legătura chimică reprezentată prin linie întreruptă în figura 5.2(a) este nesatisfăcută şi,pentru a o satisface, un electron al unei legături vecine se desprinde, la un moment dat, datorităagitaţiei termice, din această legătură şi trece în învelişul electronic al borului, ionizându-l (săgeatalinie-punct); electronul amintit efectuează otranziţie din banda de valenţă a cristalului degermaniu pe un nivel energetic, notat cu a înfigura 5.3(a) şi de energie Ea.Nivelul a, numit nivel acceptor esteneocupat, în stare normală (fundamentală),de electroni şi este situat deasupra benzii devalenţă, tranziţia efectuându-se, deci în urmaabsorbirii, de către electroni, a unei cantităţide energie de agitaţie termică. Intereseazăcazul acelor impurităţi trivalente careformează niveluri acceptoare imediatdeasupra benzii de valenţă, pentru ca tranziţiile să se efectueze şi la temperaturile uzuale. Pentru Geşi Si sunt, astfel, folosite în special elementele trivalente bor, aluminiu, galiu, indiu. Săgeata 1 dinfigura 5.3(a) indică tranziţia unui electron din banda de valenţă pe un nivel acceptor. Tranziţiei 1 îicorespunde tranziţia 1’ a unui gol (cu sarcina electrică +q0) de pe nivelul acceptor în banda devalenţă. Electronul promovat pe nivelul a este însă captat de acesta, deoarece nivelul acceptor estrict localizat în jurul atomului de impuritate (din acest motiv nivelurile a sunt indicate în figurăprin liniuţe întrerupte) şi, din această cauză, nu pot participa la conducţia electrică. În schimb,

golurile produse în banda de valenţă pot stabili curenţi electrici în cristal (de fapt aceştia suntstabiliţi de electronii din banda de valenţă rămasă incompletă, datorită tranziţiilor 1). Se spune că seefectuează o conducţie prin goluri, iar semiconductorii care o prezintă se numesc semiconductori detip ”p” (de la numele ”pozitivă” al sarcinii golului).

2. de tip n, dacă germaniul sau siliciul se dopează cu un element pentavalent (fosfor, arsen,stibiu). În acest caz, unul dintre electronii de valenţă ai atomului de impuritate, situat pe un nivelnotat cu d, de energie Ed (fig. 5.3(b)), nu participă la legăturile chimice şi, prin absorbire de energiede agitaţie termică, poate trece în banda de conducţie a germaniului (sau siliciului), adică poatedeveni electron liber (cvasiliber) al corpului (fig. 5.2(b), respectiv 5.3(b)). Nivelurile d, numiteniveluri donoare, sunt ocupate, în stare normală, de electroni; prezintă importanţă în tehnicăimpurităţile pentavalente care produc niveluri donoare apropiate de banda de conducţie pentru catranziţia Ed Ee să se efectueze şi la temperatura camerei. Conducţia electrică se realizează înacest caz prin electronii promovaţi în banda de conducţie de pe nivelurile donoare, iarsemiconductorii respectivi se numesc semiconductori de tip ”n” (de la numele ”negativă” al sarciniielectronului).

După structura fizico-chimică, materialele semiconductoare se clasifică în: materiale semiconductoare monoatomice: B, C, Si, Ge, Se, Sb, Te etc.;

Fig. 5.2 Impurităţi în reţeaua de germaniu: (a) cuefecte acceptoare; (b) cu efecte donoare

Fig. 5.3 Tranziţii ale electronilor (săgeţi pline) şi alegolurilor (săgeata punctată), corespunzătoare conducţieielectrice extrinseci: (a) de tip p; (b) de tip n

Materiale semiconductoare 51

compuşi intermetalici sau aliaje ale elementelor din grupele III şi V (AIII - BV): GaAs,InSb, InP etc.;

combinaţii chimice semiconductoare binare: oxizi (Cu2O, TeO2 NaO3 etc.), sulfuri(In2S3, GaS etc.), carburi (SiC), nitruri etc.

compuşi semiconductori ternari: CuGaTe2, CuSbS2, AgSbSe2 etc.; materiale organice: ftalocianuri, compuşi vinilici etc.

5.2 DEPENDENŢA PROPRIETĂŢILOR SEMICONDUCTORILOR DE DIVERŞIFACTORI

Obţinerea unor dispozitive semiconductoare cu anumite caracteristici este strâns legată deproprietăţile materialelor din care sunt confecţionate: rezistivitatea (), lărgimea benzii interzise(Ei), energiile de activare ale impurităţilor donoare (Ee) şi acceptoare (Eg), mobilităţile purtătorilorexcedentari , temperatura de topire Tt etc., proprietăţi care pot varia în funcţie de diverşi factori.

5.2.1 Influenţa temperaturiiDeoarece energiile de activare ale impurităţilor donoare şi acceptoare sunt mult mai mici

decât cele corespunzătoare benzilor interzise ale semiconductorilor, în domeniul temperaturilorscăzute prezintă importanţă doar componentele e, si g ale conductivităţii electronilor, respectivgolurilor. Cu creşterea temperaturii T creşte şi numărul electronilor din banda de conducţie şi algolurilor din banda de valenţă (datorită tranziţiilor de pe nivelurile donoare, respectiv acceptoare) şideci conductivitatea totală a semiconductorului (fig. 5.4). La temperatura Ts, toate nivelurileadiţionale sunt ionizate; între Ts şi Ti numărul electronilor de conducţie rămâne aproximativconstant şi conductivitatea prezintă o uşoară scădere datorită intensificării mişcării de agitaţietermică a particulelor din nodurile reţelelor cristaline. Dacă temperatura depăşeşte valoarea Ti seefectuează tranziţii directe din banda de valenţă în banda de conducţie, conductivitatea intrinseca i

constituie o componentă preponderată şi conductivitatea totală prezintă o creştere accentuată.Aşadar, spre deosebire de metale, în cazul temperaturilor uzuale, rezistivitatea semiconductorilorscade pe măsură ce temperatura creşte (fig. 5.5).

Pe baza acestei proprietăţi se realizează termistoarele, termoelementele, straturile termoemisive etc.

5.2.2 Influenţa impurităţilorCreşterea gradului de impurificare voită (dopare) sau accidentală (impurităţi necontrolate)

determină o creştere a conductivităţii semiconductorilor. Astfel, la temperatură normală, germaniul purare rezistivitatea de 0,47 m, dar impurificat cu atomi de Sb în raportul 1:108 prezintă o rezistivitate denumai 0,04 m. Dacă însă, concentraţia impurităţilor depăşeşte o anumita valoare, mobilitateapurtătorilor de sarcină şi deci conductivitatea semiconductorilor prezintă o tendinţă de scădere.

Fig. 5.5 Variaţia rezistivităţii cutemperatura pentru metale (1) şisemiconductori (2)

Fig. 5.4 Variaţia conductivităţiisemiconductorilor () şi a concentraţieivolumice a purtătorilor de sarcină (N)cu temperatura T


Gradul de impurificare al unui semiconductor (concentraţia impurităţilor) se poate determinaprin măsurarea rezistivităţii sale, iar în cazul unei dopări neuniforme prin măsurarea variaţieirezistivităţii în lungul cristalului. În funcţie de natura şi conţinutul impurităţilor se realizează o marevarietate de dispozitive semiconductoare: diode, tranzistoare etc.

5.2.3 Influenţa câmpului electricCu creşterea intensităţii câmpului electric, creşte probabilitatea de tranziţie a electronilor de

pe nivelurile donoare (sau din banda de valenţă) în banda de conducţie. În felul acesta, creşteconcentraţia purtătorilor de sarcină din banda de conducţie şi deci conductivitatea corpului. Evident,în cazul unor câmpuri electrice foarte intense, numărul electronilor din banda de valenţă careefectuează tranziţii în banda de conducţie creşte foarte mult, conducând la o străpungere asemiconductorului. Anumite cristale (sulfuri de zinc) prezintă, sub acţiunea câmpului electric,fenomenul de luminescenţă. În cazul existenţei unei joncţiuni, lărgimea stratului de blocare şi decirezistenţa electrică a acestuia depind atât de intensitatea câmpului electric, cât şi de sensul câmpuluielectric stabilit în corp. Această proprietate este utilizată îndeosebi la fabricarea diodelor redresoare,tranzistoarelor, fotoelementelor etc.

5.2.4 Influenţa câmpului magneticAcţiunea câmpurilor magnetice exterioare se manifestă prin fenomenul de magnetizare,

efectul Hall şi efectul magnetostrictiv.Efectul magnetostrictiv direct constă în modificarea dimensiunilor unui corp sub acţiunea

unui câmp magnetic. Deşi acest efect este mai slabdecât la metale (de exemplu la Ni), semiconductoarelese utilizează ca materiale magnetostrictive datorităvalorilor mari ale rezistivităţii lor.

Efectul Hall constă în apariţia unei tensiunielectrice UH între feţele laterale ale unei plăcisemiconductoare de grosime d, (fig. 5.6) parcursă decurentul I şi situată într-un câmp magnetic de inducţieB, perpendicular pe ea: UH =RHBI/d. Mărimea RH,numită constantă Hall, variază mult mai puţin decât încazul metalelor, motiv pentru care semiconductoarelese utilizează la fabricarea generatoarelor Hall cuaplicaţii în măsurarea câmpului magnetic, a intensităţiicurentului electric, a puterii, în amplificare, în telecomenzi etc.

5.2.5 Influenţa radiaţiilorAcţiunea luminii sau a altor radiaţii se manifestă asupra semiconductoarelor prin efectele:

fotoelectric, fotoconductiv, fotovoltaic şi de luminescenţă. În cazul efectului fotoelectric, energiaradiaţiei este utilizată pentru smulgerea electronilor din materiale, adică pentru obţinereafotocatozilor. Efectul fotoconductiv, adică mărirea conductivităţii materialului sub acţiunearadiaţiilor luminoase stă la baza realizării celulelor fotoconductive sau fotorezistente. Efectulfotovoltaic constă în apariţia, sub acţiunea radiaţiilor, a unei tensiuni electromotoare la joncţiunea p– n dintre două semiconductoare (tensiune datorată purtătorilor de sarcină eliberaţi prin iradiere caretraversează joncţiunea şi se acumulează în cei doi semiconductori: electronii în n şi golurile în p). Elstă la baza realizării celulelor fotovoltaice. Efectul de luminescenţă se utilizează îndeosebi pentruconstruirea dispozitivelor sensibile la radiaţii ultraviolete, Roentgen etc.

5.2.6 Influenţa solicitărilor mecaniceSub acţiunea solicitărilor mecanice se distruge reţeaua cristalină şi deci se modifică

rezistivitatea corpului. Acest fenomen este utilizat în realizarea traductoarelor mecano-electrice:

Fig. 5.6. Evidenţierea efectului Hall: 1,2 – bornemetalice pentru conectarea sursei de curent;3,4 – borne metalice pentru măsurarea tensiuniiHall; 5 – placă semiconductoare

Materiale semiconductoare 53

microfoane cu cărbune, accelerometre etc. De asemenea, se produce un efect magnetostrictivinvers: prin modificarea dimensiunilor semiconductorului se produce o variaţie ca câmpuluimagnetic în care se află acesta. Efectul piezoelectric, însoţit de apariţia unor sarcini electricepozitive şi negative pe feţele opuse ale unei plăci semiconductoare supuse unor solicitări mecanice,este utilizat în fabricarea traductoarelor de presiune, a forţelor, acceleraţiilor, a generatoarelor deultrasunete etc. Este prezent doar în cazul semiconductorilor piezoelectrici.

5.3 GERMANIUL

Germaniul este un element puţin răspândit în scoarţa pământului (0,07%), minereurile cuconţinutul cel mai bogat în germaniu fiind renierita (sulfură de Cu, Fe, As şi Ge), germanitul(Cu6FeGeS) şi argiroditul (4Ag2SGeS2). Face parte din grupa a patra a sistemului periodic alelementelor şi cristalizează în sistemul cubic cu feţe centrate. Se oxidează la 7000C, nu reacţioneazăcu apa şi se dizolvă în acid sulfuric, în amestecuri de acizi, baze etc. Reacţionează cu halogenii,formând compuşi de tipul GeCl4, GeI4 etc. Cu metalele alcaline sau alcalino-pământoase formeazăcompuşi semiconductori.

Proprietăţile germaniului depind de starea de puritate a cristalului, de temperatură etc.Astfel, rezistivitatea intrinsecă este legată de temperatură prin relaţia i = 0,256exp(3890/T) m,iar mobilitatea purtătorilor de sarcină scade cu conţinutul impurităţilor. De asemenea, laintroducerea cristalului de Ge într-un câmp magnetic de inducţie B rezistivitatea sa creşte.

Germaniul se utilizează la fabricarea diodelor semiconductoare, tunel, a tranzistoarelor, atraductoarelor Hall, a detectoarelor de radiaţii, a termometrelor pentru temperaturi joase etc.

5.4 SILICIUL

Siliciul (Si)face parte din grupa a patra a sistemului periodic şi cristalizează, ca şi germaniul,în sistemul cubic cu reţea de tip diamant. Prezintă afinitate mare pentru oxigen şi fluor, este foartereactiv la temperaturi ridicate şi se dizolvă uşor în baze sau în amestecuri de HF+HNO3. Are bandainterzisă mai lată decât germaniul (1,21 eV) şi deci rezistivitatea intrinsecă mai mare decât acesta.

Cu creşterea conţinutului de impurităţi se reduc mobilitatea purtătorilor de sarcină şirezistivitatea. Rezistivitatea intrinsecă scade, de asemenea, cu temperatura.

Si are permitivitatea electrică mai redusă decât germaniul, energii de activare a impurităţilor şitemperatura de utilizare superioare acestuia. Se utilizează la fabricarea circuitelor integrate, a diodelorsemiconductoare, a bateriilor solare, a tiristoarelor, a tranzistoarelor, traducătoarelor Hall etc.

5.5 SELENIUL

Seleniul prezintă o mare varietate de stări alotropice; sticlos, amorf (roşu, cafeniu, negru,coloidal) şi cristalin (monociclic - şi , hexagonal - ). În electrotehnică se utilizează îndeosebiseleniul hexagonal - , obţinut prin încălzirea oricărei forme alotropice la 180…2200C. Este stabil înaer, nu reacţionează cu apa, dar reacţionează cu clorul, fluorul şi oxigenul (la cald). Se topeşte la1700C. Mobilitatea purtătorilor de sarcină creşte cu temperatura şi concentraţia impurităţilor.Conductivitatea electrică a seleniului depinde de starea alotropică şi variază cu temperatura şi cugradul de impurificare. Seleniul se utilizează la fabricarea fotoelementelor, a redresoarelor etc.

5.6 CARBURA DE SILICIU

Carbura de siliciu (SiC) are o structură asemănătoare cu a diamantului, reţeaua cristalinăconţinând însă două specii de atomi: Si şi C. Tipul conducţiei extrinseci rezultă din abaterilestoechiometrice sau din impurificare. Astfel, surplusul de C sau adaosurile de elemente din grupele II(Ca, Mg) şi III (B, Al, Ga, In) creează niveluri adiţionale acceptoare – dând o conducţie de tip p, în timp


ce surplusul de Si sau adaosurile de Fe sau elemente din grupa a V-a (As, P, Sb, Bi) creează niveluridonoare, deci o conducţie de tip n. Este un material refractar, se descompune la 22000C şi reacţioneazăcu oxigenul formând un strat de siliciu protector şi de mare rezistivitate. Se utilizează îndeosebi lafabricarea varistoarelor.

5.7 COMPUŞI SEMICONDUCTORI AII - BVI

Aceste materiale sunt combinaţii ale unor elemente din subgrupele II b şi VI b ale sistemuluiperiodic. Cristalizează în sistemul cubic cu reţea de tip blendă (fig. 5.7) sau în sistemul hexagonalcu reţea de tip würtzită (fig. 5.8). Structura blendei de zinc (ZnS) se deosebeşte de cea a diamantuluidoar prin faptul că prezintă două tipuri de atomi şi nu are un centru de simetrie.

Proprietăţile compuşilor AII - BVI depind de natura chimică a componenţilor şi impurităţilor ,precum şi de intensitatea acţiunii factorilor externi.

Astfel, sub acţiunea radiaţiilor luminoase sau a altor surse de radiaţii, în aceste materiale seproduc fenomene de fluorescenţă sau fosforescenţă. În acest sens, compuşii AII - BVI se dopează cuactivatori (Cu, Ag, Au, Mn) şi coactivatori (Al, Ga, In, F, Cl, Br, I etc.). Calcogenurile (telururile)de mercur prezintă proprietăţi piezorezistive importante. De exemplu, o placă de HgTe, supusă la opresiune de 1,3…1,5GPa, îşi reduce volumul cu 8% şi conductivitatea de 108 ori.

Compuşii AII - BVI disociază la temperaturi ridicate, sunt activi din punct de vedere chimicşi sunt atacaţi de acizi minerali. Se utilizează la fabricarea fotorezistoarelor, a generatoarelor Hall, atraductoarelor de presiune etc.

5.8 COMPUŞI SEMICONDUCTORI AIII - BV

Din această grupă fac parte compuşi ai elementelor din subgrupele III b (B, Al, Ga, In) şi Vb (N, P, As, Sb, Bi) ale sistemului periodic.

Structura cristalografică a compuşilor AIII – BV diferă de la un material la altul. Astfel,fosfurile, arsenurile şi antimoniurile de B, Al, Ga şi In prezintă o reţea de tip blendă (fig. 5.7),nitrurile de Al şi In – o reţea de tip würtzită (fig. 5.8) etc.

Proprietăţile acestor compuşi depind de natura lor chimică şi variază cu concentraţia impurităţilorşi temperatura. Se utilizează la fabricarea diodelor tunel, a tranzistoarelor, în optoelectronică etc.

5.9 BIBLIOGRAFIE

1. Ifrim, A., Notingher, P., Materiale electrotehnice, Ed. didactică şi pedagogică, 1979.2. Ifrim, A., Materiale electrotehnice, vol II, Bucureşti, Imprimeria I.P.B. 1972.3. Notingher, P., Materiale electrotehnice, vol I, Bucureşti, Imprimeria I.P.B. 1977.4. Popescu, Ch., Ifrim, A. s.a., Materiale electrotehnice. Proprietăţi si utilizări. Bucureşti, Editura tehnică, 1976.5. Ifrim, A., Anghel, F., Materiale electrotehnice, vol I, Bucureşti, Imprimeria I.P.B. 1976.6. Cătuneanu, V.M. s.a., Materiale şi componente electronice, Bucureşti, Editura didactică şi pedagogică, 1972.7. Hannay, N.B., Colombo, V. Electronic Materials. New York, Plenum Press, 1972.8. Phipips, A.B., Transistor Engineering. New York, McGraw-Hill, 1972.9. Stere, R., s.a., Tranzistoare cu efect de câmp. Bucureşti, Editura tehnică, 1972.

Fig. 5.7. Structură tip blendă: A – atomi aielementelor din grupa a doua; B – atomi aielementelor din grupa a şasea

Fig. 5.8. Structură tip würtzită: A – atomiai elementelor din grupa a doua; B – atomiai elementelor din grupa a şasea

CAPITOLUL 6

MATERIALE ELECTROIZOLANTE


Din clasa materialelor electroizolante fac parte materialele a căror rezistivitate ρ este maimare de 106 Ωm. Din punct de vedere energetic, deasupra benzii de valenţă au o bandă deconducţie, separate printr-o bandă interzisă, cu lărgimea Ei > 2eV. Se polarizează în câmp electric şide aceea se mai numesc şi dielectrici, fără ca orice dielectric să fie material electroizolant (deexemplu feritele care sunt semiconductoare).

Utilizarea cea mai importantă a materialelor electroizolante fiind în construcţiaschemelor de izolaţie ale instalaţiilor electrice şi, cum comportarea la acţiunea diferitelor solicitărieste elementul hotărâtor pentru mărimea duratei de viaţă a instalaţiei din care fac parte, ele trebuiesă posede o serie de caracteristici, de multe ori antagoniste: proprietăţi dielectrice, mecanice şitermice foarte bune, îmbătrânire lentă şi durată de viaţă mare, prelucrabilitate uşoară şi cost redus.

Fabricarea unor materiale care să îndeplinească toate aceste condiţii, adică realizarea unorizolanţi universali, este practic imposibilă. Se obţin, însă, materiale cu anumite caracteristici prindiferite procedee: modificări chimice ale macromoleculelor de bază (realizarea siliconilor),elaborarea unor materiale compuse (stratificate, scheme de izolaţie pentru maşini mari), utilizareaunor tehnologii speciale (de exemplu obţinerea izolaţiei de crestătură prin procedee electrostatice)etc. Aceste caracteristici depind de natura chimică şi structura fizică a corpurilor şi se modifică maimult sau mai puţin sub acţiunile simple sau combinate ale diferiţilor factori externi.

6.1.1 Formarea şi structura moleculelorFormarea moleculelor (din atomi neutri din punct de vedere electric) se datorează apariţiei

forţelor de interacţiune dintre atomi, forţe de natură electrică şi cuantică. Energia corespunzătoareacestor forţe, în funcţie de distanţa “r” dintre doi atomi, este:

,r

B

r

ArE

n6 (6.1)

A, B şi n fiind constante de material. După cum rezultă şi din figura 6.1, există o valoarea adistanţei dintre atomi rm, pentru care energia E este minimă. Dacă acest minim Em este suficient deadânc, configuraţia formată are o stabilitate deosebită(distanţa dintre atomi fluctuând, datorită agitaţiei termice, înjurul valorii rm), obţinându-se o moleculă.

Moleculele cu structură simetrică (metanul, PE etc.)prezintă şi o distribuţie similară a sarcinilor electrice pozitiveşi negative. În acest caz, suma vectorială a momentelorelectrice (corespunzătoare fiecărei perechi de ioni pozitivi şinegativi) se anulează, şi molecula nu prezintă momentelectric propriu, adică este nepolară (fig. 6.2(a) şi (b)). Dacămoleculele au structură nesimetrică (PVC, apa etc.) eleprezintă moment electric propriu nenul, adică sunt polare(fig. 6.2(c), (d) şi (e)). Moleculele care conţin un număr mai redus de atomi (până la 1000) senumesc micromolecule, iar cele care conţin cel puţin 1000 de atomi se numesc macromolecule.Numărul corpurilor micromoleculare este, în general, mai redus, în această grupă intrând gazele şilichidele, iar dintre solide, cerurile şi asfalturile. Grupa corpurilor macromoleculare este mult maiextinsă, ea cuprinzând peste 500.000 de combinaţii, având ca elemente de bază carbonul şi siliciul.

Fig. 6.1 Variaţia energiei (potenţialului)de interacţiune E cu distanţa dintre atomi r


Corpurile macromoleculare (polimerii) se obţin din micromolecule, care prezintă între diferiţiatomi (de obicei C şi Si) legături duble sau triple (fig. 6.3), numite monomeri. Prin ruperea acestorlegături, micromoleculele se leagă între ele formând lanţuri moleculare, respectiv macromolecule.

Dacă moleculele monomerilor posedă doarlegături duble, se obţin macromolecule liniare, iardacă posedă legături triple rezultă macromoleculeramificate (fig. 6.4). Reţelele moleculare se potobţine şi prin legarea între ele a macromoleculelorliniare care conţin punţi reactive neactivate(nedesfăcute), cu ajutorul unor atomi (cazulvulcanizării cauciucului natural cu sulf) sau radicaliorganici (cazul vulcanizării cauciucului siliconic cuperoxid de benzoil).

Macromoleculele sintetice se obţin prinreacţia de polimerizare, de policondensare şi depoliadiţie. Reacţia de polimerizare constă în legarea,sub acţiunea căldurii, presiunii şi în prezenţa unuicatalizator, a moleculelor monomerului şi formareaunor macromolecule liniare, fără eliminare deproduse secundare de reacţie. Este o reacţie în lanţ,energia necesară iniţierii lanţului (ruperii primelorlegături duble) fiind superioară energiei necesarecontinuării procesului de reacţie.

Reacţia de policondesare constă în legareamoleculelor mici de monomer (de obiceibifuncţionali), sub acţiunea căldurii, presiunii şi catalizatorilor şi obţinerea unor reţele de moleculesau molecule spaţiale. Este o reacţie în trepte (energia necesară grupării a două molecule esteaceeaşi în orice etapă de desfăşurare a reacţiei) şi cu eliminare de produse secundare: H2O, H2 etc.Eliminarea, în procesul de reacţie, a apei conferă policondensatelor porozitate şi higroscopicitatemai mari şi deci, proprietăţi dielectrice mai reduse. Reacţia de poliadiţie este o reacţie în trepte, darfără produse secundare de reacţie.

Indiferent de tipul reacţiei, macromoleculele obţinute au, în general, o formă întortocheată(ghemuită) sau, în anumite cazuri, una liniară alungită. Aceasta se datorează faptului că forţeleintramoleculare de schimb (rezultate prin punerea în comun a electronilor), care se opunschimbărilor formei lanţurilor moleculare, depind de distanţa şi unghiul de valenţă dintre atomi.

Fig. 6.2 Structuri ale moleculelor nepolare(a şi b) şi polare (c, d, e); a – metadan;b – polietilenă; c – clorură de vinil;d – policlorură de vinil; e – apă

Fig. 6.3 Legături între atomii de carbon:a – legătură simplă; b – legătură dublă;c – legătură triplă

Fig. 6.4 Diverse forme de macromelecule:a – liniară; b – ramificată; c – spaţială;d – reţea moleculară

Materiale electroizolante 57

6.1.2 Dependenţa proprietăţilor polimerilor de structura lorProprietăţile corpurilor macromoleculare se pot împărţi în două mari clase, prima

cuprinzând proprietăţi dependente, în mare măsură, de caracteristicile monomerilor, iar ceade-a doua, proprietăţi care depind de anumite particularităţi structurale (defecte de reţea, punţi delegătură etc. ).

6.1.2.1 Proprietăţi mecanice şi termiceAceste două categorii de proprietăţi sunt strâns legate de structura şi forţele de legătură

dintre molecule. Astfel, în cazul polimerilor liniari, deşi lanţurile moleculare nu sunt strict rectiliniişi nici aşezarea lor nu este ordonată, moleculele pot aluneca unele faţă de altele, asigurândmaterialelor o mare plasticitate. Această proprietate este accentuată dacă temperatura creşte, dar îşireia valoarea iniţială după răcire (este reversibilă). Aceste materiale, care sub acţiunea căldurii seînmoaie, se numesc materiale termoplastice.

Pentru anumite valori ale temperaturii, moleculele se pot deplasa liber unele faţă de altele,adică materialele termoplastice se topesc.

Polimerii constituiţi din moleculele spaţiale sau reţele moleculare prezintă rezistenţămecanică mare şi plasticitate redusă (forţele de legătură dintre molecule fiind mai importante decâtîn cazul polimerilor liniari). Cum, de obicei, se obţin din monomeri care conţin legături triple, dacătemperatura de polimerizare nu este prea ridicată, o parte din legăturile duble rămân nedesfăcute,adică polimerul rezultat este foarte plastic. Crescând temperatura, se desfac toate legăturile duble şiapar “punţi“ de legătură între molecule, ceea ce determină o reducere a plasticităţii. Aceastămodificare fiind ireversibilă (“punţile” nu dispar la răcire), aceşti polimeri se numesc termoreactivisau termorigizi.

Trebuie remarcat că răşinile de polimerizare sunt termoplastice, dar că în această grupă intrăşi răşini de policondensare (poliamidele, poliesterii saturaţi etc.) şi de poliadiţie (poliuretanii cumolecule liniare). Uneori materialele termoplastice devin termorigide. Astfel, cauciucul natural estetermoplastic, dar vulcanizat într-o proporţie mai mare de 40% S, devine termorigid (ebonită) saupoliesterii nesaturaţi prin adăugarea de stiren devin termorigizi. Datorită forţelor intermoleculareputernice, materialele termoreactive nu se topesc, însă dacă temperatura depăşeşte o anumităvaloare, macromoleculele se distrug (de exemplu, se desfac legăturile dintre carbon şi hidrogen).

Rezistenţa mecanică şi modulul de elasticitate cresc cu gradul de polimerizare (deci, cugreutatea moleculară), tinzând asimptotic către un maxim. Conductivitatea termică depinde destructura materialelor, cele cu distanţe mici între atomi şi cu structura ordonată (cristalină) avândconductivitate termică mai mare. De aceea, pentru a îmbunătăţi conductivitatea termică la maseleplastice presate se utilizează ca material de umplutură o substanţă anorganică cristalină (nisip decuarţ).

6.1.2.2 Proprietăţi fizico-chimicDensitatea polimerilor este cuprinsă între 0,8 şi 2,5 kg/dm3 şi este mai mare decât densitateamonomerilor constituenţi deoarece, pentru formarea lanţurilor moleculare, moleculele monomeruluise apropie mai mult unele de altele.

Solubilitatea depinde de structura corpului şi de mărimea forţelor intermoleculare. Dacăforţele de legătură au valori mai mici (ca la polimerii termoplastici) micromoleculele solventuluipot pătrunde printre macromoleculele polimerului, solvatându-le. Materialele termorigide, avândforţe de legătură puternice nu permit decât o îndepărtare limitată a macromoleculelor între ele; deci,ele nu se dizolvă în solvenţi, ci cel mult se umflă.

6.1.2.3 Proprietăţi electriceAcestea sunt, în general, mai reduse la materialele termorigide, datorită valorilor mai mari

ale porozităţii. Conductivitatea electrică şi rigiditatea dielectrică depind în mod esenţial destructura corpului. Permitivitatea electrică depinde mai ales de natura chimică a monomerului, iar


factorul de pierderi, legat atât de procesul de conducţie, cât şi de cel de polarizaţie, depinde atât denatura monomerilor, cât şi de structura polimerilor.

6.2 CLASIFICAREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE

Ţinând seama de numărul foarte mare, precum şi de dezvoltarea rapidă a producţiei demateriale electroizolante, cu proprietăţi şi utilizări tot mai diverse, realizarea unei clasificăricomplete care să cuprindă toate elementele caracteristice comportării acestora în exploatare esteextrem de dificilă. Din acest motiv au apărut mai multe tipuri de clasificări, fiecare prezentândavantaje şi dezavantaje.

6.2.1 Clasificarea după stabilitatea termicăÎn funcţie de stabilitatea termică, materialele electroizolante se clasifică în şapte clase de

izolaţie, Y (indice de temperatură, 900C), A (indice de temperatură, 1050C), E (indice detemperatură, 1200C), B (indice de temperatură, 1300C), F (indice de temperatură, 1550C), H (indicede temperatură, 1800C), C (indice de temperatură, mai mare de 1800C), începând cu cauciucurile şiprodusele pe bază de celuloză şi încheind cu materialele anorganice. Această clasificare, care ţineseama doar de comportarea materialelor la acţiunea temperaturii, prezintă serioase rezerve,deoarece materialele electroizolante nu se utilizează numai ca izolanţi termici. Ele fac parte dinsistemele de izolaţie ale maşinilor, transformatoarelor, cablurilor etc., unde contribuţia solicitărilorelectrice, mecanice, ale mediului ambiant etc. asupra îmbătrânirii acestora poate fi, de foarte multeori, mult mai importantă decât cea a temperaturii. De aceea, se propune ca materialele propriu-zisesă fie caracterizate prin indici de performanţă legaţi de comportarea lor la acţiunea temperaturii,câmpului electric, radiaţiilor, solicitărilor mecanice, de starea lor finală etc. obţinându-se astfel ocantitate mai mare de informaţie pentru utilizarea lor finală.

6.2.2 Clasificarea după compoziţia chimicăDupă compoziţia chimică se adoptă o clasificare a materialelor electroizolante în materiale

organice, de trecere (cu proprietăţi situate între cele ale materialelor organice şi cele anorganice) şianorganice. Această clasificare are mai mult un caracter didactic (rareori izolaţiile utilizate au unsingur component) şi se va utiliza în continuare pentru a scoate în evidenţă, îndeosebi în cadrulmaterialelor solide, anumite proprietăţi specifice unor grupe de materiale.

6.2.3 Alte clasificăriPe lângă cele amintite anterior, se mai fac clasificări în funcţie de componenta principală a

materialului finit (mica, răşina sintetică, lacul etc.), de domeniul de utilizare (izolaţie de crestătură,între straturi, materialele de impregnare, de acoperire etc.), după anumite considerente practice,după comportarea la solicitări termice (în termoplastice şi termorigide) etc.

6.3 MATERIALE ELECTROIZOLANTE GAZOASE

În funcţie de natura şi caracteristicile lor, gazele se utilizează ca izolanţi electrici, ca mediide răcire, ca medii de protecţie împotriva coroziunii etc.

6.3.1 AerulCa izolant sau impuritate, aerul se află în toate schemele de izolaţie ale instalaţiilor electrice.

Proprietăţile sale dielectrice sunt satisfăcătoare pentru câmpurile electrice mai puţin intense.Rigiditatea dielectrică a aerului depinde de umiditatea, temperatura şi presiunea la care se

află şi ia valori foarte mari în cazul presiunilor înalte sau foarte reduse. Această proprietate


determină utilizarea lui în construcţia condensatoarelor, întrerupătoarelor de înaltă tensiune (cu vidsau aer comprimat) etc.

6.3.2 HidrogenulDatorită valorilor mari ale conductivităţii termice, căldurii specifice şi coeficientului de

transmisie a căldurii, precum şi a densităţii sale reduse, hidrogenul este utilizat îndeosebi ca mediu derăcire în construcţia de maşini electrice de puteri mari. Deoarece, în contact cu aerul, prezintă pericol deexplozie, se iau măsuri speciale pentru ca aerul să nu pătrundă în interiorul maşinii (prin mărireapresiunii hidrogenului faţă de presiunea mediului ambiant etc.). Deoarece oxigenul nu pătrunde îninteriorul maşinii electrice rezultă o creştere a duratei de viaţă a sistemului de izolaţie.

6.3.3 Gazele electronegativeCombinaţii clorurate şi fluorurate, organice şi anorganice, gazele electronegative prezintă o

mare afinitate pentru electroni şi rigiditate dielectrică superioară faţă de aer. Cum reacţioneazăfoarte uşor cu electronii liberi, dând naştere unor ioni negativi cu masă mare şi deci, cu factor derecombinare redus, gazele electronegative se utilizează mai ales în construcţia întrerupătoarelor, camediu de stingere a arcului electric.

6.3.3.1 Hexafluorura de sulf (SF6)Este un gaz inert, neinflamabil şi stabil chimic până la 1000 C. Este de cinci ori mai greu

decât aerul, are conductivitate termică mai mare, vâscozitatea mai redusă şi căldura specificăapropiată de cea a aerului. Datorită sulfului pe care-l conţine, SF6 atacă materialele active dininstalaţiile electrice (Cu, Al, Fe).

Rigiditatea dielectrică a SF6 este cuprinsă între 6,72 şi 7,04 MV/m şi variază mai puţin cudistanţa d dintre electrozi, decât în cazul aerului. Pentru valori ale lui d mai mari de 25 mmtensiunea de străpungere Ustr este mai mare în curent continuu decât la frecvenţă industrială; încâmp uniform este proporţională cu presiunea, iar în câmp neuniform scade dacă presiuneadepăşeşte 1 atm. Tensiunea de apariţie a efectului Corona este mai mare decât în cazul aerului.Aceasta are importanţă, deoarece sub acţiunea descărcărilor Corona, ca de altfel şi sub acţiuneaarcului electric, hexafluorura de sulf se descompune parţial, apărând produse toxice şi corozive. Seutilizează ca izolant şi mediu de stingere a arcului electric în întrerupătoare de înaltă tensiune, caizolant şi mediu de răcire în transformatoare, în construcţia unor instalaţii speciale (condensatoare şitransformatoare speciale, acceleratoare de particule etc.).

6.3.3.2 PerfluorcarboniiSunt compuşi fluoruraţi ai metanului, etanului şi propanului. Au stabilitate termică mai mare

decât SF6 şi nu atacă materialele active (Cu, Al, Fe). Se utilizează în construcţia aparatelor de înaltătensiune care funcţionează la temperaturi ridicate.

6.3.3.3 Diclordifluormetanul (CCl2F2) - freonulEste neinflamabil, netoxic şi cu rigiditate dielectrică apropiată de a SF6. Atacă cauciucul şi

unele mase plastice. Are temperatura de fierbere scăzută (-280C), motiv pentru care nu se foloseşteîn instalaţii exterioare. Se utilizează la construcţia frigiderelor cu compresiune.

6.3.4 Alte gazeCa izolanţi se mai utilizează şi alte gaze precum: azotul, dioxidul de carbon, amoniacul şi

clorura de metil, argonul, neonul, heliul.AzotulSe utilizează în condensatoare şi transformatoare cu ulei (pentru evitarea oxidării şi pătrunderii

umidităţii în izolaţie), în cablurile cu izolaţie din hârtie impregnată cu ulei, la fabricarea lămpilor cuincandescenţă (în amestec cu argonul) etc.


Dioxidul de carbonAre solubilitatea foarte mare în ulei mineral (de zece ori mai mare decât cea a aerului). Se

utilizează ca preimpregnant pentru transformatoare şi cabluri cu ulei sub presiune, pentru umplereacuvelor transformatoarelor în vederea transportării lor etc.

Amoniacul şi Clorura de metilSunt utilizate pentru construcţia frigiderelor cu absorbţie.Argonul, Neonul, HeliulSunt utilizate în construcţia lămpilor cu incandescenţă sau cu descărcări în gaze.

6.4 MATERIALE ELECTROIZOLANTE LICHIDE

Din această grupă fac parte uleiurile electroizolante naturale (uleiul mineral, de ricin) şisintetice (clorurate, fluorurate, siliconice), precum şi diferite hidrocarburi utilizate ca solvenţi pentrulacurile electroizolante.

6.4.1 Uleiul mineralUleiurile minerale se obţin prin distilarea ţiţeiului, urmată de o rafinare prin tratare cu acid

sulfuric. Din punct de vedere chimic, uleiul mineral este un amestec de hidrocarburi naftenice,aromatice şi parafinice, proprietăţile sale depinzând atât de compoziţia chimică, cât şi de condiţiilede exploatare.

Uleiul de transformatorEste utilizat în transformatoare (ca electroizolant şi mediu de răcire) şi în întrerupătoare de

înaltă tensiune (ca electroizolant şi mediu de stingere a arcului electric).Fiind nepolar are permitivitatea relativă mică (2,2...2,4) şi puţin variabilă cu temperatura şi

frecvenţa.În schimb factorul de pierderi creşte sensibil cu temperatura datorită creşterii conductivităţii

electrice. Creşterea temperaturii determină, de asemenea (prin mărirea vitezei de oxidare şi a vitezeide solubilitate şi emulsionare a apei) şi o variaţie a rigidităţii dielectrice.

La temperaturi ridicate, fierul şi plumbul reacţionează chimic cu uleiul, iar cuprul şi cadmiulconstituie catalizatori ai descompunerii sale.

Uleiul de cablu şi uleiul de condensatorVâscozitatea este apropiată de cea a uleiului de transformator, la cablurile cu ulei sub

presiune şi mult mai mare în cazul cablurilor cu gaz sub presiune sau a celor izolate cu hârtieimpregnată. Uleiul utilizat pentru impregnarea hârtiei trebuie să aibă fluiditate mare la temperaturade impregnare (1300C) şi să aibă şi o vâscozitate mare la temperatura de exploatare (40...500C). Dinacest motiv, el se amestecă cu colofoniul (10%), în cazul impregnării hârtiei sau cu poliizobutilenă,în cazul cablurilor cu gaz sub presiune.

Uleiul de condensator are un grad înalt de rafinare, pierderi dielectrice reduse, rezistivitateridicată (ρv > 1011 Ωm) şi se utilizează în construcţia condensatoarelor de capacităţi mari.

6.4.2 Uleiurile sinteticeTind să înlocuiască pe cele minerale, care deşi au proprietăţi dielectrice foarte bune, prezintă

deficienţe importante în exploatare: inflamabilitate şi pericol de explozie, tendinţă de oxidare,îmbătrânire rapidă etc. După natura chimică, se clasifică în uleiuri clorurate, fluorurate şi siliconice.

Uleiurile clorurateSunt deviaţi ai hidrocarburilor aromatice de tipul benzenului sau difenililor cloruraţi şi au

diferite denumiri comerciale: askareli, sovol, clophen etc. Sunt substanţe polare, neinflamabile, custabilitate chimică mare şi care nu se oxidează. Se descompun sub acţiunea arcului electric,dezvoltând căldură şi gaze neinflamabile, dar toxice şi corozive (HCl). Atacă lacurile pe bază de uleiurivegetale, dar sunt compatibile cu răşinile fenolice, poliuretanice, epoxidice, celulozice etc. Prezintăvâscozitate superioară celei a uleiului mineral, dar absorbţie de apă mai redusă.


Proprietăţile depind în mare măsură de numărul de atomi de clor din molecule. Astfel,creşterea conţinutului de clor, determină nu numai o creştere a temperaturii de congelare de până la+120C şi, deci, a vâscozităţii uleiului ci şi o variaţie importantă a caracteristicilor sale dielectrice,îndeosebi a permitivităţii şi a factorului de pierderi dielectrice.

Factorul de pierderi depinde, de asemenea, de conţinutul substanţelor dizolvate în ulei şide temperatură.

Se utilizează în construcţia transformatoarelor (fiind neinflamabile şi cu Estr mare),condensatoarelor cu hârtie (având εr mare) etc.

Uleiurile fluorurateAu temperatura de fierbere mai scăzută decât cele clorurate, caracteristici dielectrice

superioare şi absorbţie de apă redusă. Nu ard şi nu prezintă pericol de explozie, nu produc gazetoxice şi nu atacă izolanţii cu care vin în contact. Fiind, însă, foarte scumpe se utilizează doar laîntrerupătoare şi transformatoare care funcţionează în condiţii speciale.

Uleiurile siliconiceAu proprietăţi dielectrice asemănătoare uleiului mineral, absorbţie de apă redusă, temperatură

de inflamabilitate ridicată (3500C până la 4750C). Permitivitatea lor creşte cu vâscozitatea şi scade cutemperatura, iar tgδ creşte cu vâscozitatea, temperatura şi frecvenţa.

Se utilizează în construcţia transformatoarelor speciale, pentru ungerea mecanismelor dinmase plastice, a matriţelor pentru turnarea răşinilor sintetice, etc.

6.5 MATERIALE ELECTROIZOLANTE SOLIDE

Din această categorie fac parte materialele organice micromoleculare şi macromoleculare,celuloza şi derivaţii săi, cauciucurile şi elastomerii, siliconii, materialele anorganice, lacurileelectroizolante, compoundurile şi diversele produse pe bază de răşini sintetice.

6.5.1 Materiale organice micromoleculareÎn această categorie intră cerurile şi substanţele ceroase, bitumurile şi asfalturile.

6.5.1.1 Ceruri şi substanţe ceroaseCerurile sunt materiale cristaline cu proprietăţi dielectrice foarte bune şi cu higroscopicitate

mică, dar cu rezistenţă mecanică, temperatură de topire şi conductivitate termică reduse. Deasemenea, au contracţie la răcire mare şi sunt solubile în uleiuri minerale şi clorurate. Cerurilenaturale (ceara de albine, de carnauba, montană) sunt puţin folosite în prezent, datorită proprietăţilorlor mecanice şi termice reduse.

Se utilizează mai des substanţele ceroase, atât cele nepolare (parafina, cerezina, ozocherita),cu proprietăţi dielectrice foarte bune, cât şi cele polare (uleiul de ricin hidrogenat, parafina şinaftalina clorurată), cu caracteristici dielectrice mai slabe şi dependente de temperatură.

Se utilizează la fabricarea maselor de impregnare pentru conductoare, a maselor de umplerea manşoanelor cablurilor şi cutiilor terminale, la impregnarea condensatoarelor etc.

6.5.1.2 Bitumuri şi asfalturiBitumurile sunt amestecuri amorfe de hidrocarburi care conţin, în cantităţi reduse, oxigen şi

sulf. Cele sintetice se obţin prin distilarea produselor petroliere, iar cele naturale, asfalturile, provindin zăcăminte învecinate cu cele de ţiţei. Bitumurile au contracţie mare la răcire, sunt fragile latemperatura camerei, insolubile în apă şi alcooli, dar solubile în hidrocarburi aromatice, uleiuri şibenzină. Temperatura de înmuiere variază între 500C şi 1500C şi creşte cu conţinutul de sulf. Seutilizează la fabricarea lacurilor de impregnare, a compoundurilor, a unor produse pe bază de mică,ca mase de umplere etc.


6.5.2 Materiale organice macromoleculareÎn categoria materialelor organice macromoleculare intră răşinile naturale şi sintetice.

6.5.2.1 Răşini naturaleRăşinile naturale sunt amestecuri complexe de acizi răşinoşi şi hidrocarburi cu proprietăţi

dielectrice foarte bune, dar cu proprietăţi mecanice şi termice reduse.Şellacul se prezintă sub formă de solzi, este solubil în alcooli şi benzen şi are temperatura de

înmuiere foarte redusă (de 50 - 600C). Aceasta poate fi mărită printr-o tratare termică la 1000C timpde 30 de ore. Încălzit la 2000C devine termorigid. Se utilizează ca bază pentru lacuri de lipire,emailare etc.

Colofoniul (sacâzul) se obţine din răşini de conifere. Se dizolvă greu în ulei(la 300 – 3500C), dar este solubil în benzen, acetonă etc. Se utilizează la fabricarea masei galbene(cu ulei de cablu), la umplerea manşoanelor şi cutiilor terminale ale cablurilor etc.

Copalurile sunt răşini fosile care provin din descompunerea arborilor răşinoşi. O specie decopal, chihlimbarul, prezintă valori foarte mari ale durităţii, rezistivităţii de volum şi de suprafaţă.Se utilizează în construcţia aparatelor de măsură de mare precizie (electrometre etc.).

6.5.2.2 Răşini sinteticeDatorită proprietăţilor electrice şi mecanice deosebite, precum şi a prelucrabilităţii lor

uşoare, răşinile sintetice sunt prezente în cele mai diverse aplicaţii industriale. Fiind în număr foartemare şi având caracteristici foarte diferite, ele se clasifică în mai multe moduri:

în funcţie de tipul reacţiei chimice de obţinere, răşinile sintetice se clasifică în răşini depolimerizare, de policondensare şi de poliadiţie;

în funcţie de proprietăţile termomecanice (foarte importante în utilizarea materialelorelectroizolante) avem răşini termoplastice şi termorigide;

în funcţie de caracterul structural al moleculei, există răşini polare şi nepolare. Aceastăclasificare este importantă pentru evidenţierea proprietăţilor dielectrice ale răşinilor. Astfel, răşinilenepolare au valori mici (care variază puţin cu temperatura şi frecvenţa) ale permitivităţii şifactorului de pierderi dielectrice, iar răşinile polare au permitivitatea şi factorul de pierderi cu valorimari şi care se modifică foarte mult cu temperatura şi frecvenţa.

Răşinile de polimerizare sunt substanţe cu macromolecule liniare, deci termoplastice şi cutemperatură de înmuiere redusă (cu excepţia fluoroplastelor). Au absorbţie de apă mică şiproprietăţi dielectrice foarte bune. Se prelucrează uşor, cu sau fără plastifianţi. Din această grupăfac parte: polietilena, polistirenul, policlorura de vinil şi de viniliden, politetrafluoretilena,polivinilalcoolii, polimonoclortrifluoretilena, răşinile acrilice, plivinilacetaţii.

Polietilena (PE) se obţine prin polimerizarea etilenei, la presiune înaltă (1000 - 2000 atm),rezultând un material cu densitate mică sau la presiune normală (1 atm), rezultând un material cudensitate mare. Are molecule simetrice şi liniare, deci, este nepolară şi termoplastă. Polietilena demică densitate are structură amorfă şi proprietăţi mecanice mai reduse. Polietilena de mare densitateare un grad înalt de cristalinitate (85%), care-i conferă duritate mai mare, temperatură de înmuieremai ridicată şi o comportare mai bună la temperaturi scăzute (- 400C). Polietilena are o bunăstabilitate la acizi şi baze, dar este atacată de solvenţi organici. Este nehigroscopică, are proprietăţidielectrice foarte bune (independente de frecvenţă) şi se prelucrează cu uşurinţă. Rezistenţamecanică a PE scade foarte mult cu temperatura.

Utilizările PE sunt dintre cele mai diverse. Astfel, foliile de polietilenă se folosesc la fabricareacondensatoarelor, la izolarea cablurilor submarine, telefonice şi a celor care funcţionează în mediicorosive. Prin extrudare se izolează conducte şi cabluri pentru înaltă frecvenţă, conductori de bobinaj,cabluri de energie etc. Cu polietilenă expandată se izolează cablurile pentru frecvente înalte, cu capacitaţifoarte mici etc. În cazul cablurilor de energie de î.t. apar unele fenomene negative care contribuie laîmbătrânirea rapidă a PE. În aceste cazuri se iau măsuri speciale, constând în adăugarea de antioxidanţi,inhibitori pentru descărcări electrice arborescente etc.


Polistirenul (PS) este un material nepolar cu proprietăţi dielectrice forte bune (v > 1016 Ωm)şi independente de frecvenţă. Prezintă însă temperatură de înmuiere şi rezilienţă scăzută şi esteinflamabil. Se utilizează sub formă de benzi, tuburi, fire, lacuri, piese turnate, expandat etc.,îndeosebi la înaltă frecvenţă.

Policlorura de vinil (PVC) se obţine prin polimerizarea clorurii de vinil, sub formă de PVCtare, fără plastifianţi, sau PVC moale, cu plastifianţi (esteri ai acidului ftalic, fosforic, citric etc.).Fiind material polar, are caracteristici dielectrice mai reduse decât polietilena sau polistirenul şidependente ca şi cele mecanice de conţinutul de plastifiant. Se comportă mai bine decât cauciuculnatural, atât la acţiunea ozonului, cât şi a uleiului mineral. Are, însă, stabilitate termică redusă(700C), iar proprietăţile sale dielectrice variază foarte mult cu frecvenţa şi temperatura. PVC-ul sefoloseşte, în general, la frecvenţe industriale; în curent continuu îmbătrâneşte forte repede, datorităelectrolizei sărurilor din materialele de adaos, iar la frecvenţe înalte prezintă pierderi dielectricemari. Se utilizează la izolarea conductoarelor şi cablurilor de energie (între 1 şi 20 kV), la fabricareaizolaţiilor de crestătură combinate, a benzilor adezive, a unor piese izolatoare (plăci, carcase etc.)pentru aparate de măsură, tuburi pentru instalaţii electrice, pentru acoperirea pieselor de formăcomplicată (sub formă de plastisoli şi organosoli, suspensii de PVC în plastifianţi) etc.

Politetrafluoretilena (PTFE) se obţine prin polimerizarea tetrafluoretilenei şi are o structurăasemănătore cu cea a polietilenei. Este nepolară, are bune proprietăţi dielectrice şi nu arde. Datorităvalorilor mari ale energiei de legătură dintre atomii de C şi F, PTFE are stabilitate termică ridicată(2500C). La 3270C trece în stare amorfă, iar la 4000C se descompune (producând gaze toxice).Având coeficientul de dilataţie liniară mare, la variaţii mai importante ale temperaturii, în PTFE,apar microgoluri în care se pot dezvolta descărcări parţiale. Din acest motiv, PTFE nu se utilizeazăîn câmpuri electrice intense. PTFE se utilizează pentru realizarea unor scheme de izolaţii carefuncţionează în clasa de izolaţie C, în medii umede sau în atmosfere puternic corosive, a unor cutiipentru acumulatoare, carcase pentru bobine, izolaţii pentru conductoare şi cabluri de înaltăfrecvenţă.

Polimonoclortrifluorelitena (PCTFE) este termoplastică, uşor prelucrabilă, cu coeficient dedilataţie liniară mai mic şi caracteristici dielectrice mai reduse decât PTFE. Are aceleaşi utilizări caşi PTFE.

Răşinile acrilice (polietilacrilatul, polimetilmetacrilatul, PMMA etc.). Sunt polimeri aiacidului acrilic şi metacrilic, cu proprietăţi mecanice şi termice asemănătoare polistirenului, dar cucaracteristici dielectrice mai reduse (fiind polare). Sunt rezistente la ozon, lumină şi au stabilitatechimică bună. Se utilizează la fabricarea lacurilor, adezivilor, a carcaselor pentru aparate, acamerelor de stingere, sub formă de “sticle organice” etc.

Răşinile de policondensare, din care fac parte: fenoplastele, aminoplastele, poliamidele,poliimidele, policarbonaţii şi poliesterii. Unele au molecule liniare şi sunt termoplastice (poliamideleetc.), altele au molecule spaţiale, deci sunt termorigide (fenoplastele etc.). Datorită eliminării apei înprocesul de reacţie, răşinile de policondensare au higroscopicitate mai mare şi caracteristici dielectricemai reduse decad răşinile de polimerizare şi dependente de temperatură şi frecvenţă.

Fenoplastele (bachelitele) se obţin din fenol sau crezol şi formaldehidă, în prezenţa unuicatalizator bazic (amoniac, hidroxid de sodiu etc.) sau acid (acid clorhidric, fosforic etc.). Suntrăşini polare, higroscopice, cu caracteristici dielectrice reduse şi cu rezistenţă slabă la acţiuneaarcului electric şi a curenţilor de scurgere pe suprafaţă (se descompun, producând gaze inflamabileşi apă care micşorează rezistivitatea de suprafaţă). Nu întreţin arderea şi pot fi utilizate latemperaturi ridicate. Au numeroase utilizări în industria electrotehnică (la temperaturi joase şifrecvenţe industriale) atât sub formă de lacuri (pentru stratificate, pentru impregnarea înfăşurărilor),cât şi sub forma unor mase de turnare sau presare (pentru fise, prize, carcase, pentru aparatele demăsură şi telefonice, produse de formă complicată cu înglobări de piese metalice etc.).

Aminoplastele (răşini carbamidice, melaminice şi anilinice) se obţin prin policondensareaaldehidei formice cu carabamidă (ureea), melamină sau anilină.


Răşini carbamidice au proprietăţi asemănătoare cu cele ale bachelitelor. Se comportă însă maibine la acţiunea curenţilor de scurgere şi a arcului electric: gazele rezultate având afinitate mare pentruelectroni “sting” arcul electric. Răşinile melaminice prezintă higroscopicitate redusă şi stabilitatetermică superioară fenoplastelor. Răşinile anilinice au proprietăţi dielectrice foarte bune, putând fiutilizate la frecvenţe înalte, dar se prelucrează foarte greu. Aminoplastele sunt termorigide şi au utilizăriasemănătoare fenoplastelor. Se folosesc la realizarea camerelor de stingere pentru întreruptoare, caadezivi, lacuri, lianţi pentru stratificate.

Poliamidele, se obţin din acizi dicarboxilici şi diamine sau din ε-caprolactamă. Au proprietăţimecanice foarte bune, se lipesc uşor şi se aprind greu. Sunt puternic polare, au higroscopicitate mare şicaracteristici dielectrice reduse. Se utilizează pentru confecţionarea diferitelor piese cu rezistenţămecanică mare (roţi dinţate, role, lagăre etc.), sub formă de folii (pentru cabluri, condensatoare, izolaţiide crestătură etc.), de fire şi ţesături (pentru stratificate), hârtii, lacuri etc.

Poliimidele, se obţin din acid piromelitic şi diamină aromatică. Au molecule liniare,stabilitate termică ridicată (1500C), proprietăţi mecanice bune şi se utilizează sub formă de folii şilacuri de emailare.

Poliesterii, în funcţie de numărul de punţi reactive ale monomerilor, poliesterii au moleculeliniare sau spaţiale. Tereftalatul de polietilenă (PET) are molecule liniare, este termoplastic şi cuproprietăţi dielectrice şi termice foarte bune. Foliile de PET (denumite comercial hostafan, mylar etc.)au absorbţie de apă redusă, rezistenţă bună la întindere şi sfâşiere, la acţiunea microorganismelor, auleiurilor şi acizilor etc., dar îmbătrânesc rapid sub acţiunea descărcărilor parţiale. Se utilizează cadielectrici pentru condensatoare, la izolarea conductoarelor, la fabricarea izolaţiilor de crestătură, aproduselor pe bază de mică etc. Poliesterii nesaturaţi se obţin din glicol, acizi nesaturaţi sau saturaţi şi unagent de reticulare, formând aşa-numitele lacuri fără solvenţi. Se utilizează ca lianţi pentru stratificate,ca răşini de turnare şi impregnare, pentru înglobări de micromotoare şi transformatoare etc.

Răşinile de poliadiţie, din care fac parte: răşinile epoxidice şi poliuretanii.Răşinile epoxidice sunt polimeri termorigizi care conţin mai multe grupări epoxi de mare

reactivitate. Deoarece în procesul de reacţie nu se elimină produse secundare, răşinile epoxi nu conţinmicrogoluri sau bule de gaz în care să se dezvolte descărcări parţiale. Au contracţie la răcire mică, seprelucrează uşor şi nu prezintă tensiuni interne. Aderă foarte bine la suprafeţele metalelor, ceramicelor,maselor plastice etc. Sunt neinflamabile, rezistente la acţiunea curenţilor de scurgere, a agenţilor chimicişi au o stabilitate termică bună. Au, în general, proprietăţi mecanice şi dielectrice foarte bune, dardependente de temperatură. Se utilizează ca răşini de turnare (pentru cutii terminale, încapsulări deaparate,camere de stingere, izolatoare de înaltă tensiune etc.), răşini de presare (pentru izolaţii decrestătură, piese fără eforturi interne etc.), răşini de impregnare (pentru stratificate, sisteme de izolaţie lamicromotoare şi maşini mari etc.) şi răşini de lipire la emailarea conductoarelor etc.

Poliuretanii se obţin din izocianaţi şi alcooli polihidroxilici şi pot avea molecule liniare sauspaţiale. Cei cu molecule liniare au proprietăţi asemănătoare cu poliamidele, dar absorbţie de apămai redusă. Cei cu molecule spaţiale au proprietăţi asemănătoare fenoplastelor, cu excepţiahigroscopicităţii, a rezistivităţii şi a rezistentei la curenţi de scurgere pe suprafaţă (care sunt maimari). Se utilizează la izolarea cablurilor, la fabricarea lacurilor de emailare, a elastomerilor,adezivilor, poroplastelor (izolanţi termici şi împotriva oscilaţiilor).

6.5.3 Celuloza şi derivaţii eiCeluloza şi derivaţii ei fac parte din categoria materialelor electroizolante solide cu mare

utilizare în industrie.

6.5.3.1 CelulozaEste o substanţă macromoleculară naturală cu molecula liniară, un hidrat de carbon polimer.

Lanţurile moleculare se grupează în micele (tuburi subţiri) care se aranjează în acelaşi mod,formând fibrile şi apoi fibre celulozice.


Această structură explică porozitatea (40 – 50 %) şi absorbţia de apă foarte mare aproduselor pe bază de celuloză. Proprietăţile dielectrice sunt în general mai reduse decât lamaterialele cu structură compactă şi variază foarte mult cu densitatea, conţinutul de umiditate,temperatura şi frecvenţa câmpului electric. Având molecule polare, permitivitatea şi pierderiledielectrice cu valori mari: 6,7...7r şi 100,005...0,tgδ .

Modificarea, cu timpul, a proprietăţilor celulozei se datorează îndeosebitransformărilor chimice care au loc în structura sa sub acţiunea oxigenului şi căldurii. Astfel,sub acţiunea oxigenului, macromoleculele celulozei depolimerizează, lungimea lor scade şiproprietăţile mecanice se înrăutăţesc. De asemenea, oxigenul favorizează reacţiile chimice alecelulozei cui apa, în urma cărora creşte numărul de grupări polare şi se reduc proprietăţiledielectrice. Acţiunea căldurii, mai puternică în cazul celulozelor cu un grad de polimerizaremai redus sau cu conţinut de impurităţi mare, are ca efecte principale: creşterea acidităţii şi aconţinutului de cupru, scăderea vâscozităţii etc. Pentru reducerea higroscopicităţii şiîmbunătăţirea caracteristicilor dielectrice şi a stabilităţii chimice şi termice, celuloza seimpregnează cu lichide şi mase electroizolante, proprietăţile sale depinzând, în aceste cazuri,de caracteristicile materialului impregnant.

6.5.3.2 Derivaţi ai celulozeiPrin modificarea chimică a moleculelor de celuloză se obţin esteri (acetaţi, nitraţi etc.) sau

eteri (etil şi benzilceluloză) ai celulozei. Produsele obţinute prezintă higroscopicitate mai redusă şiproprietăţi dielectrice şi termice superioare.

Acetaţii de celuloză se obţin prin înlocuirea grupărilor –OH din molecula celulozei cugrupări acetil (–CH3CO). Se utilizează la izolarea cablurilor, ca dielectric pentru condensatoare, lafabricarea lacurilor şi maselor de turnare etc.

Hârtia acetilată se obţine prin esterificarea celulozei cu acid acetic. Are higroscopicitateredusă, caracteristici dielectrice foarte bune şi se utilizează în locul hârtiei obişnuite.

Benzilceluloza se obţine din celuloză şi clorură de benzil. Se înmoaie la 800C, se topeşte la180 - 2200C, este solubilă în hidrocarburi aromatice şi insolubilă în alcooli, benzină etc. Este puţinhigroscopică şi se utilizează ca masă de presare, la fabricarea lacurilor etc.

6.5.3.3 Produse pe bază de celulozăCeluloza este foarte mult utilizată în electrotehnică, mai des sub formă de hârtii, cartoane,

fire şi ţesături. Este ieftină, uşor prelucrabilă, dar higroscopică şi cu proprietăţi variabile în timp.Hârtia de cablu are densitate mică (pentru a se putea impregna), rezistenţă la tracţiune şi

sfâşiere mare, factor de pierderi redus şi rigiditate dielectrică mare. Se utilizează la izolareacablurilor de energie, a conductoarelor de bobinaj etc.

Hârtia Kraft se obţine prin procedeul sulfat (lemnului de conifere i se adaugă sodă caustică,sulfură şi sulfat de sodiu) şi are proprietăţi mecanice, dielectrice şi termice foarte bune.

Hârtia de condensator este mai omogenă, subţire, densă cu rigiditate dielectrică,permitivitate şi rezistivitate electrică mari şi pierderi dielectrice reduse. Se utilizează (impregnată)ca dielectric pentru condensatoare.

Fig. 6.5. Gruparea moleculelor de celuloză[5]


Hârtia japoneză, cu fire lungi şi rezistenţă mecanică mare, se utilizează ca suport pentruprodusele pe baza de mică.

Cartonul electrotehnic (preşpanul) este alcătuit din straturi de hârtie foarte fină, presate în stareumedă. Are proprietăţi mecanice bune, este rezistent la acţiunea uleiului şi se utilizează ca izolaţie decrestătură, la izolarea transformatoarelor etc.

Firele si ţesăturile, se obţin din bumbac, mătase naturală sau artificială şi se utilizează laizolarea conductoarelor, a bobinelor pentru maşini şi aparate electrice, a stratificatelor, a tecilorizolante (tuburi linoxinice) etc.

8.5.4 Cauciucuri şi elastomeriCauciucurile sunt materiale cu elasticitate mare care, sub acţiunea unor forţe mecanice

(exterioare) se deformează, dar îşi recapătă dimensiunile iniţiale odată cu anularea acestor solicitări.În stare tensionată ele prezintă tendinţă de cristalizare.

Elastomerii sunt polimeri cu forţe intermoleculare slabe: se deformează cu uşurinţă, darrevenirea la starea iniţială se face foarte lent. În stare tensionată aceştia nu prezintă tendinţă decristalizare.

6.5.4.1 Cauciucul naturalEste un polimer natural al izoprenului, cu grad de polimerizare cuprins între 2000 şi 4000. Are

proprietăţi dielectrice foarte bune, dar caracteristici termice şi mecanice reduse.Prin vulcanizare, adică prin legarea macromoleculelor între ele cu punţi de sulf şi prin adăugare

de negru de fum se reduce tendinţa de cristalizare şi elasticitatea cauciucului, dar se îmbunătăţesccaracteristicile mecanice şi termice.

Conţinutul de sulf poate varia între 4% (pentru cauciuc moale) şi 45% (pentru ebonită).Cauciucul natural este atacat de oxigen şi ozon; pentru diminuarea acţiunii acestora se introducantioxidanţi, respectiv materiale parafinoase sau bituminoase. Introducerea sulfului, negrului de fum,antioxidanţilor etc. produce însă o înrăutăţire a caracteristicilor dielectrice: permitivitatea şi pierderiledielectrice cresc, iar rigiditatea dielectrică şi rezistivitatea de volum scad. Se utilizează la izolareaconductelor electrice flexibile, a cablurilor pentru instalaţii de interior, a benzilor adezive etc., la tensiunijoase şi în medii care nu conţin ulei mineral, solvenţi oxigenaţi sau halogenaţi etc.

6.5.4.2 Cauciucuri sinteticeAu caracteristici dielectrice mai slabe decât ale cauciucului natural, dar au proprietăţi

termice şi mecanice superioare şi o rezistenţă mai bună la acţiunea solvenţilor, uleiurilor etc.Cauciucurile pe bază de butadienă, se vulcanizează mai greu decât cauciucul natural, au

rezistenţă la rupere şi sfâşiere mai mică, dar prezintă rezistenţă la oxidare, căldură şi durată de viaţăsuperioare (perbunanul şi neoprenul putând fi utilizaţi la 2200C). Se utilizează la confecţionareamantalelor pentru cabluri care lucrează în medii umede, toxice etc. Perbunanul care estesemiconductor, se utilizează la fabricarea curelelor de transmisie care nu trebuie să înmagazinezesarcini electrice.

Cauciucurile din poliacrilaţi sunt rezistente la acţiunea ozonului, oxigenului şi uleiurilor. Sepot utiliza până la 1500C. Au proprietăţi dielectrice reduse, sunt stabile la acţiunea uleiului, apei,ozonului etc. şi se utilizează pentru izolarea cablurilor de alimentare a lămpilor fluorescente, laautovehicule, în instalaţii Roentgen etc.

Cauciucurile siliconice, polisiloxani cu molecule liniare, sunt rezistente la acţiuneaozonului, solvenţilor, a curenţilor de scurgere pe suprafaţă, au conductivitate termică mai ridicată şinu-şi modifică prea mult proprietăţile cu temperatura. Proprietăţile lor dielectrice depind de naturaşi conţinutul materialului de umplutură sau al agentului de vulcanizare, de intensitatea solicitărilormecanice etc. Se utilizează (între -500C şi +1500C) la izolarea conductoarelor, a cablurilor carefuncţionează în condiţii grele.


6.5.4.3 ElastomeriElastomerii se obţin din răşini de polimerizare sau poliadiţie.Polietilena clorosulfonată (Hypanol) este stabilă la acţiunea oxigenului şi ozonului, are

proprietăţi mecanice bune şi se utilizează (între -150 C şi 1500C) la izolarea conductoarelor,cablurilor etc.

Cauciucul butilic se obţine prin copolimerizarea izobutilenei cu izoprenul. Este nepolar, areproprietăţi dielectrice foarte bune, stabilitate termică superioară (1200C) şi rezistenţă mare laacţiunea ozonului şi oxigenului. Amestecat cu fenolformaldehidă se poate utiliza pană la +1750C.

Elastomerii fluoruraţi (policloretilena fluorurată, copolimeri de propilenă fluorurată etc.) seutilizează la temperaturi cuprinse între -500C şi +2000C. Sunt rezistenţi la acţiunea solvenţilor,ozonului şi oxigenului, dar au proprietăţi mecanice slabe.

6.5.5 SiliconiiMaterialele siliconice sunt compuşi organici ai siliciului şi se obţin prin completarea

valenţelor libere ale lanţului siloxanic cu radicali organici (metil, etil, fenil etc.). Prin urmare,proprietăţile lor îmbină caracteristicile electrice foarte bune ale materialelor organice cu stabilitateachimică şi termică mare care caracterizează materiale anorganice. Pot funcţiona la temperaturiridicate (2000C), sunt neinflamabile, nehigroscopice, nu dezvoltă gaze toxice şi aderă la suprafeţemetalice. În funcţie de structura lor moleculară, siliconii se prezintă sub formă de uleiuri sau unsori(molecule scurte), cauciucuri (molecule liniare cu punţi de legătură rare) şi raşini (molecule spaţialesau reţele moleculare).

Răşinile siliconice sunt materiale termorigide, nehigroscopice, greu inflamabile, curezistenţă mare la acţiunea curenţilor de scurgere pe suprafaţă, cu bune proprietăţi dielectrice.

Se utilizează la fabricarea lacurilor de acoperire (pentru ţesături de azbest sau sticlă, produsepe bază de mică etc.), a lacurilor de lipire (pentru stratificate etc.), a lacurilor de impregnare (pentrucondensatoare, stratificate etc.), a lianţilor pentru mase plastice presate cu umplutură anorganică etc.O largă utilizare au răşinile siliconice în realizarea sistemelor de izolaţie ale maşinilor electrice deputeri mari şi tensiuni înalte (având rezistenţă mare la acţiunea descărcărilor parţiale), precum şi acelor cu regim greu de lucru (pentru laminoare, macarale, tracţiune). În aceste cazuri, se utilizeazăbenzi din ţesătură de sticlă, hârtie de mică (sau mică foiţă) şi liant siliconic, cu proprietăţi termo-mecanice foarte bune, dar ale căror proprietăţi electrice variază cu temperatura şi intensitateacâmpului electric. Siliconii se mai utilizează şi ca adaos în compoziţiile de presare (pentru evitarealipirii pieselor de matriţe) ca aditiv pentru cauciucurile sintetice, la fabricarea compoundurilor etc.

6.5.6 Materiale anorganiceAceste materiale joacă un rol determinant în realizarea sistemelor de izolaţie pentru clasele

F, H şi C. Pot fi utilizate la temperaturi de peste 2000C (fără a-şi schimba caracteristicile), nu seoxidează şi nu se carbonizează sub acţiunea arcului electric (nu lasă, deci, urme conductoare). Suntrezistente la acţiunea radiaţiilor şi microorganismelor, iar unele dintre ele au şi higroscopicitateredusă. Au proprietăţi mecanice inferioare materialelor organice, dar sunt mai rezistente ladescărcări parţiale. Rezistivitatea de volum variază între 810 Ωm şi 1510 Ωm, permitivitatea relativăîntre 3,5 şi 20, factorul de pierderi între 410 şi 210 , iar rigiditatea dielectrică între 3 MV/m şi 200MV/m. Având caracteristici mecanice reduse (rezilienţa, rezistenţa la tracţiune etc.), materialeleanorganice se utilizează, de obicei, împreună cu materialele organice.

6.5.6.1 Mica şi produsele pe bază de micăMica este un material cristalin care face parte din grupa silicaţilor de aluminiu. Cele mai

utilizate varietăţi de mică sunt:1. muscovitul, aluminosilicat de potasiu hidratat;2. flogopitul, aluminosilicat de potasiu şi magneziu.


Structura de mică este foarte complexă şi constă din straturi elementare de atomi de siliciu(aflaţi în centrul unor tetraedre din atomi de oxigen) şi aluminiu, legaţi prin atomi de oxigen sauatomi de oxigen şi grupe -OH. Între straturile elementare, legăturile sunt asigurate prin atomi depotasiu şi grupe -OH. Forţele de legătură în lungul straturilor fiind mult mai puternice decât celecorespunzătoare atomilor de potasiu, straturile se desfac cu uşurinţă unele de altele, adică micaclivează. Proprietăţile dielectrice ale micei, foarte bune în cazul direcţiilor perpendiculare pestraturi, scad în lungul planurilor de clivaj, datorită mobilităţii mari a atomilor de potasiu şiradicalilor –OH (ρv = 106...108 Ωm, tgδ = 0,002 etc.). De asemenea, ele se modifică cu temperaturaşi frecvenţa.

Rigiditatea dielectrică depinde îndeosebi de grosimea straturilor şi de conţinutul de defecteale materialului, ajungând până la 700 MV/m; uzual însă nu se depăşeşte 25 MV/m. Mica esteinertă din punct de vedere chimic şi are o mare rezistenţă la acţiunea descărcărilor parţiale. Arestabilitate termică foarte ridicată: mica muscovit pierde apa de cristalizare (se calcinează) abia la500 – 6000C, iar flogopitul la 8000C. Mica flogopit are proprietăţi dielectrice mai reduse decâtmuscovitul (datorită adaosurilor de Fe2O3), ea utilizându-se îndeosebi în instalaţiile carefuncţionează la temperaturi înalte.

Mica sintetică (obţinută din fluorură de potasiu, silice, magnezie şi alumină) are proprietăţidielectrice superioare flogopitului, coeficient de dilataţie liniară apropiat de ce al metalelor şi estestabilă până la 9000C (grupul –OH fiind înlocuit cu atomi de fluor).

Mica naturală se utilizează ca dielectric pentru condensatoare, la realizarea sistemelor de izolaţieale maşinilor şi aparatelor electrice, a rezistoarelor neinductive etc., precum şi la fabricarea unor materialecu proprietăţi termice superioare.

Hârtia de mică, se obţine prin dezintegrarea (termică – calcinare - sau mecanică - cu jeturide apă) deşeurilor de mică în particule foarte fine şi dispunerea lor sub forma unor straturiasemănătoare celor de hârtie celulozică. Este izotropă, mai omogenă decât mica naturală, dar,datorită distrugerii reţelei cristaline, cu proprietăţi dielectrice mai reduse decât aceasta.

Micalexul se obţine din mică muscovit (60%) şi sticlă pe bază de bor-plumb(fuzibilă). Este rezistent la umiditate şi arc electric şi are proprietăţi mecanice şi dielectrice foartebune. Se utilizează la confecţionarea de piese izolante fasonate, izolatori, etc.

Micanitele se obţin din straturi de hârtie de mică sau mică foiţă, lipite cu şellac sau lacurisintetice la presiuni şi temperaturi ridicate. În funcţie de conţinutul de liant L se obţin: micanite de colector (L < 4%); micanite de garnituri (L > 25%); micanite de formare (L = 10...30%); micanite flexibile (L = 50...90%); termomicanite (L anorganic).

Micafoliile se obţin din hârtie de mică sau foiţe de mică lipite cu lianţi pe baza de şellac,poliesteri sau siliconi, pe un suport de hârtie sau ţesătură de sticlă . În acelaşi mod se obţin şimicabenzile, ţesătura aflându-se însă pe ambele părţi ale materialului.

Produsele pe baza de mică se utilizează la fabricarea sistemelor de izolaţie ale maşinilor şiaparatelor electrice, ale maşinilor electrice de puteri mari şi tensiuni înalte etc. În ultimul timp,bobinele maşinilor de tensiuni înalte se izolează numai cu micabenzi, caracteristicile izolaţiilordepinzând de tipul benzii utilizate. De asemenea, se utilizează la izolarea lamelelor de colector şi abobinelor electromagneţilor, la fabricarea conurilor izolante pentru colectoare, a unor piesefasonate, a garniturilor la aparate electrocasnice etc.

6.5.6.2 SticleleSticlele anorganice sunt materiale termoplaste, obţinute din oxizi de siliciu, bor sau

fosfor, la care se adaugă, pentru obţinerea unor proprietăţi speciale, oxizi de calciu, aluminiu,plumb, sodiu, potasiu etc. Structural, ele sunt constituite din cristalite cu o structură cristalinăperfectă, despărţite de regiuni amorfe.


Sticla de cuarţ (pe bază de bioxid de siliciu pur) are structura cristalină. Structuracristalitelor fiind foarte densă, sticla de cuarţ are proprietăţi fizico-chimice şi electrice superioarealtor tipuri de sticle (coeficient de dilataţie liniară redus, conductivitate termică, rezistivitate şirigiditate dielectrică mărite etc.). Introducând în sticla silicat (pe bază de SiO2) oxizi ai metaleloralcaline apar legături noi între tetraedrele de bază ale cristalitelor, care conduc la înrăutăţireaproprietăţilor materialului (reducerea temperaturii de înmuiere, creşterea solubilităţii în apă şiscăderea rezistivităţii superficiale). Adăugându-se însă oxizi ai metalelor alcalino-pământoase (Ca,Ba, etc.) se obţin materiale cu structuri şi proprietăţi dielectrice superioare.

Proprietăţile termice se îmbunătăţesc simţitor prin introducerea, în compoziţia sticlelor, aoxizilor metalici. Proprietăţile mecanice depind de compoziţia chimică şi îndeosebi de tratamenteletermice, sticlele călite având rezistenţă mecanică foarte mare. Sticlele sunt materialenehigroscopice, dure, casante, rezistente la acţiunea solvenţilor (cu excepţia acidului clorhidric) şicu bune proprietăţi dielectrice.

Utilizându-se o varietate foarte mare de oxizi metalici, rezultă sticle cu proprietăţi speciale,folosite în cele mai diverse domenii de activitate. Astfel, sticlele cu conţinut redus de oxizi alcaliniau rezistivitatea de suprafaţă mare şi se utilizează în construcţia izolatoarelor de înaltă tensiune saupentru telecomunicaţii. Din sticle silicat cu oxizi de aluminiu, calciu, bor, natriu se obţin fibre şihârtie de sticlă. Fibrele, ale căror diametre sunt cuprinse între 5 şi 7 μm (pentru a avea o rezistenţămecanică mare), se utilizează la izolarea conductoarelor, fabricarea ţesăturilor de sticlă etc. Subforma unor benzi sau fibre, sticla se utilizează şi ca dielectric pentru condensatoare. De asemenea,se utilizează la fabricarea lămpilor pentru iluminat, a tuburilor pentru descărcări în gaze, etc.

6.5.6.3 Ceramica electrotehnicăDin grupa materialelor ceramice fac parte acele materiale, care în decursul proceselor

tehnologice, sunt supuse unor arderi la temperaturi ridicate. Se obţin din argilă sau steatită, lacare se adăugă fondanţi (feldspat, marmură etc.) şi degresanţi ( 2SiO , MgO etc.). După formare(prin presare), piesele ceramice se usucă, se prelucrează, se ard la 9000C, se glazurează şi apoise ard la 1400 – 15000C. În timpul arderii se produc o serie de transformări în structuramaterialului. Astfel, la 450 – 6000C, caolinitul pierde apa de cristalizare, transformându-se înmetacaolinit care, la 8300C se descompune, separându-se astfel cuarţul (SiO2) şi oxidul dealuminiu (Al2O3). La 11000C se formează cristalele de mulit de forma unor ace dure şi curezistenţă mecanică mare, iar la temperaturi mai mari se topeşte feldspatul, formând fazasticloasă (amorfă) în care sunt dispuse cristalele de mulit şi cuarţ. Structura ceramicelor fiindneomogenă, proprietăţile acestora sunt puternic influenţate de raportul dintre conţinutul fazeicristaline şi a celei sticloase. Astfel, creşterea conţinutului de feldspat, deci a fazei amorfe,determină o reducere a rezistenţei mecanice şi a rezistivităţii electrice şi o mărire a rigidităţiidielectrice. Mărirea conţinutului de argilă (caolin), deci a fazei cristaline, determină o creştere arezistenţei mecanice şi a temperaturii de utilizare. Cu creşterea conţinutului de cuarţ seîmbunătăţesc îndeosebi proprietăţile mecanice.

Ceramicele rezistă foarte bine la acţiunea arcului electric (nu se descompun şi nu lasă urmeconductoare) şi nu prezintă fenomenul de îmbătrânire. Au rezistenţă la tracţiune şi rezilienţă reduse.Se contractă foarte mult la răcire, motiv pentru care în ele nu se pot îngloba direct piese metalice.Coeficientul de dilataţie volumică ia valori în funcţie de compoziţia ceramicii, fiind de două ori maimare la ceramicele cu oxid de aluminiu decât la cele cu oxid de calciu.

Proprietăţile dielectrice ale ceramicelor depind, în mare măsură, de natura şi conţinutul deoxizi, de parametrii procesului de ardere precum şi de temperatura la care funcţionează materialele.De asemenea, se constată variaţii importante ale permitivităţii şi factorului de pierderi dielectrice lacreşterea frecvenţei, îndeosebi pentru unii compuşi ai titanului.

Pătrunderea umidităţii înrăutăţeşte proprietăţile electrice şi mecanice ale ceramicelor. Dinacest motiv, ele se acoperă cu glazuri, materiale nehigroscopice care conţin în plus, faţă de ceramicade bază, boraţi, nitraţi şi carbonaţi alcalini, oxizi metalici etc. Având coeficient de dilataţie liniară


mai redus decât piesele ceramice pe care le acoperă, în interiorul glazurilor se dezvoltă eforturi decompresiune care echilibrează eforturile de întindere la care piesele ceramice sunt supuse înexploatare. În funcţie de domeniul de utilizare, se realizează trei categorii de materiale ceramice: pentruinstalaţii (pe bază de caolin şi steatită); pentru condensatoare (pe bază de steatită şi compuşi aititanului); pentru temperaturi înalte (ceramică poroasă). Ceramica pe bază de steatită normală saucaolin se utilizează îndeosebi la fabricarea izolatorilor de înaltă sau joasă tensiune. Diferitelecategorii de materiale ceramice se utilizează în instalaţiile de încălzire, la fabricarea bobinelor şicondensatoarelor pentru înaltă frecvenţă, la fabricarea condensatoarelor, amplificatoarelordielectrice, dispozitivelor de memorare etc. Ceramicele poroase (obţinute din talc, caolin şi şamotă)au porozitatea cuprinsă între 10 şi 30%, rezistivitatea electrică mare la temperaturi ridicate şi seutilizează în medii cu conţinut redus de umiditate.

6.5.6.4 Alte materiale anorganiceAzbestul face parte din categoria materialelor anorganice. Cel mai utilizat material de azbest

este crizolitul. Are fibre de lungimi variabile (până la zeci de mm), dar flexibile şi la temperaturi mairidicate. La 350 – 4000C îşi pierde apa de cristalizare, la 8000 C devine pulverulent, iar la 15210C setopeşte. Rezistenţa la tracţiune a azbestului este cuprinsă între 30 şi 40 MN/m2, dar scade considerabilcu conţinutul de impurităţi. Este foarte higroscopic, rezistivitatea sa (103...1011 Ωm) variind foartemult cu conţinutul de umiditate şi cu temperatura. Având rigiditatea dielectrică redusă (cca. 3,5MV/m) şi pierderi dielectrice mari, azbestul neimpregnat se utilizează doar la tensiuni joase şifrecvenţe industriale. Se obţin fire (pentru izolarea conductoarelor), ţesături (pentru stratificate), benzişi hârtii (pentru izolarea înfăşurărilor maşinilor electrice ca izolaţie de crestătură etc.).

Azbocimentul, obţinut din fire scurte de azbest şi ciment, are rezistenţă mare la acţiuneaarcului electric şi a curenţilor de scurgere pe suprafaţă şi se utilizează pentru confecţionareacamerelor de stingere, a plăcilor separatoare, a tablourilor de distribuţie etc.

Roci electroizolante, din a căror grupă fac parte marmura, ardezia şi talcul. Au o structurăporoasă, sunt higroscopice, casante şi cu proprietăţi dielectrice reduse. Prezintă rezistenţă redusă laacţiunea acizilor şi la şocuri termice. Au temperatură de utilizare relativ redusă (marmura: 1100C). Seutilizează doar la tensiuni şi frecvenţe joase: pentru confecţionarea unor tablouri de distribuţie, plăci deborne, suporturi pentru întreruptoare sau reostate, la izolarea cablurilor (talcul) etc.

Oxizi metalici, sunt materiale electroizolante obţinute prin sintetizarea oxizilor de Al sau deMg (MgO). Au structura cristalină, proprietăţi mecanice şi electrice foarte bune, conductivitatetermică ridicată şi rezistă la temperaturi înalte (2000-30000C). Se prelucrează însă greu şi suntfoarte scumpe. Se utilizează ca dielectrici pentru condensatoare, la izolarea conductoarelor electrice,la fabricarea bujiilor, a cuptoarelor electrice pentru temperaturi ridicate etc.

Materiale refractare, rezistă la temperaturi foarte înalte, fără a se oxida sau a-şi modificaproprietăţile electrice şi mecanice. Din această grupă fac parte oxizii metalici polivalenţi, carburi,nitruri, boruri, sulfuri etc. Se utilizează la fabricarea micei sintetice, a circuitelor integratemonolitice NMOS (nitrura de siliciu), a varistoarelor (carbura de Si), a cermeţilor (carbura dewolfram, titan, crom), pentru reactorii nucleari (carbura de B) etc.

6.6 BIBLIOGRAFIE

1. Ifrim, A., Notingher, P., Materiale electrotehnice, Ed. didactică şi pedagogică, 1979.2. Aptov, I.S., Homeakov, M.V., Întreţinerea uleiului electroizolant, Bucureşti, Editura tehnică, 1973.3. Moţoiu, I., Moţoiu, M., Răşini sintetice pentru lacuri, vopsele şi cerneluri poligrafice, Bucureşti, Editura tehnică, 1972.4. Popescu, Ch., Ifrim, A. s.a., Materiale electrotehnice. Proprietăţi si utilizări. Bucureşti, Editura tehnică, 1976.5. Popescu, Ch., Lefter, C., Materiale electrotehnice, Bucureşti, Editura didactică şi pedagogică, 1970.6. Silars, R.W., Electrical Insulating Materials and their Applications, London, Institution of Electrical Engineers,

1973.7. Harrop, N.E., Dielectrics, London, Butterworth, 1972.8. Watkins, J., Modern Electronic Materials, London, Butterworth, 1971.

CAPITOLUL 7

MATERIALE MAGNETICE

7.1 PROPRIEŢĂŢI MAGNETICE GENERALE

Istoric, interacţiunea dintre corpurile în stare de magnetizare (magnetizate) este unul din primelefenomene magnetice cunoscute, alături de efectul câmpului magnetic terestru asupra unui corpmagnetizat (ceea ce a dus la construirea busolei).

Starea de magnetizare se poate datora fie efectului câmpului magnetic asupra corpurilor –magnetizarea temporară, fie poate exista independent de acesta – magnetizarea permanentă.

Unele minerale, de exemplu magnetitul, se găsesc în natură magnetizate spontan. O serie demetale (fierul, nichelul, cobaltul etc.), aliaje (oţelurile, aliajele Heussler), unele materiale sinterizate(feritele) au proprietatea de a se magnetiza în câmp magnetic şi de a nu păstra această stare dupădispariţia câmpului magnetic. Corpurile de acest tip se numesc feromagnetice. Orice corp semagnetizează în câmp magnetic, însă mult mai puţin decât corpurile feromagnetice.

7.1.1 Momentul magneticExperienţa arată că starea de magnetizare a unui mic corp magnetizat este complet descrisă de

momentul său magnetic m . Introducând un mic corp magnetizat într-un câmp exterior de inducţie VB ,se constată că asupra sa se exercită o forţă şi un cuplu, un dublu efect ponderomotor (fig. 7.1):

VB)gradm(F ; (7.1)

VBmC . (7.2)

Cuplul C tinde să răsucească micul corp magnetizat, până ce oanumită axă privilegiată a acestuia, pe care o vom numi axă demagnetizare, devine paralelă cu câmpul magnetic exterior.

Oricare din cele două relaţii permite introducerea momentuluimagnetic m , însă, de obicei, se utilizează relaţia pentru cuplu.

Direcţia momentului magnetic este aceeaşi cu direcţia axei demagnetizare şi sensul său coincide cu sensul de pe această axă, care se suprapune cu sensulcâmpului magnetic în vid, la anularea cuplului, în urma rotirii libere a micului corp magnetizat.Mărimea momentului magnetic rezultă din mărimea cuplului maxim Cmax, care se exercită când axade magnetizare şi direcţia câmpului magnetic VB , sunt perpendiculare. În acest caz avem:

B

Cm max . (7.3)

Vom avea o magnetizare temporară – care dispare la scoaterea corpurilor din câmpulmagnetic şi o magnetizare permanentă – care persistă după încetarea efectului câmpului magnetic,rezultând că m are două componente:

tm = moment magnetic temporar; pm = moment magnetic permanent.

7.1.2 MagnetizaţiaPentru descrierea locală a stării de magnetizare a unui corp se introduce mărimea derivată,

magnetizaţia M , definită ca densitatea de volum a momentelor magnetice:

dv

md

v

mlimM

0v

. (7.4)

Se definesc, magnetizaţia temporară respectiv magnetizaţia permanentă:

C

m

Fig. 7.1 Evidenţierea apariţieicuplului

vB


dv

mdM

tt ,

dv

mdM

pp , (7.5)

care satisfac relaţia:pt MMM . (7.6)

Momentul magnetic total al unui corp se poate scrie:

v v

dvMmdm . (7.7)

7.1.3 Legea magnetizaţiei temporare şi legea legăturii dintre inducţie, intensitate şimagnetizaţie

Legea magnetizaţiei temporare stabileşte dependenţa între magnetizaţia temporară şiintensitatea câmpului magnetic:

)H(MM tt . (7.8)Forma acestei relaţii depinde de tipul de material.Relaţia de legătură între valorile instantanee ale inducţiei magnetice, intensităţii câmpului

magnetic şi magnetizaţie este:)MH(B 0 , (7.9)

valabilă într-un regim oarecare.Constanta universală 0 - permeabilitatea magnetică a vidului – este în sistemul

internaţional: 0 = 4π·10-7 H/m.

7.1.4 Moment magnetic propriu (spontan) al atomilorMomentul magnetic propriu ( pm ) al atomului rezultă din însumarea, după reguli cuantice, a

momentelor magnetice ale componentelor.Electronii în mişcarea lor orbitală, precum şi în mişcarea de spin posedă atât momente

cinetice cât şi magnetice.De asemenea, nucleul datorită mişcării sale de spin, va avea un moment cinetic şi unul

magnetic.Pentru electron, momentul magnetic orbital şi momentul magnetic de spin vor avea

expresiile (7.10) respectiv (7.11):

Lm2

e

0

; (7.10)

Sm2

e2

0S . (7.11)

După o direcţie oarecare Oz valorile cuantificate ale celor două momente vor fi:

mm2

e

0z ; (7.12)

S0

Sz mm2

e2 . (7.13)

Cum:2

1mS şi

0B m2

e , rezultă:

Bz m ; BSz , (7.14)

în care: B = magnetonul lui Bohr,

2

h , iar Js10626,6h 34 reprezintă constanta lui Planck .

Materiale magnetice 73

Atât momentele magnetice orbitale cât şi cele de spin se compensează pentru atomii care austraturile electronice complet ocupate.

Din punct de vedere tehnic interesează numai atomii a căror configuraţie electronică conţinestraturi incomplet ocupate. Astfel de elemente sunt cele de tranziţie, la care din motive energeticeîncepe să se ocupe un strat mai îndepărtat de nucleu, înainte ca stratul anterior să fie completat.Rezultă, în configuraţia atomului respectiv, un număr de electroni necompensaţi în stratulnecompletat. Deci, numărul electronilor cu spin pozitiv este diferit de numărul electronilor cu spinnegativ. Momentele magnetice ale acestor electroni necompensaţi sunt aproape exclusiv la origineamomentului magnetic al atomului respectiv şi prin urmare la originea proprietăţilor magnetice alematerialelor.

Atomii şi ionii elementelor de tranziţie din grupa fierului sunt de cel mai mare interes dinacest punct de vedere. În ceea ce priveşte momentele magnetice orbitale ale acestor atomi,contribuţia lor la proprietăţile magnetice este neglijabilă. Aceasta din cauză că la metalele din grupafierului, stratul incomplet ocupat se găseşte aproape de exteriorul atomilor şi din această cauzăinteracţiunea atomilor din reţea este puternică şi momentele lor magnetice nu se pot orienta, practic,într-un câmp exterior.

Pentru elementele din grupa pământurilor rare (lantanidele), care prezintă şi ele straturinecompletate, care se găsesc însă mai profund în interiorul atomului, momentele magnetice orbitaleproprii contribuie la susceptivitatea magnetică (gadolinul).

Momentele magnetice nucleare asociate cu spinul nuclear, care este de acelaşi ordin demărime cu al electronilor, sunt de ordinul a B

310 ( electron3

nucleu m10m ).Având în vedere valoarea foarte redusă a momentului magnetic nuclear faţă de cea a

electronului, contribuţia sa la proprietăţile magnetice ale materialelor se poate considera neglijabilă.În concluzie, ca un atom să posede un moment magnetic propriu, condiţia necesară este

existenţa de electroni necompensaţi în configuraţia sa electronică.

7.1.5 Molecule magnetic polareMoleculele, atomii sau ionii care prezintă momente magnetice spontane (proprii), adică

momente nenule ( 0m p ), chiar şi în absenţa câmpului magnetic exterior, se numesc (magnetic)polare; celelalte, se numesc (magnetic) nepolare.

7.1.6 Câmpul magnetic activ (interior)Câmpul magnetic care acţionează asupra unei molecule (atom, ion) nu coincide cu cel

macroscopic.El se defineşte astfel:

MHH 0 , (7.15)

în care este constanta lui Weiss.

În cazul corpurilor diamagnetice şi paramagnetice se poate considera ≈ 0, adică HH0 deoarece 1m şi deci HM .

În corpurile fero, feri şi antiferomagnetice se obţin însă pentru valori mari ( 43 1010 ).

7.1.7 Materiale magnetice liniare şi izotropeÎn această categorie sunt incluse materialele (idealizate) pentru care legea magnetizaţiei

temporare (7.8) este de forma:

HM mt , (7.16)în care:

m = susceptivitatea magnetică, constantă scalară adimensională, caracteristică materialului dat.


În acest caz relaţia (7.16) este valabilă în regim static sau la variaţii suficient de lente alecâmpului magnetic. La variaţii rapide apare un postefect magnetic, iar la un câmp magnetic sinusoidal:

tsinH)t(H 0 , (7.17)corespunde o magnetizaţie temporară sinusoidală

)](tsin[H)()t(M 0mt , (7.18)defazată în urmă, pentru care susceptivitatea magnetică şi defazajul depind de frecvenţă. Ca urmare,relaţia de dependenţă (7.16) se transformă din ecuaţia unei drepte în ecuaţia unei elipse.

Introducând expresia legii magnetizaţiei temporare în legea legăturii între B , H şi M se obţine:

p0t000 M)H(MH)MH(B . (7.19)Pentru materialele magnetice liniare, rezultă succesiv:

p0m0 MH)1(B ; (7.20)

p0r0 MHB ; (7.21)

p0 MHB , (7.22)unde:

mr 1 , (7.23)este permeabilitatea relativă a materialului, iar

r0 , (7.24)este permeabilitatea absolută a acestuia.

Pentru corpurile fără magnetizaţie permanentă, relaţia (7.22) devine:

HB , (7.25)forma uzuală pentru materialele liniare.

7.1.8 Anizotropia de magnetizareExperienţa arată că, într-un monocristal, momentele pm ale atomilor ocupă direcţii

preferenţiale, iar magnetizarea monocristalului se face relativ uşor, cu consum mic de energie, dacăintensitatea câmpului magnetic este orientată după una dintre aceste direcţii, numite din aceastăcauză, direcţii de magnetizare uşoară. În cazul fierului, cristalizat în sistemul cubic cu volumcentrat, direcţiile de uşoară magnetizare sunt paralele cu muchiile cubului elementar [100], notatecu m.u. În figura 7.2, direcţiile de grea magnetizare (m.g. în fig. 7.2) sunt paralele cu diagonaleleprincipale ale cubului [111], iar direcţiile paralele cu diagonalele feţelor cubului, [110], sunt demedie dificultate (m.m. în fig. 7.2); în cazul nichelului, care cristalizează în sistemul cubic cu feţecentrate, direcţiile m.u., m.m. şi m.g. sunt paralele respectiv cu [111], [110] şi [100]; în cazulcobaltului, cristalizat în sistemul hexagonal compact, direcţiile paralele cu axa prismei hexagonalesunt de uşoară magnetizare, iar cele perpendiculare pe axă sunt de grea magnetizare[1]. În figura 7.2sunt reprezentate şi curbele de magnetizare M = M(H) ale celor trei corpuri feromagnetice.

Fig. 7.2 Direcţiile de magnetizare uşoară (m.u), medie (m.m.) şi grea(m.g.) pentru sistemele de cristalizare c.v.c., şi c.f.c şi hexagon compact


Explicarea anizotropiei de magnetizare rezidă din interacţiunea mediată dintre spiniielectronilor prin intermediul orbitelor, în sensul că momentul magnetic de spin al electronului unuiatom interacţionează, în primul rând, cu momentul său magnetic orbital (interacţiune spin-orbită),ultimul interacţionează cu momentul orbital al electronului din atomul vecin (interacţiune orbită-orbită) şi apoi, prin interacţiunea spin-orbită proprie acestui al doilea electron, se realizează mediatinteracţiunea dintre cei doi electroni; dar, la realizarea legăturii chimice (metalice) dintre atomi,orbitalii acestora ocupă anumite poziţii preferenţiale, care determină tipul reţelei cristaline. Prinurmare, momentele magnetice orbitale şi consecutiv cele de spin au anumite direcţii după care seorientează, cu precădere, acelea pentru care energia liberă a cristalului este minimă.Dacă considerăm cazul, mai simplu, al unui monocristal de cobalt, (fig. 7.2(c)), care prezintă osingură direcţie de magnetizare uşoară, aceea a axei [0001], energia necesară orientării momentelorspontane pm , din unitatea de volum, sub un unghi faţă de direcţia de magnetizare uşoară senumeşte energie de anizotropie Waz.

Waz este totdeauna pozitivă şi deci Waz ≠ 0 conduce la creşterea energiei materialului, deci laîndepărtarea sa de la starea optimă de echilibru termodinamic.

La producerea tablelor (tolelor) de fier numite texturate, prin tehnologii adecvate seorientează cristalitele în aşa fel încât cuburile elementare să aibă muchii paralele cu direcţia delaminare a tablei, fie ca în figura 7.3(a), când se spune că se obţine o „structură Goss”, fie ca înfigura 7.3(b), în care structura se numeşte „în cuburi”. Prima prezintă direcţii de uşoară magnetizare(m.u.) paralele cu direcţia laminării, iar a doua paralele şi normale (ca în fig. 7.3(b)) la direcţialaminării. Dacă H este orientată după aceste direcţii, tola se magnetizează cu

uşurinţă, cu consum mic de energie, iar pierderile din tole, prin încălzire, au valori mici.

7.2 MATERIALE MAGNETICE LINIARE

După comportarea în câmp magnetic, materialele magnetice liniare se împart îndiamagnetice şi paramagnetice. Clasificarea a fost făcută prima dată de Faraday.

7.2.1 Materiale diamagneticeDiamagnetismul se datorează momentului magnetic orbital al electronilor legaţi (în atomi,

ioni, molecule). Din această cauză, diamagnetismul este prezent în toate corpurile, inclusiv în celecu atomi (ioni, molecule) magnetic polari.În teoria microscopică clasică, diamagnetismul seinterpretează ca datorându-se momentului magnetic indus atomilor într-un câmp magnetic exterior,ca urmare a modificării mişcării electronilor orbitali.

În lipsa câmpului magnetic, atomii materialelor diamagnetice au un moment magnetic nul.Valoarea negativă a susceptivităţii poate fi înţeleasă ca efectul regulii lui Lenz, care cere camodificarea curenţilor (orbitali) să tindă să se opună câmpului magnetic inductor (exterior).

Materialele diamagnetice au susceptivitatea magnetică md foarte mică (de ordinul 10-5),negativă şi practic independentă de temperatură. Din această categorie fac parte unele metale (Au,Ag, Bi, Cu, Pb etc.), apa, alcoolul, hidrogenul, toţi metaloizii (cu excepţia oxigenului) etc.

Introduse într-un câmp magnetic, substanţele diamagnetice sunt împinse spre zonele de câmpmai slab, permeabilitatea lor relativă fiind mai mică decât unu.

Fig. 7.3 Referitoare la formarea domeniilor magnetice: (a) structurăGoss (textură simplă); (b) structură cubică (textură dublă)[1]

(a) (b)


7.2.2 Materiale paramagneticeMaterialele paramagnetice au atomii (ionii, moleculele) polari, cu momente spontane

(permanente) pm . În absenţa câmpurilor magnetice exterioare, momentele magnetice pm suntorientate haotic, datorită agitaţiei termice şi deci corpul este nemagnetizat. Câmpurile magneticeexterioare orientează atomii astfel încât momentele pm să aibă orientarea locală a câmpului şi, înacest caz, corpul se magnetizează. Acţiunii de ordonare a câmpului magnetic i se opune aceea dedezordonare a agitaţiei termice, care este cu atât mai pronunţată cu cât temperatura ester mai înaltă;deci, magnetizaţia de tipul paramagnetic scade cu temperatura. În multe metale electronii cuasiliberiprezintă o orientare a spinilor preponderent în sensul liniilor câmpului magnetic, căreia îicorespunde un efect paramagnetic practic independent de temperatură.

Materialele paramagnetice au susceptivitatea magnetică pozitivă şi invers proporţională cutemperatura (formula lui Curie):

0T

Cmp , (7.26)

în care C este constanta lui Curie, iar T este temperatura absolută.În figura 7.4 sunt reprezentate variaţiile cu temperatura ale mărimilor mp şi 1/ mp . Variaţia

liniară a lui 1/ mp cu T este caracteristică pentrucomportarea paramagnetică a materialelor.

Calculele şi experimentele au arătat căsusceptivitatea paramagnetică are valoarea

mp ≈ 10-3 10-4 şi că este pozitivă. Introduse în câmpmagnetic, substanţele paramagnetice sunt atrase înregiunile cu câmp mai intens, deoarece, aupermeabilitatea magnetică relativă mai mare ca unu.

Materialele paramagnetice sunt unele metale(Al, Cr, Mn, K, Na, Sn etc.), aerul, oxigenul etc., pentru care atomii au un moment magneticspontan diferit de zero.

În general, orice substanţă paramagnetică se manifestă şi diamagnetic, însă acest efect fiindmult mai mic este mascat de primul.

Atât materialele diamagnetice, cât şi cele paramagnetice au permeabilitatea relativăapropiată de unitate, astfel încât sunt uneori denumite materiale nemagnetice.

7.3 MATERIALE MAGNETICE NELINIARE

Din această categorie fac parte materialele feromagnetice, ferimagnetice şi antiferomagnetice.

7.3.1 Materiale feromagneticeAu o magnetizaţie ridicată care depinde de câmpul magnetic după o curbă de histerezis. La

magnetizarea iniţială a materialului, punctul reprezentativ alstării de magnetizaţie (fig. 7.5) evoluează de-a lungul curbeide primă magnetizare OMs. După ce atinge valoarea desaturaţie Ms, magnetizaţia nu mai creşte, indiferent devaloarea câmpului magnetic. La scăderea câmpului magnetic,revenirea se face după curba MsMr, astfel încât la anulareacâmpului magnetic materialul rămâne magnetizat cu omagnetizaţie remanentă Mr. Pentru anularea magnetizaţieitrebuie aplicat un câmp magnetic de semn contrar şi devaloare Hc, câmpul magnetic coercitiv. Materialeleferomagnetice moi (de exemplu fierul) sunt cele cu Fig. 7.5 Curba de magnetizare

Fig. 7.4 Variaţia cu temperaturasusceptivităţii paramagnetice


magnetizaţia remanentă şi câmpul coercitiv mici. Ele sunt utilizate la construirea circuitelormagnetice lipsite de câmp remanent. Materialele feromagnetice dure (de exemplu oţelurile cumangan) au magnetizaţia remanentă şi câmpul coercitiv mari, fiind utile pentru construireamagneţilor permanenţi.

Explicarea teoretică a feromagnetismului se bazează pe preexistenţa unor regiunimagnetizate spontan în masa materialului feromagnetic, aşa-numitele domenii Weiss, în caremomentele magnetice de spin ale electronilor sunt homoparalele. Ele sunt fiecare, la T = 0,magnetizate la saturaţie.

În figura 7.6 este reprezentată schematic repartizarea domeniilor Weiss într-un microcristalde material feromagnetic. Împărţirea se realizează în aşafel încât energia liberă a cristalului să fie minimă. În lipsaunui câmp magnetic exterior (fig. 7.6(a)), domeniileWeiss au magnetizări de sens contrar, cu ponderi egale şimaterialul este nemagnetizat.

Când materialul este introdus într-un câmpmagnetic (fig. 7.6(b)), se produce o deplasare a pereţilorBloch, care separă domeniile Weiss, astfel încât săcrească domeniul având orientarea magnetizaţiei însensul câmpului magnetic exterior H , în detrimentuldomeniului magnetizat în sens invers. Ca urmare, apare o magnetizaţie rezultantă M , în sensul luiH . În continuare se explică detaliat deplasarea pereţilor Bloch şi magnetizarea feromagneticilor.

7.3.1.1 Deplasarea pereţilor Bloch. Magnetizarea feromagneticilorÎn figura 7.7(b) este reprezentată deplasarea pereţilor Bloch. Dacă la 0H = 0, domeniile d1 şi

d2 aveau volume egale (fig. 7.7(a)) şi deci corpul era nemagnetizat, la 0H ≠ 0 domeniul d1 semăreşte în detrimentul domeniului d2 (fig. 7.7(b)) şi corpul se magnetizează. Deci, magnetizareacorpului se datorează deplasării pereţilor Bloch.

În corpurile reale, cristalele prezintă defecte ale reţelei. Pentru procesele care au loc încorpurile feromagnetice prezintă importanţă, în primul rând, existenţa impurităţilor precum şidefectelor care constau în schimbări ale planelor şi liniilorreticulare-consecutive, tensiunilor mecanice produse deprelucrările mecanice (laminare etc.) şi termice, iar în aldoilea rând de efectele de magnetostricţiune (prezente înorice corp magnetizat) etc. Aceste defecte determinăvariaţii de-a lungul cristalului ale energiei necesare rotirii(înspre sensul câmpului magnetic exterior) momentelorspontane atomice, adică variaţii ale energiei de magnetizarelocale; prin urmare, energia care trebuie cedată pereteluiBloch, pentru a se deplasa, variază aleatoriu, ca în figura7.7(c), de-a lungul corpului (în fig. 7.7(c) este reprezentatăvariaţia sa de-a lungul unei axe Ox arbitrare).

Din figura 7.7(c) se poate deduce că, la stabilireacâmpului magnetic, peretele Bloch se deplasează dindreptul unui minim al energiei, notat cu p, corespunzătorechilibrului termodinamic din starea cu 0H = 0, în punctevecine, trebuind, eventual, să fie escaladaţi „munţi” deenergie potenţială ca acela notat cu q, pentru a se ajunge în

altă „vale”, r; escaladarea „muntelui” q presupune realizarea unei valori relativ mari a mărimii 0H ,deci o magnetizare mai grea. Procesul fiind aleatoriu, astfel de escaladări se realizează la fiecare

Fig. 7.6 Repartizarea domeniilor Weiss:(a) în lipsa câmpului magnetic exterior;(b) în prezenţa câmpului magnetic exterior

Fig 7.7 Referitoare la deplasareapereţilor Bloch


magnetizare cu o mare valoare a probabilităţii. La anularea câmpului magnetic 0H , peretele tinde sărevină în poziţia iniţială de echilibru stabil (la 0H = 0), în punctul corespunzător “văii” p; pentru

aceasta, trebuie escaladat din nou “muntele” q, tranziţie în general imposibilă la 0H 0 şi latemperaturi uzuale, deoarece peretele nu are suficientă energie pentru a trece din r în p (eventual,dacă ar fi ajuns în s, el s-ar fi putut înapoia spontan până în r); rezultă că la anularea câmpuluimagnetic, peretele nu revine, în general, în poziţia iniţială (dacă deplasările nu sunt extrem de mici)şi că domeniile magnetice nu revin la formele iniţiale; deci rezultă că materialul nu sedemagnetizează complet la anularea lui 0H , el prezentând magnetizaţia remanentă. La variaţiifoarte mici ale lui 0H , când de exemplu 0H creşte de la zero la o valoare care determină deplasareaperetelui Bloch în imediata vecinătate a punctului de echilibru, din p în q’ de pildă, procesul poate fitotuşi reversibil. Cu cât defectele reţelei cristaline sunt mai numeroase (procent mare de impurităţi,tensiuni mecanice importante etc.) cu atât mai greu se realizează atât magnetizarea cât şidemagnetizarea materialului. Materialele magnetic dure se pot deci obţine creând astfel de“defecte”. Figura 7.7(c) explică, în mare parte, faptul menţionat mai sus: datorită defectelor reţeleicristaline, forma, mărimea şi orientarea domeniilor Weiss prezintă marediversitate; într-adevăr, ele sunt determinate de poziţiile pereţilor Bloch,care însă corespund, la echilibru, “văilor” de tip p, repartizateîntâmplător în corp.

Pe baza celor prezentate mai sus se poate da o explicaţie intuitivăa efectului Barkhausen, constând în prezenţa unor trepte foarte mici[1] pecurba de magnetizare M = M(H), ca în figura 7.8: datorită curbeineregulate din figura 7.7(c), care obligă peretele Bloch să escaladeze,aleatoriu, munţi de potenţial, energia necesară magnetizării suferă variaţii corespunzătoare,reflectate în curba M = M(H), respectiv B = B(H).

7.3.1.2 Forma curbei de magnetizare şi a ciclului de histerezis magneticReprezentăm, în figura 7.9, formele tipice ale curbei de primă magnetizare OABCD şi părţi

ale ciclului de histerezis magnetic. În cele ce urmează ne referim la un monocristal, rezultateleputând fi uşor generalizate pentru corpurile policristaline(ale căror proprietăţi pot fi obţinute, aproximativ, prinmediere din cele ale monocristalelor).

Dacă materialul este iniţial complet demagnetizat,la stabilirea unui câmp magnetic H şi la creşterea sacontinuă, se parcurge ramura OABCD, curba de primămagnetizare a corpului. În câmpurile magnetice foarteslabe, corespunzătoare porţiunii OA, se produc deplasărireversibile ale pereţilor Bloch, descrise în paragrafulanterior, ca acelea realizate pe distanţa dintre p şi q’ dinfigura 7.7(c). Porţiunii AB îi corespund deplasăriireversibile ale pereţilor Bloch, ca acelea dintre q’ şi r saus, care presupun escaladări de “munţi” de energiepotenţială şi, deci, la scăderea câmpului magnetic,nereveniri (totale) la poziţiile iniţiale ale pereţilor Bloch (este parcursă, în acest ultim proces, curbapunctată BB’ care face parte dintr-un ciclu de histerezis cuprins în cel limită desenat cu linie plină).Deplasarea pereţilor Bloch conduce la mărirea domeniilor ale căror magnetizaţii formeazăunghiurile cele mai mici cu H , în detrimentul celorlalte, aşa cum se arată în schemele standardpentru configuraţia domeniilor magnetice din figura 7.10: în figura 7.10(b) câmpul H favorizeazădomeniul 1. La parcurgerea porţiunii OAB, când se deplasează deci pereţi Bloch, momentele pmdin domeniile defavorizate (2, 3 şi 4) se rotesc, părăsind direcţiile de magnetizare uşoară din fiecare

Fig. 7.8 Efectul Barkhausen[1]

Fig 7.9 Explicarea formei curbei demagnetizare prin deplasarea pereţilor Bloch[1]


domeniu, pentru a se orienta după o altă direcţie, de asemenea de magnetizare uşoară (cea din 1;observăm că ne referim la un monocristal în care direcţiile de magnetizare uşoară sau grea nuvariază de la un punct la altul, deoarece planele şi liniile reticulare sunt constant orientate; amintimcă domeniile lui Weiss nu coincid cu cristalitele); deoarece tranziţiile se efectuează între direcţii demagnetizare uşoară, porţiunii OAB îi corespunde o absorbţie relativ mică de energie (demagnetizare) şi magnetizaţia creşte repede cu H . În punctul B, monocristalul se găseşte în stareaindicată în figura 7.10(c) în care întregul cristala devenit un (singur) domeniu Weiss, iar M(linia punctată) este orientat după direcţia deuşoară magnetizare 1.

La parcurgerea porţiunii BC, momentelespontane pm se orientează în direcţia câmpuluimagnetic H , deci după o direcţie de magnetizaremai grea; procesul acesta se realizează cu oabsorbţie mărită de energie şi ca urmare, M

creşte mai încet cu H . În punctul C, toate momentele pm homoparalele din domeniu au aceiaşiorientare ca H şi s-a ajuns la magnetizaţia de saturaţie “tehnică” sM (linia plină din fig. 7.10(c)).

Porţiunii CD îi corespunde orientarea în sensul lui H şi a momentelor spontane pm care

erau încă antiparalele cu H în punctul C (numărul lor, crescător cu temperatura, se notează cu“N”); acest proces de orientare se face cu absorbire însemnată de energie şi, deci, cu creştere lentă amagnetizaţiei, deoarece este opus efectului agitaţiei termice. În punctul D se ajunge practic lamagnetizaţia de saturaţie M∞ = N·mp.

Revenirii din D în C îi corespunde, evident, procesul invers aceluia care corespundedeplasării C → D. Dacă se continuă scăderea mărimii H , se parcurge ramura CMr; ei îi corespundedeplasarea, spre poziţiile iniţiale, a pereţilor Bloch, care, aşa cum s-a arătat în paragraful precedent,nu poate conduce la o revenire totală a pereţilor în poziţiile de la H = 0, M = 0, din cauza neputinţeide escaladare a “munţilor” de tipul rq din figura 7.7(c). Pentru a se reveni la starea iniţială, cuM = 0, este necesar să se stabilească în corp un anumit câmp magnetic cH , în sensul opus celui(anterior) care a produs magnetizarea, numit câmp magnetic coercitiv, adică să se cedeze pereţilorBloch energia necesară escaladării munţilor de energie potenţială (în sensul r, q, p).

La parcurgerea, în continuare, a ciclului de histerezis procesele descrise mai sus se repetă.Permeabilităţile relative ale materialelor feromagnetice sunt foarte mari, de ordinul sutelor

până la sute de mii.În corpurile feromagnetice intensitatea câmpului magnetic activ (interior, efectiv) H0 este

diferită substanţial de intensitatea câmpului magnetic macroscopic H şi deci între H0 şi H existărelaţia (7.15), mărimea γ fiind constanta lui Weiss şi având valoarea γ ≈ 103 104.

Cu ajutorul legii magnetizaţiei temporare HM m , rezultă expresia următoare asusceptivităţii magnetice, numită expresia lui Curie – Weiss:

T

C

kT/Nm1

kT/Nm2p0

2p0

m ;k

NmC

2p0 ; C , (7.27)

reprezentată în figura 7.11. C se numeşte constanta lui Curie, iar θ temperatura lui Curie deparamagnetism. Expresia (7.27) este valabilă numai pentru T > θ, deoarece numai în acest caz

0m şi are deci sens. Însă magnetizaţia M nu este spontană, deoarece se anulează odată cu H .Rezultă că pentru T > θ corpul nu poate fi feromagnetic (pentru feromagnetice magnetizaţiaspontană este caracteristică), ci este paramagnetic. De altfel, din (7.27) rezultă că susceptivitateascade hiperbolic cu T ca şi în cazul corpurilor paramagnetice.

Fig. 7.10 Configuraţii standard pentru domenii magnetice:a – corp nemagnetizat; b – corp magnetizat; c – corpmagnetizat la saturaţie (linie punctată pentru M)

1


Reprezentarea curbei 1/χm în funcţie de T, pentru T > θ este asemănătoare cu cea din figura 7.4.Relaţia (7.27) se numeşte formula lui Curie

– Weiss. În vecinătatea valorii T = θ, expresia (7.27)nu mai este suficient de corectă (pentru T → θ seobţine χm → ∞) şi curba reală 1/χm = f(T) seîndepărtează de dreaptă, aşa cum se indică în figura7.11(b); intersecţia cu axa absciselor a prelungiriicurbei reale defineşte temperatura Tc numitătemperatura Curie de feromagnetism. Diferenţa dintreTc şi θ poate fi, de multe ori, neglijată în practică.

Principalele materiale feromagnetice suntfierul, cobaltul, nichelul, gadoliniul şi anumite aliaje, unele realizate din metale neferomagnetice(aliajele Heussler).

7.3.2 Materiale ferimagnetice şi antiferomagneticeMaterialele ferimagnetice şi antiferomagnetice reprezintă o altă categorie de materiale

magnetice neliniare. Reţeaua lor cristalină este alcătuită din două subreţele întrepătrunse, avândfiecare momentele magnetice ale atomilor componenţi homoparalele, însă momentele magnetice aleatomilor dintr-o subreţea sunt antiparalele faţă de cele ale atomilor din cealaltă subreţea.

Se ştie că stările de echilibru ale microparticulelor cu spin semiîntreg se obţin fie în cazul încare spinii lor sunt antiparaleli, fie atunci când spinii lor sunt homoparaleli. În reţeaua cristalină aunui corp feromagnetic se realizează, sub temperatura Curie, cea de a doua stare, aşa cum s-a văzutmai sus. În corpurile feri- şi antiferomagnetice se realizează însă, pentru atomii imediat vecini,prima stare, de antiparalelism al spinilor, deci al momentelor pm (vezi xm şi ym în fig. 7.12),deoarece între atomii corpului se stabilesc distanţe mici şiinteracţiunile electronilor cu nucleele atomilor vecini suntimportante. Acest efect se observă de exemplu în cazul oxidului demangan MnO, a fluorurei de mangan MnF2 etc. Aceste corpuri suntmateriale antiferomagnetice sau ferimagnetice; ele sunt corpuricompuse: oxizi, fluoruri, sulfuri etc. Într-un model simplu, se poateconsidera că aceste materiale sunt compuse din două subreţele, X şiY, care se întrepătrund, fiecare fiind formată din atomi de acelaşi tip,cu momente magnetice xm , respectiv ym , ca în figura 7.12.

În cazul materialelor ferimagnetice yx mm , iar în cazul

celor antiferomagnetice yx mm .

7.3.2.1 Materiale ferimagneticeMaterialele ferimagnetice sau feritele au momentele magnetice ale atomilor din cele două

subreţele neegale ca mărime, astfel încât se formează domenii Weiss, magnetizate spontan.Corpurile ferimagnetice au, în numeroase cazuri, formula chimică generală M2+O2-Fe2

2+O32- în care

M2+ este un ion al unui metal bivalent, adesea Mn, Zn, Ni, Cu, Cd, Mg, Ba sau chiar Fe.Feritele sunt materiale cu proprietăţi semiconductoare. Ele au, deci, rezistivităţi mult mai

mari decât corpurile feromagnetice, care sunt metale şi din această cauză prezintă pierderi princurenţi turbionari mult mai mici decât acestea din urmă, calitate deosebită pentru aplicaţiilepractice, feritele putând fi folosite pentru construcţia miezurilor magnetice care sunt străbătute defluxuri magnetice rapid variabile în timp (frecvenţe înalte, de exemplu).

Fig. 7.12 Subreţelele magneticeale unui material feri- sauantiferomagnetic[1]

Fig 7.11 Variaţia cu temperatura asusceptivităţii corpurilor feromagnetice


Deoarece yx mm , momentele magnetice spontane ale atomilor vecini nu se

compensează în medie şi rezultanta lor yx mm are aceeaşi orientare pentru toate perechile deatomi care formează domenii magnetice de tipul acelora din corpurile feromagnetice. Din această cauză, ele au proprietăţi asemănătoarecu ale feromagneticelor: sunt neliniare, prezintăcicluri de histerezis magnetic, iar χm >>1 şi deci,r >>1. În figura 7.13 sunt reprezentate curbeleχm = f(T) şi 1/χm = f(T), conform ecuaţiilor:

T

Cm . (7.28)

Datorită antiparalelismului dintre xm şi ym ,susceptivitatea magnetică şi permeabilitatea relativă au valori mai mici decât acelea ale materialelorferomagnetice.

7.3.2.2 Materiale antiferomagnetice

În corpurile antiferomagnetice yx mm şi din această cauză ele sunt nemagnetizate laT = 0 când toate momentele spontane ocupă poziţiile ideale, indicate în figura 7.14. La T > 0, oparte dintre atomi părăsesc, datorită agitaţiei termice, poziţiile din figura 7.14, dar, dacă în corp nuse stabileşte un câmp magnetic exterior, orientările lor rămân arbitrare, momentele lor magnetice secompensează în medie şi materialul este nemagnetizat.

Dacă se stabileşte un câmp magnetic exterior şi dacă T > 0, momentele spontane ale atomilorse orientează cu precădere după aceea dintre direcţiile xm sau ym care formează un unghi mai miccu orientarea vectorului H şi magnetizaţia corpului devine nenulă; creşterea temperaturiifavorizează această orientare şi susceptivitatea magnetică se măreşte cu temperatura (porţiunea ABa curbei din figura 7.14(a)) atât timp cât efectul de orientare a spinilor electronilor (deci ale

momentelor pm ), datorită forţelor cuantice de schimb, se menţine. După depăşirea unei temperaturicritice TN, numită temperatura Néel, efectul de orientare a spinilor se pierde, materialul devineparamagnetic şi χm scade cu temperatura: χm=2C/(T+), în care C şi au expresiile (7.27) întâlnitela feromagnetice. Porţiunea BC din figura 7.14(a) reprezintă variaţia susceptivităţii pentru T > TN.

Ordinul de mărime al susceptivităţii materialelor antiferomagnetice este acelaşi cu almaterialelor paramagnetice, adică mic, datorită antiparalelismului momentelor spontane ale celordouă subreţele X şi Y. Pentru MnF2 se obţine, de exemplu, χm≈15·10-3, la T = TN 100 [K], carereprezintă valoarea sa cea mai mare (la T = 300 [K], se obţine χm ≈ 7·10-3). Deci, la temperaturacamerei majoritatea corpurilor antiferomagnetice se comportă ca cele paramagnetice, cu care aufost, de altfel, multă vreme confundate.

Fig. 7.13 Variaţia cu temperatura a susceptivităţiimagnetice a corpurilor ferimagnetice

Fig. 7.15 Comparaţia între clasele fundamentalede corpuri magnetic polare

Fig. 7.14 Variaţia cu temperatura a susceptivităţiimagnetice a unui corp antiferomagnetic


În figura 7.15se face o comparaţie între materialele para-, fero-, feri-, şi antiferomagnetice.Figura 7.15(b) se referă numai la domeniul temperaturilor suficient de înalte, la care

materialele magnetice au comportare paramagnetică.

7.4 PIERDERILE ÎN FIERPierderile principale, din punct de vedere al aplicaţiilor tehnice, din corpurile fero- şi

ferimagnetice, se datorează histerezisului magnetic şi curenţilor turbionari (Foucault) care se inducîn ele, în câmpuri magnetice variabile în timp.

1. Pierderile prin histerezis magnetic sunt proporţionale cu aria Ah a ciclului de histerezis(fig. 7.16). Într-adevăr, la parcurgerea unui ciclu de histerezis se dezvoltă, în unitatea de volum,energia hmh AHdBW

h

, în care aria Ah a ciclului de

histerezis se măsoară în unităţi B, H. Deci, în unitatea de timpse dezvoltă, în unitatea de volum, puterea

hh fAHdBfPh

, dacă f este frecvenţa câmpului magnetic

variabil.Aria Ah are următoarea expresie, dedusă pe caleexperimentală de Steinmetz:

nmaxh BA (7.43)

în care η se numeşte coeficientul lui Steinmetz, iar n senumeşte exponentul lui Steinmetz; η şi n depind de naturamaterialului. Adesea, în tehnică, se consideră n ≈ 2; pentru tolele feromagnetice uzuale, 1,6 < n < 2.Deci, se poate scrie: ph= f n

maxB , iar dacă V este volumul materialului, pierderile prin histerezis încorp au expresia:

Ph = ph·V = f VBnmax . (7.29)

Pentru micşorarea pierderilor prin histerezis, în tehnică se utilizează materiale magnetic moicare au ciclul de histerezis îngust (Hc mic) şi deci aria Ah mică.

2. Pierderile prin curenţi turbionari sunt produse de curenţii electrici induşi în corpurileferomagnetice, conform legii inducţiei electromagnetice, de câmpurile magnetice variabile. Într-otolă feromagnetică, de grosime Δ şi de rezistivitate , se dezvoltă în unitatea de timp şi de volumenergia (căldura): pf=π2Δ2f2 2

maxB /6, astfel că în volumul V al materialului se dezvoltă, în unitateade timp, căldura:

Pf = VBf6

2max

222

. (7.30)

Pentru a se micşora pierderile prin curenţi turbionari se folosesc tole feromagnetice subţiri(Δ = 0,5 mm, 0,35 mm, uneori şi mai puţin); de asemenea, prin alierea fierului cu siliciul, se obţinemărirea rezistivităţii şi, deci, micşorarea pierderilor până la aproximativ 11% siliciu. Datorităfaptului că siliciul măreşte duritatea tablei şi o face casantă, nu pot fi depăşite anumite procente desiliciu; în tehnică se utilizează tablă cu aproximativ 2% siliciu pentru maşinile electrice rotative şicu aproximativ 4% siliciu pentru miezurile transformatoarelor electrice.

Pierderile totale în fier se obţin adunând pierderile prin histerezis şi cele prin curenţiturbionari:

PFe = Ph + Pf = f nmaxB V VBf

62max

222

. (7.31)

Fig. 9.16 Ciclul de histerezisal unui corp feromagnetic

V


7.5 MATERIALE MAGNETIC MOI ŞI DURE

În grupa materialelor magnetice se includ îndeosebi materiale fero- şi ferimagnetice,caracterizate prin valori mari ale câmpului coercitiv şi energiei magnetice înmagazinate sau alepermeabilităţii şi inducţiei magnetice de saturaţie. În stare magnetizată acestea exercită acţiuniponderomotoare asupra corpurilor feromagnetice, dependenţa dintre inducţia şi intensitateacâmpului magnetic este neliniară, iar la variaţii ciclice ale inducţiei magnetice în ele se producpierderi de energie.

Materialele magnetic moi se caracterizează prin ciclu de histerezis îngust, câmp coercitiv Hc micşi inducţie de saturaţie Bs şi permeabilitate magnetică mari. Utilizările lor sunt legate de caracteristicileciclului de histerezis. Astfel, materialele cu ciclul de histerezis înclinat şi k = Br/Bs 0,5 (fig. 7.17(a)),deci cu permeabilitate magnetică mică şi constantăîn raport cu H, se utilizează la confecţionareamiezurilor bobinelor de inductivitate constantă.Materialele cu ciclul de histerezis mai înclinat şi k= 0,5…0,8 (fig. 7.17(b)), adică cu permeabilitatemagnetică mare şi dependentă de H, se utilizeazăla fabricarea miezurilor pentru transformatoare,electromagneţi etc. Materialele cu cicluldreptunghiular (pentru care k > 0,8) se utilizeazăla fabricarea miezurilor pentru memoriimagnetice, circuite de comutaţie etc.

Materialele magnetic dure au ciclul dehisterezis lat, inducţie remanentă Br şi câmp coercitiv mare. Utilizările lor sunt, de asemenea, legate demărimea lui k: cele pentru care k < 0,4 (fig. 7.18(a)) seutilizează pentru înregistrarea magnetică a informaţiei,iar cele cu k > 0,4 (fig. 7.18(b) şi 7.18(c)) la fabricareamagneţilor permanenţi.

Trebuie remarcat că denumirea de materialmagnetic dur sau moale se referă îndeosebi lacaracteristicile magnetice şi nu la duritatea fizică acorpurilor, unele aliaje utilizate la fabricarea magneţilorpermanenţi având o duritate mai mică decât o serie defonte şi oţeluri utilizate ca materiale magnetic moi.

7.5.1 Materiale magnetic moiCaracteristica cea mai importantă a acestei grupe de materiale magnetice este aceea de a se

demagnetiza la încetarea acţiunii câmpului magnetizant. Pentru aceasta, ele trebuie să aibă unconţinut cât mai redus de impurităţi (îndeosebi carbon) şi să nu prezinte tensiuni locale (interne).

7.5.1.1 FierulÎn funcţie de gradul de puritate, se disting trei sorturi de fier moale: tehnic pur, pur şi extrapur.Fierul tehnic pur (99,5…99,9%) se cunoaşte sub diferite denumiri, ca fier Armco (American

Rolling Mill Co.), suedez, moale, magnetic etc. şi are un conţinut redus de carbon (0,03%), fosfor şisulf. Are permeabilitatea magnetică maximă r,max=8000…32000, Hc=6…100A/m, Br=1…1,2T,=(0,1…0,15)m şi Bs > 2 T.

Fierul pur (având gradul de puritate de 99,90…99,98%) şi cel extrapur (99,99%) se obţin încondiţii şi prin procese tehnologice speciale. Fiind foarte scumpe, nu se utilizează decât în cazuri speciale.

Fierul electrolitic este constituit din particule alungite, are o puritate foarte mare şi seutilizează mai ales la fabricarea aliajelor Alni şi Alnico.

Fig. 9.17 Cicluri de histerezis alematerialelor magnetic moi

Fig. 9.18 Cicluri de histerezis alematerialelor magnetic dure


Fierul carbonil (obţinut prin procedeul carbonil) este constituit din particule sferice, deci nudeteriorează izolaţia tolelor aflate la presiuni mari şi se utilizează şi la obţinerea, prin presare, a unormiezuri magnetice pentru frecvenţe înalte, a magneţilor sinterizaţi Alni şi Alnico etc.

Fierul moale are două zone critice de fragilitate: prima între 260 şi 4500C, iar a doua între815 şi 10500C. Pentru temperaturi cuprinse în aceste zone materialul este foarte casant, neputând fiiprelucrat mecanic (prin laminare, forjare etc.).

7.5.1.2 Oţeluri şi fonteOţelurile se utilizează la confecţionarea circuitelor magnetice care necesită caracteristici

mecanice superioare. Au inducţie de saturaţie destul de mare (între 1,4 şi 2 T), dar permeabilitatemagnetică redusă (r,max = 2000) şi câmp coercitiv mare (2 kA/m). Pentru obţinerea unorcaracteristici mecanice superioare, oţelurile se aliază cu Cr, V, Co etc., iar pentru îmbunătăţireacaracteristicilor termice, cu Cr şi W. În aceste cazuri inducţia de saturaţie poate depăşi 2 T, câmpulcoercitiv scade sub 1000 A/m, iar rezistivitatea creşte până la 0,7 m.

Fontele au caracteristici inferioare oţelurilor, dar sunt mai ieftine. Caracteristicile lormagnetice variază foarte mult în funcţie de natura şi structura materialului. Astfel, cementita are Hc

= 8 kA/m, spre deosebire de fonta feritică sau fierul la care Hc ≤ 200 A/m.Proprietăţile magnetice ale fontelor se modifică cu conţinutul de impurităţi: fosforul măreşte

câmpul coercitiv şi reduce permeabilitatea, manganul şi sulful reduc inducţia de saturaţie şipermeabilitatea şi cresc câmpul coercitiv, carbonul, sub formă de cementită, înrăutăţeşte toatecaracteristicile magnetice).

Fontele se utilizează la construcţia carcaselor, jugurilor, pieselor polare etc. ale maşinilor electrice.

7.5.1.3 Aliaje fier - siliciuPrin alierea fierului cu siliciul se obţin materiale cu rezistivitate electrică mare, deci cu

pierderi prin curenţi turbionari reduse. Conţinutul de siliciu nu poate depăşi însă 4,5% în cazullaminării aliajului la cald şi 3,3% în cazul laminării la rece, deoarece fragilitatea creşte atât de mult,încât materialul devine neprelucrabil. Pe de altă parte, prezenţa siliciului determină şi o micşorare aconductivităţii termice şi a inducţiei de saturaţie a fierului (cu 0,0575 T pentru fiecare procent desiliciu).

Aliajele fier-siliciu se utilizează sub formă de table (pentru reducerea pierderilor prin curenţiturbionari), bare, sau alte profile.

Tabla silicioasă laminată la cald se obţine din blocuri de fier-siliciu, prin laminări şi recoacerisuccesive. După obţinerea dimensiunilor dorite, tablele se supun unui tratament termic de scurtă durată(8000C) urmat de o răcire lentă, în urma cărora cresc grăunţii cristalini şi scad tensiunile interne.Aceleaşi tratamente se aplică şi după prelucrări mecanice de ştanţare, tăiere etc. Au anizotropie redusă,de cele mai multe ori considerându-se ca izotrope. Tablele slab aliate (până la 1% Si) au inducţia desaturaţie mare, iar cele superaliate (peste 4% Si) au pierderile specifice reduse. Conţinutul de carbon estesub 0,08% pentru tablele E I şi E II şi sub 0,07% pentru tablele E III şi E IV.

Pentru reducerea pierderilor prin curenţi turbionari, tolele se izolează cu hârtie (între 0,013 şi0,03 mm), prin oxidare superficială (pentru inducţii care nu depăşesc 1,4 T după care, datorităîncălzirii, rezistivitatea oxidului se reduce considerabil) sau prin lăcuire cu lacuri sintetice.

Tabla silicioasă texturată, laminată la rece, a cărei obţinere presupune orientarea, în timpulprocesului de laminare la rece, a unei axe a cristalelor de fier (evident axa de uşoară magnetizare [100]) îndirecţia de laminare. Se obţine în acest mod o structură de tipul celei prezentate în figura 7.3(a), numităstructură Goss. Introducând tabla texturată într-un câmp magnetic a cărui direcţie coincide cu direcţia delaminare (care reprezintă acum o direcţie de uşoară magnetizare), corpul se magnetizează cu uşurinţă,permeabilitatea magnetică fiind foarte mare, iar pierderile specifice la 1T fiind 10P < 0,6 W/kg. Dacă însădirecţia câmpului magnetizant diferă de direcţia de laminare, pierderile specifice cresc, putând lua valorichiar mai mari decât în cazul tablei laminate la cald.


Prin urmare, tabla texturată cu structură Goss, care se foloseşte în construcţiatransformatoarelor, nu se poate utiliza şi în construcţia maşinilor electrice rotative, unde fluxulmagnetic îşi schimbă continuu direcţia. În aceste cazuri, se poate utiliza tabla texturată cu structurăîn cuburi (fig. 7.3(b)), care prezintă permeabilitate ridicată şi pierderi reduse atât în direcţia delaminare cât şi într–o direcţie perpendiculară pe ea.

Caracteristicile principale ale tablei texturate sunt: sB =2,03 T, cH =16 A/m, ρ = 0,48 μΩ m

şi d = 7650 3kg/m . Este foarte sensibilă la acţiunea solicitărilor şi tratamentelor mecanice: deexemplu, permeabilitatea magnetică maximă scade de 2,5 ori când presiunea creşte de la zero la 105

N/m2. De aceea, după efectuarea unor prelucrări mecanice, tablele se supun unor tratamente termicela temperaturi cuprinse între 790 şi 8000C.

Izolarea tablei texturate se face cu oxizi ceramici (carlit) sau cu pelicule pe bază de fosfaţi.Straturile izolante fiind foarte netede şi subţiri, miezurile magnetice din table texturate au valorimari ale factorului de umplere (0,96…0,97).

7.5.1.4 Aliaje fier-aluminiuAvând 16% aluminiu şi un conţinut redus de impurităţi (sub 0,0025% C), aceste aliaje au

proprietăţi foarte bune: μr,i = 4000, μr,max = 105, Hc 2 A/m, Bs = 0,8 T, ρ = 1,44 μΩm. Selaminează la cald, se izolează prin oxidare şi se pot lipi prin cositorire. Se utilizează în construcţiatransformatoarelor de impuls de medie frecvenţă, a magnetofoanelor etc.

7.5.1.5 Aliaje nichel-fierAliajele nichel-fier (permalloy) sunt cele mai reprezentative materiale magnetic moi, ele

având permeabilitatea magnetică foarte mare (2 H/m), pierderi prin histerezis mici şi câmp coercitivfoarte redus (Hc < 0,3 A/m).

Proprietăţile lor variază foarte mult cu conţinutul de nichel. Astfel, aliajele cu conţinut marede nichel (65…80% nichel) au permeabilitate foarte mare, câmp coercitiv mic şi pierderi prinhisterezis reduse, dar au inducţie de saturaţie şi raportul Br/Bs relativ mici (Bs1 T). Aliajele cuconţinut redus de nichel (35% nichel), au permeabilitate mică ( 9 mH/m), dar rezistivitate mare(0,75 μΩm) şi deci pierderi prin curenţi turbionari reduse.

Aliajele cu permeabilitate magnetică mare au un conţinut mare de nichel (76…79% nichel),se caracterizează prin valori mari ale permeabilităţii magnetice (0,13….2 H/m), câmpuri coercitive(0,015…5 A/m) şi pierderi (0,015…0,045 W/kg la 0,5 T) reduse, dar au şi valori mici ale inducţieide saturaţie (0,8 T). Sunt maleabile, ductile şi pot fi laminate la dimensiuni reduse. Se cunosc subdenumirile comerciale: permalloy, supermalloy, mu-metal etc. şi se utilizează în construcţiatransformatoarelor de măsură (la f = 50 Hz şi inducţii mici), a aparatelor feromagnetice cu repulsie,a ecranelor magnetice.

Aliajele cu ciclul de histerezis dreptunghiular se obţin printr-o laminare la rece urmată de oserie de tratamente termice (încălzire de scurtă durată pentru recristalizare, răcire în câmp magneticetc.), a unor aliaje pe bază de nichel (permalloy, deltamax, rectimphy, dynamax etc.) sau chiar atablei texturate. Se utilizează în construcţia amplificatoarelor magnetice, a dispozitivelor decomutare, a calculatoarelor etc.

Aliaje cu permeabilitate magnetică constantă se obţin prin procedee speciale (o cristalizarecompletă, reduceri de secţiune de peste 98% etc.) şi au un conţinut mai redus de nichel.

Aliajele perminvar, care conţin numai nichel şi fier, se utilizează doar în câmpuri magneticeslabe. Adăugându-li-se cobalt sau molibden pot fi utilizate până la 8 kA/m. Au pierderi reduse şi sefolosesc în construcţia aparatelor acustice, a transformatoarelor de măsură etc.

7.5.1.6 Aliaje cu proprietăţi specialeAliajele termomagnetice sunt soluţii solide pe bază de nichel (nichel-fier, nichel-fier-crom,

nichel-cupru, nichel-siliciu-fier) cu punctul Curie sub 1000 C şi coeficientul de variaţie a rezistivităţii cu


temperatura negativ. Cele mai cunoscute sunt aliajele: Calmalloy (70% nichel, 30% cupru), Thermalloy(70% fier, 30% nichel), Compensator (57% fier, 35% nichel, 8% crom). Au inducţie la saturaţie foartemică (0,20,3 T), iar inducţia magnetică variază mult cu temperatura. Se utilizează în construcţiaşunturilor magnetice pentru compensarea erorilor de temperatură din aparatele de măsură.

Aliaje magnetostrictive. Magnetostricţiunea λ caracterizează variaţiile dimensionale alematerialelor (feri- sau feromagnetice) introduse în câmp magnetic. Se defineşte prin raportul dintrealungirea Δl a unei laturi a corpului şi mărimea ei iniţială l (λ = Δl/l). Poate fi pozitivă sau negativă,după cum corpul se alungeşte sau se scurtează. Valoarea maximă a magnetostricţiunii se obţinepentru o frecvenţă a câmpului magnetic egală cu frecvenţa proprie (de rezonanţă) a materialului.

Ca materiale magnetostrictive se utilizează nichelul (λ < 0), cobaltul (λ = 0), aliajele nichel-fier,nichel-cobalt, cobalt-fier, fier-platină (λ = 1810-5) şi fier-aluminiu, unele ferite şi îndeosebi aliajelefierului cu terbiul (TbFe2) sau cu erbiul (EbFe2), pentru care magnetostricţiunea este de peste 16 ori maimare decât în cazul feritelor sau aliajelor fier-platină. Se utilizează în construcţia generatoarelor sonoreşi ultrasonore, pentru purificarea apei, accelerarea reacţiilor chimice, sudarea metalelor etc.

Filme feromagnetice. Păturile subţiri sau filmele feromagnetice se obţin din aliaje nichel-fiersau din elemente pure. Au pierderi prin curenţi turbionari reduse şi ciclul de histerezisdreptunghiular, magnetizarea efectuându-se doar prin rotirea momentelor magnetice. Se utilizeazăîn construcţia dispozitivelor electronice cu comutaţie rapidă: memorii magnetice, calculatoare etc.

7.5.1.7 Ferite magnetic moiFeritele sunt materiale semiconductoare cu rezistivitatea ρ = 105…106 Ωm, adică de

106…107 ori mai mare decât cea a materialelor feromagnetice. După structura chimică, feritele suntcompuşi ai oxidului de fier (Fe2O3) şi ai altor metale bivalente (mangan, zinc, nichel, magneziu,cupru, litiu etc.), având formula generală: mM 2

1 O nM 22 O pM 2

3 O qFe2O3, unde Mk (k = 1, 2,3) reprezintă un metal bivalent, iar m, n, p, q, numărul de molecule ale oxidului Mk. Faţă dematerialele feromagnetice, feritele prezintă avantajele unei rezistivităţi şi stabilităţi mari acaracteristicilor magnetice. Se prelucrează însă cu dificultate (fiind dure şi casante), prezintă valorimici ale inducţiei de saturaţie (Bs < 0,6T) şi temperaturi Curie între 60 şi 4500 C. În funcţie decompoziţia chimică şi tratamentele aplicate se obţin ferite cu proprietăţi foarte diferite: cupermeabilitate magnetică mare, cu constante de anizotropie şi magnetostricţiune foarte mari saufoarte mici, cu cicluri de histerezis înguste sau dreptunghiulare etc.

Feritele se utilizează îndeosebi în domeniul frecvenţelor înalte: miezuri de bobine, memoriişi amplificatoare magnetice, antene, transformatoare pentru televizoare etc.

În continuare se prezintă câteva ferite mai utilizate.Feritele mangan-zinc au μr, i 6000, ρ = 0,3…1 Ωm., Bs = 0,25…0,5 T, Hc = 8…24 A/m, Br/Bs

= 0,3…0,45 şi Tc = 120…1800C. Se folosesc, la frecvenţe f 1 MHz, pentru confecţionareatransformatoarelor de impulsuri, a filtrelor etc.

Feritele nichel-zinc (Niferit, Ferroxcube B, Fernolite etc.) au temperatura Curie foarte scăzută(Tc = 60…800 C) şi coeficientul de variaţie a permeabilităţii cu temperatura mare. Se utilizează, pentrufrecvenţe de ordinul unităţilor sau zecilor de MHz, în construcţia transformatoarelor şi bobinelor.

Feritele litiu-zinc au μr, i 100, pierderi reduse şi se utilizează pentru frecvenţe de ordinul zecilor deMHz.

Feritele magneziu-zinc şi magneziu-mangan au rezistivitate foarte mare (ρ = 106..107 Ωm), darpermeabilitatea şi inducţia de saturaţie reduse. Se utilizează la frecvenţe ultraînalte (până la 10 GHz).

7.5.2 Materiale magnetic dureMaterialele magnetic dure îşi păstrează starea de magnetizare şi după întreruperea acţiunii

câmpului magnetizant şi au cicluri de histerezis largi, inducţie remanentă, câmp coercitiv şi indicide calitate superiori. Fiind utilizate la fabricarea magneţilor permanenţi, pentru materialele


magnetic dure, prezintă o deosebită importanţă curbele dedemagnetizare şi cele ale produsului BH (în funcţie de H sauB), figura 7.19.

Deci, pentru utilizarea optimă a unui material magneticdur cu Br şi Hc cunoscute, într-un circuit magnetic cu inducţieîn întrefier dată, trebuie ca dimensiunile magnetului să fieastfel alese încât produsul dintre inducţia magnetică şiintensitatea câmpului magnetic corespunzătoare punctului defuncţionare (BLHL) să fie maxim, adică BL/HL = Br/Hc.Valoarea maximă a produsului (BH), numită indice decalitate este cu atât mai mare, cu cât Br şi Hc sunt mai mari, iarciclul de histerezis se apropie mai mult de unul dreptunghiular.

7.5.2.1 Oţeluri martensitice şi aliateOţeluri cu structură martensitică. Structura martensitică se obţine printr-o răcire bruscă (călire) a

oţelului aflat la o temperatură ridicată (9000C), când cementita rămâne în material şi formează împreunăcu fierul α o soluţie suprasaturată. Excesul de cementită produce importante tensiuni interne (reţeauacristalină se deformează) şi conferă materialului un câmp coercitiv relativ mare (4 kA/m). Având indicede calitate redus şi fiind foarte susceptibile la şocuri, vibraţii şi variaţii de temperatură, oţelurilemartensitice sunt înlocuite cu oţelurile aliate (îndeosebi cu Wolfram).

Oţeluri aliate. Reducând conţinutul de carbon sub 1% şi adăugând în anumite proporţii wolfram,cobalt, crom etc. se obţin oţeluri aliate, cu caracteristici magnetice superioare celor martensitice. Prinaliere cu wolfram se formează carbura de wolfram (WC) care are ca efect creşterea tensiunilor internedin material şi deci, a câmpului coercitiv (6400 A/m). Creşte, de asemenea, indicele de calitate, darscade inducţia remanentă. Alierea cu crom are aceleaşi efecte, dar costul aliajului este mai mic.

Introducându-se şi cobalt se obţin aliaje cu Hc = 20 kA/m şi (BH)max > 8 kJ/m3.

7.5.2.2 Aliaje plasticeAceste aliaje suportă deformări plastice pronunţate (forjare, laminare), până la dimensiuni

reduse, fără ca proprietăţile magnetice să se modifice prea mult. Sunt însă foarte scumpe şi seutilizează doar în situaţii speciale, când aliajele Alni sau Alnico nu pot fi folosite.

Aliajele Vicalloy (S.U.A.) sau Koerflex (Germania) au un conţinut mare de cobalt, la care seadaugă vanadiu şi crom. Se obţin sub formă izotropă sau anizotropă (prin laminare la cald sau larece) şi se utilizează în construcţia memoriilor magnetice, a motoarelor cu histerezis etc..

Aliajele Cunife (cupru-nichel-fier) sunt cele mai maleabile şi ductile materiale magnetic dure.Rezistă foarte bine la şocuri şi vibraţii. Prin laminare la rece li se conferă o anizotropie pronunţată şiciclu histerezis dreptunghiular. Se utilizează în construcţia dispozitivelor de înregistrare a informaţiei.

7.5.2.3 Aliaje cu magnetostricţiune micăÎn această categorie intră aliajele Co-Fe-Au, Co-Fe-Ti, Co-Fe-Be şi Co-Fe-Nb. Se pot

lamina la dimensiuni reduse, au inducţie remanentă mare (1,3…1,8 T), câmp coercitiv mic (1…2kA/m) şi Br/Bs = 0,85…0,96%. Având ciclul de histerezis relativ îngust şi dreptunghiular şiconstantă de magnetostricţiune mică se utilizează în construcţia dispozitivelor electronice decomandă şi control, a memoriilor etc.

7.5.2.4 Aliaje cu durificare prin dispersie de fazăDin această grupă fac parte aliajele Alni şi Alnico, materiale mai ieftine şi cu proprietăţi

remarcabile: Hc = 20…90 kA/m, Br = 0,6…1,15 T şi (BH)max = 6…40 kJ/m3 .Proprietăţile lor magnetice deosebite se datorează efectuării unui tratament de durificare

prin dispersie de fază.

Fig. 9.19 Curbe caracteristicepentru materialele magnetic dure


Aliaje Alni. Au inducţii remanente cuprinse între 0,5 şi 1,25 T, câmpuri coercitive între 20 şi90 kA/m şi indici de calitate între 5,5 şi 24 kJ/m3. Cele cu conţinut redus de nichel au Hc mic şi Br

mare şi se utilizează în construcţia magneţilor de secţiuni mari.Aliaje Alnico. Datorită cobaltului au temperatura Curie şi inducţia remanentă superioare

aliajelor Alni. În funcţie de conţinutul de cobalt şi de tratamentele efectuate în decursul proceselortehnologice se obţin aliaje cu câmp coercitiv mare (Alnico 32, Alnico 34, Alnico 38, Triconal1500), cu indice de calitate şi câmp coercitiv mare (Alnico 900, Magnicol), cu cristale dirijate(Alnico 24), izotrope (Alnico 12, Alnico 15), cu structură semicolumnară sau columnară etc.

7.5.2.5 Ferite magnetic dureFeritele magnetic dure au o structură spinelică (feritele de cobalt, CoFe2O4) sau hexagonală

(ferite de bariu, stronţiu sau plumb). Dintre acestea, datorită caracteristicilor magnetice bune şicostului redus, cea mai utilizată este ferita de bariu, cu structura MBaO6Fe2O3.

Magneţii permanenţi din ferite sunt ieftini, au rezistivitate electrică şi câmp coercitiv mare(până la 800 kA/m). Au însă inducţie remanentă redusă (0,2…0,4 T). Se obţin, în general prinsinterizare, presarea efectuându-se eventual în câmp magnetic. Prin adăugarea unor lianţi organicise obţin magneţi flexibili, dar cu caracteristici magnetice reduse.

7.5.2.6 Alte materiale utilizate la fabricarea magneţilor permanenţiPământuri rare. Elementele din grupa lantanidelor, numite şi pământuri rare, pot forma cu

elementele de tranziţie (Fe, Ni, Co etc.) compuşi feromagnetici cu proprietăţi superiore materialelormagnetice metalice. Astfel, prin sinterizarea în atmosferă inertă s-au obţinut magneţi de densităţifoarte mari, cu Br = 0,8…0,9 T, Hc = 640…720 kA/m şi (BH)max = 128…160 kJ/m3.

Dintre elementele de tranziţie cel mai utilizat este cobaltul, iar dintre lantanide samariul(Sm), ceriul (Ce), lantanul (La) etc. Cum atât samariul cât şi cobaltul sunt foarte scumpe, acestea sepot înlocui cu aliaje pe bază de lantan, ceriul, erbiul şi fier (mai ieftine), proprietăţile produselorobţinute fiind totuşi comparabile cu cele ale magneţilor metalici. Având indici de calitate mari,aliajele pe bază de lantanide permit o miniaturizare a circuitelor magnetice şi deci o reducere acostului instalaţiilor din care fac parte.

Particule alungite. Din particule mici, de forma alungită, se obţin magneţi permanenţi cuvalori foarte mari ale câmpului coercitiv şi îndeosebi ale indicelui de calitate. Au structurăomogenă, stabilitate bună la şocuri, vibraţii şi variaţii de temperatură, reproductibilitate mare şi sepot fabrica la dimensiuni reduse. Tehnologia de fabricaţie este însă complicată, până acumneputându-se obţine magneţi cu caracteristici apropriate de cele estimate prin calcule. Cei construiţiîn prezent (Lodex) se utilizează pentru circuite cu structuri complicate, la micromotoare, difuzoare,circuite imprimate etc.

Se mai folosesc oxizi de crom la fabricarea unor magneţi permanenţi pentru frecvenţe înalteşi pături subţiri formate, prin depunere în vid, dintr-un strat de crom şi unul de cobalt, acesteautilizându-se în construcţia aparatelor numerice.

7.6 BIBLIOGRAFIE1. Ifrim, A. Noţingher, P., Materiale electrotehnice. Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.2. Preda, M., Cristea, P., Spinei, F., Bazele electrotehnicii, vol. I şi II, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980.3. Brissonneau, P., Magnetisme et materiaux magnetiques, Ed. Hermes, 1997, France.4. Răduleţ, R. Bazele teoretice ale electrotehnicii, vol. IV. Bucureşti, Tipografia şi Litografia M. I., 1956.

5. Moţoc, C. Fizica solidului. Bucureşti, Editura didactică şi pedagogică, 1968.

6. Sergiescu, V. Introducere în fizica solidului. Bucureşti, Editura tehnică, 1956.

7. Vonsovski, V. Teoria modernă a magnetismului. Bucureşti, Editura tehnică, 1956

8. Wijn, H.P.J., Dullenkopf, P. Werkstoffe der Elecktrotchik. Berlin, Heidelberg, New York, Springer Verlag, 1965.

CAPITOLUL 8

ALIAJE CU MEMORIE A FORMEI

Aliajele cu memorie a formei fac parte din categoria materialelor noi, numite şi materialeavansate, care necesită un know-how, deopotrivă fizic, tehnologic şi aplicativ, pentru a putea exploatadin plin proprietăţile deosebite pe care le posedă. În ciuda unor costuri ridicate, faţă de materialeletradiţionale, cauzate fie de valoarea intrinsecă a materialelor, fie de tehnologia costisitoare utilizatăpentru obţinerea lor, fie de strategia producătorilor deţinători ai secretului de fabricaţie, materialeleavansate tind să se utilizeze tot mai mult. Folosirea aliajelor cu memorie a formei este favorizată defaptul că ele nu se utilizează, de obicei, în cantităţi mari, proprietăţile lor specifice fiind exploatate lacantităţi foarte mici de material.

Materialele cu efect de memorie a formei au fost descoperite în anul 1932, primele fiind aliajeneferoase din familiile Au-Cd, In-Tl şi Cu-Zn. O analiză amănunţită a acestor materiale s-a făcut abia înanii ’50, când în unele lucrări americane se explică legătura între comportarea acestor materiale şitransformarea martensitică reversibilă, făcându-se totodată şi unele consideraţii cristalografice[1].

Practic, istoria aliajelor cu memorie a formei a început în 1961, când cercetătorii de la NavalOrdonance Laboratory de Monterey, California, au încercat să obţină noi aliaje de titan, conţinândnichel[2].

În această perioadă, cu toate că transformările de fază de tip martensitic erau identificate înanumite aliaje metalice şi, în parte, deja explicate, proprietăţile de memorie a formei la aliajul Ni-Ti nuerau încă cunoscute.

Primul brevet în domeniu[3] a fost depus de Naval Ordonance Laboratory de Monterey şi noulmaterial s-a numit Nitinol. La începutul anului 1961 a apărut prima aplicaţie industrială a aliajului Ni-Ti, dezvoltată de compania Raychem. Ea se referea la manşonul Cryofit utilzat în aeronautică, careînlocuia sudurile şi era destinat să cupleze două tuburi de titan[2].

Însă, în ciuda câtorva dezvoltări în domeniile strategice (spaţial, militar, nuclear), foarte puţineaplicaţii s-au bazat pe o producţie de masă, iar dezvoltarea industrială a tehnologiei aliajelor cu memorieapare de abia în zilele noastre.

Treptat, aliajele cu memorie a formei au trezit un interes constant atât pentru oamenii de ştiinţăcât şi pentru industriaşi şi chiar pentru publicaţiile de specialitate. Cercetările asupra acestor materialesunt încă departe de a se fi încheiat. Deşi există cel puţin 20 de familii de aliaje cunoscute, careprezintă efectul de memorie a formei, în prezent numai 3 au importanţă comercială: nichel-titan(Ni-Ti), cupru-zinc-aluminiu (Cu-Zn-Al) şi cupru-aluminiu-nichel (Cu-Al-Ni).

Aliajele cu memorie a formei sunt materiale tipic funcţionale, fiind mai importante prin ceea cefac (să acţioneze) decât prin ceea ce sunt (o proprietate).

Proprietăţile funcţionale, care deosebesc aceste materiale de celelalte, sunt multiple: reluarea formei în mod liber: materialele cu memorie reiau forma lor iniţială când sunt

încălzite peste temperatura critică, după o deformare plastică, proprietate denumită “efect simplu dememorie a formei”. Această deformare plastică “aparentă” poate în acelaşi timp să apară spontan întimpul răcirii sub o temperatură critică, în urma unui proces de educare. Acest efect de deformarereversibilă se numeşte “efect de memorie în dublu sens” sau “efect dublu de memorie a formei”.

Amplitudinea efectului şi forţa dezvoltată depind mult de configuraţia elementului[1]. Astfel, laarcuri elicoidale realizate din aliaje cu memorie se dezvoltă forţe mici dar amplitudini mari, în timp ce laarcuri disc şi la bare se obţin forţe mari şi amplitudini mici;

reluarea formei în condiţii restrictive: elementul cu memorie este împiedicat să-şi modificeforma la încălzire şi, datorită acestui fapt, el produce o tensiune;

producerea de lucru mecanic (deplasare): o mişcare se opune tensiunii în timpul încălziriiavând astfel, un randament de lucru al elementului cu memorie;

Aliaje cu memorie a formei90

pseudoelasticitatea: deasupra unei temepraturi critice, este posibil să se stocheze o cantitatesemnificativă de energie potenţială datorată unei mari deformaţii reversibile[4, 5];

capacitatea mare de amortizare a vibraţiilor sub o temperatură critică.Toate aceste proprietăţi sunt legate de o transformare martensitică termoelastică cu un histerezis

relativ mic (de aproximativ 100C). Temperatura de transformare este foarte sensibilă cu compoziţiaaliajului şi poate fi aleasă între –1500C şi +1500C pentru sistemele de aliaje actuale Ni-Ti, Cu-Zn-Al,Cu-Al-Ni[6].

În cazurile în care efortul aplicat materialelor în stare martensitică este limitat, de 4% până la 8%în funcţie de aliaj, deformaţia se realizează prin reorientarea variantelor de martensită, înainte cadeformaţia clasică prin forfecare să intervină.

Datorită faptului că transformarea martensitică este fără difuzie, martensita se va modifica laîncălzire şi va trece la orientarea sa de origine, faza mamă, refăcându-şi astfel forma iniţială.

Deasupra unei temperaturi critice martensita va fi indusă mecanic, dând o mare deformaţiereversibilă (până la 15%). În sfârşit, când eşantionul este descărcat, martensita devine instabilă din punctde vedere termodinamic şi are loc transformarea inversă.

În final, marea capacitate de amortizare este dată de mobilitatea interfeţelor de martensită.“Noul” interes industrial (în comenzi) pentru aliajele cu memorie a formei este concentrat pe

principalele lor avantaje, comparativ cu alte sisteme de comandă capabile să îndeplinească aceleaşifuncţii. Avantajele utilizării aliajelor cu memorie a formei ca elemente active în dispozitivele deacţionare (în comenzi) sunt[6]:

dimensiuni reduse: o necesitate în domeniul roboţilor “multi-deget”; funcţionare fără interferenţă: benefic atât din punct de vedere mecanic cât şi electric; fiabilitate: elementul activ din aliaje cu memorie a formei conservă proprietăţile în faza sa

mamă/forma iniţială, chiar dacă el n-a mai funcţionat de câteva decenii.Unul dintre impedimentele care s-au ridicat, la început, în introducerea pe scară largă a aliajelor

cu memorie, l-a constituit preţul relativ ridicat cauzat atât de dificultăţile producerii materialului, dar maiales datorită răspândirii reduse. Cercetările efectuate pe parcurs au condus la obţinerea şi a unormateriale mai ieftine, care se bucură de bune perspective de utilizare în practică. Orientativ, se poatevorbi de preţuri care se situează între 0,1 până la 1 dolar pe gram, dar odată cu producerea lor pe scarăindustrială sunt perspective de reducere sensibilă a preţului[1].

Aliajele cu memorie a formei capătă pe zi ce trece o importanţă comercială tot mai mare.Datorită proprietăţilor lor unice şi comportamentului deosebit, ele pot furniza soluţii la multe problemeaplicative. Dificultăţile tehnice ale fabricării aliajelor cu memorie a formei au fost în mare partedepăşite, existând câteva companii care furnizează aceste aliaje la cerere şi în cantităţi industriale.Producătorii de echipamente beneficiază de un număr important de produse semifabricate cum ar fibare, sârme şi benzi sau produse finite ca arcuri elicoidale şi fire pentru diverse dispozitive de acţionare.Au fost scoase pe piaţă, cu succes, produse care folosesc efectul de memorie a formei, cum ar fi valvapentru duşuri, mecanismul de control al fluxului de aer pentru aparatele de aer condiţionat şi diversedispozitive de acţionare pentru îmbunătăţirea transmisiei automate şi pentru reducerea emisiilorpoluante la automobile. În mod continuu se descoperă aplicaţii noi, pe măsură ce inginerii acumuleazăexperienţa şi cunoştiinţele necesare folosirii aliajelor cu memorie a formei pentru rezolvareaproblemelor tehnice, de zi cu zi. Domeniul aplicaţiilor medicale, care folosesc exclusiv nichel-titan, esteîn prezent foarte activ şi se dezvoltă repede[7].

În ultimul timp, se constată un interes crescut pentru aceste materiale care au fost incluse înprogramele de cercetare şi realizare a materialelor cu proprietăţi deosebite, din numerose ţări. Astăzi,aceste materiale îşi găsesc locul în cele mai variate domenii ale vieţii economico-sociale, fiind utilizatecu succes în ramuri de vârf cum sunt medicina, construcţiile aerospaţiale, electrotehnica, electronica etc.

Aliaje cu memorie a formei 91

8.1 NOŢIUNI ELEMENTARE PRIVIND MATERIALELE METALICE

Materialele metalice pot fi metale sau aliaje metalice. Metalele au proprietăţi bine stabiliteşi, în general, cunoscute. Aliajele metalice sunt alcătuite din mai multe componente dintre care celpuţin una, care se găseşte în proporţia cea mai mare, este metal. Deşi în compoziţia unui aliaj aparfoarte multe componente, de obicei, se consideră că aliajul este format din acele componente care segăsesc în proporţii semnificative.

Proprietăţile unui aliaj metalic diferă, într-o măsură mai mare sau mai mică, de proprietăţilecomponentelor. De exempu, aliajele cu memorie a formei, care sunt aliaje metalice, prezintă caprincipală proprietate efectul de memorie a formei, care nu este întâlnit la nici unul dintre metaleleexistente şi deci, nici la cele care compun aliajele respective.

8.1.1 Structura cristalină a materialelor metaliceAtât metalele cât şi aliajele metalice au o structură cristalină, alcătuită din atomi repartizaţi,

în general, după o anumită legitate care se repetă tridimensional.Reţeaua cristalină spaţială exemplificată în figura 8.1.a se poate obţine prin alăturarea mai

multor celule elemetare, numite celule unitate (fig.8.1.b). Există mai multe tipuri de celuleelementare, dar cele mai întâlnite sunt cele prezentate în figura 8.2, în care este schiţată şidispunerea atomilor.

Majoritatea metalelor uzuale cristalizează în sistemele cubic şi hexagonal, cu următoareletipuri de reţele spaţiale: cubică cu volum centrat (CVC), figura 8.2.a, cubică cu feţe centrate (CFC),figura 8.2.b şi hexagonală compactă (HC), figura 8.2.c.

În realitate nu se obţin asemenea structuri perfecte decât atunci când se folosesc tehnici specialede elaborare, iar cristalele rezultate sunt filiforme şi se numesc whiskerşi. La majoritatea materialelormetalice structura cristalină nu este ideală, întâlnindu-se numeroase abateri de la distribuţia ordonată aatomilor. Abaterile de la structura perfectă a unui cristal se numesc imperfecţiuni sau defecte destructură. Sub aspect geometric se disting mai multe tipuri de defecte ale reţelei cristaline şi anume:punctiforme, liniare, de suprafaţă şi de volum. Defectele întâlnite la aliajele cu memorie sunt îndeosebide suprafaţă, asemănătoare cu suprafeţele de separare dintre macle. Maclarea constă în deplasări aleatomilor astfel încât în cristal să se formeze două sau mai multe părţi care au reţele simetrice una înraport cu cealaltă, aşa cum se poate observa în figura 8.3.a şi b.

Maclele apar ca urmare a existenţei, în cristal, aunor tensiuni interne de natură termică sau mecanică. Laaliajele cu memorie a formei, structura la temperaturăjoasă se caracterizează prin prezenţa unor defecte desuprafaţă, iar la temperatură înaltă prin existenţa unuiaranjament ordonat după o anumită legitate.

În figura 8.4 se prezintă un aranjament ordonat alatomilor, întâlnit la temperatură înaltă, iar în figura 8.5 se arată un aranjament atomic, caracterizatde prezenţa unor defecte de suprafaţă, întâlnit la temperatură joasă, în cazul unui aliaj cu memorie.

Fig. 8.1 Reţeaua spaţială (a) şicelula elementară (b) Fig. 8.2 Celule elementare caracteristice reţelelor metalelor

Fig. 8.3 Cristal ideal (a) şi cu maclă (b)


Fig. 8.4 Aranjament ordonat al atomilor întâlnit la aliajele cu memorie a formei:

a. aranjament spaţial; b. aranjament dinplanul A; c. aranjament atomic în planeledin faţa şi din spatele planului A

Fig. 8.5 Aranjament atomic întâlnit la temperatura joasă în aliajele cu memorie (A, B şi C, respectiv A', B' şi C' marchează natura

şi poziţiile ocupate de atomi)

8.1.2 Faze întâlnite în materialele metaliceÎn materialele metalice pot fi întâlnite una sau mai multe faze solide, cum sunt: elemente

chimic pure (metale pure), soluţii solide şi compuşi chimici (faze intermediare).Faza metal pur este alcătuită dintr-o singură specie de atomi şi se caracterizează printr-o

reţea cristalină specifică.Faza soluţie solidă este formată din mai multe specii de atomi amestecate intim, la scară atomică.

Caracteristica de bază a soluţiilor solide o constituie faptul că pot exista într-un interval de concentraţie.Structura cristalină a soluţiilor solide este identică cu structura unuia dintre elementele componente, numitcomponent de bază; această structură conţine atât atomii componentului de bază (dizolvantului) cât şiatomii celorlalţi componenţi (dizolvaţilor). Rezultă astfel, că o soluţie solidă se obţine prin pătrunderea, înreţeaua unui metal pur, a unor atomi de altă natură, numiţi atomi străini sau de aliere. Pătrunderea atomilorstrăini în reţeaua componentului de bază se poate realiza fie prin substituţie, fie prin pătrunderea îninterstiţii, rezultând astfel soluţii solide de substituţie, respectiv de inserţie.

Faza compus chimic (faza intermetalică) se formează atunci când atomi de specii diferite secombină chimic între ei. Caracteristic pentru compuşii chimici este faptul că posedă o structurăcristalină diferită de cea a elementelor constitutive.

8.2 TRANSFORMĂRI ÎN STARE SOLIDĂ ÎNTÂLNITE ŞI LA ALIAJELE CUMEMORIE A FORMEI

Un material metalic, fie el metal pur sau aliaj, poate avea structuri cristaline diferite, înfuncţie de temperatura sau presiunea la care se află, fenomen care poartă numele de alotropie saupolimorfism. Trecerea de la o stare caracterizată printr-o structură cristalină, la altă starecaracterizată printr-o altă structură cristalină se face în cursul unei transformări de fază, cel maifrecvent prin modificarea temperaturii. Analiza termodinamică arată că materialele metalice tind săadopte starea care le asigură energia liberă minimă. Dacă starea corespunzătoare energiei libereminime nu poate fi atinsă decât atunci când se foloseşte o energie de activare, atunci se spune cămaterialul se găseşte într-o stare metastabilă. O observaţie importantă se referă la faptul că, prinmodificarea temperaturii aliajelor metalice se pot obţine transformări de fază în stare solidă. Unexemplu binecunoscut se întâlneşte în cazul oţelurilor, fazele de la temperatura joasă (ferită +cementită = perlită, pentru un oţel cu 0,77% carbon) se transformă prin încălzire într-o fază nouă, latemperatura înaltă (austenita) şi care prin răcire se transformă din nou într-o fază la temperatura


joasă. Aceasta din urmă poate fi identică cu cele de la care s-a pornit sau poate să fie diferită deacestea, în funcţie de viteza de răcire aplicată.

Transformările în stare solidă ale materialelor metalice se pot desfăşura cu difuzie sau fărădifuzie. La transformările cu difuzie are loc deplasarea individuală a atomilor pe distanţe mari. Eaeste stimulată de creşterea temperaturii şi este cu atât mai intensă cu cât timpul de menţinere estemai ridicat. Transformările fără difuzie au loc prin deplasarea simultană şi coordonată a unui numărmare de atomi, pe distanţe ce nu depăşesc pe cele interatomice, fiind similară cu cea produsă prinmaclare. După transformare, un atom are aceiaşi atomi vecini ca şi în faza iniţială, numai căpoziţiile lor relative sunt diferite.

Una dintre cele mai importante transformări din materialele metalice este transformareamartensitică. Aceasta apare atât la aliajele feroase cât şi la cele neferoase şi se produce prin răcireala temperaturi scăzute a materialului care a fost încălzit la temperatura corespunzătoare fazei stabilela temperatură înaltă. Tratamentul chimic se numeşte călire. Transformarea martensitică decurgefără difuzie şi se realizează, de obicei, prin răcirea cu viteză ridicată, iar structura obţinută senumeşte martensită[8]. Martensita poate avea substructura de tipul în şipci, în cazul martensitei dinoţeluri, sau poate avea substructura alcătuită din macle, pentru care cel mai reprezentativ exemplu îlconstituie aliajele cu memorie. În figura 8.6 se arată comparativ aspectul schematizat al formăriimartensitei în şipci şi, respectiv, cu macle[1].

În general, transformarea martensiticăeste ireversibilă şi are loc numai la răcireamaterialului, când faza stabilă la temperaturăînaltă se transformă într-o fază stabilă latemperatură joasă, iar prin încălzire nu serestaurează faza stabilă la temperatură înaltă.Există însă unele cazuri în care transformareamartensitică este reversibilă; aceasta înseamnăcă la răcire se formează faza stabilă la temperatură joasă iar prin încălzire se formează faza stabilăla temperatură înaltă, de la care s-a pornit. O asemenea comportare este caracteristică pentru aliajelecu memorie a formei, la care martensita este alcătuită din macle interne. Analiza microscopică aunei asemenea transformări pune în evidenţă apariţia şi dispariţia martensitei prin răcirea şi,respectiv, încălzirea materialului cu memorie a formei. Transformarea martensitică se desfăşoarăîntr-un interval de temperatură în care, la atingerea unei temperaturi critice, numită Ms (martensităstart), începe formarea martensitei din faza stabilă la temperatură înaltă, iar la atingerea temperaturiiMf (martensită finish) formarea martensitei se desăvârşeşte. În mod similar se definesc şitemperaturile pentru transformarea inversă, martensită–fază mamă, care apare la transformareareversibilă. Temperatura As este temperatura la care începe să apară faza mamă, iar la temperaturaAf se încheie formarea acesteia[9,10]. Între temperaturile de transformare la răcire (Ms şi Mf) şi cele detransformare la încălzire (As şi Af) există un interval de temperatură, numit histerezis detransformare. La transformarea martensitică din oţeluri acest histerezis este de ordinul sutelor degrade, în timp ce la aliajele cu memorie acesta este cuprins între 50C şi 300C[1].

Transformarea martensitică se poate obţine nu numai prin activare termică ci şi prin activaretermomecanică şi anume prin efectul cumulat al scăderii temperaturii şi al exercitării unei solicităride natură mecanică. Ca rezultat, temperaturile de apariţie a martensitei, Ms şi Mf, vor fi deplasatespre valori mai ridicate. Martensita obţinută în acest mod se mai numeşte ”martensită indusătermomecanic”.

Pe baza noţiunilor elementare, privind structura şi transformările în stare solidă alematerialelor metalice prezentate pe scurt în §8.1 şi §8.2, se poate înţelege comportarea aliajelor cumemorie a formei care va fi detaliată în continuare şi care ani de zile, după descoperire, a fostprivită cu neîncredere chiar şi de specialişti.

Fig. 8.6 Aspectul schematic al martensiteiîn şipci (a) şi în plăci (b)


8.3 ASPECTE GENERALE PRIVIND MEMORIA FORMEI ŞI FENOMENELEASOCIATE

Aşa cum s-a precizat, aliajele cu memorie a formei au capacitatea de a reface forma avutăînaintea unei deformări, atunci când sunt încălzite la o anumită temperatură. Dacă privimcomparativ o probă dintr-un material obişnuit şi una dintr-un aliaj cu memorie a formei, se pot puneîn evidenţă diferenţele dintre comportările celor două materiale[1] (fig. 8.7).

În starea iniţială materialele au aceiaşi formă şi această similitudine se păstrează printr-odeformare corespunzătoare. Prin încălzire, forma probei din materialul obişnuit nu se modifică, întimp ce proba din aliajul cu memorie revine la forma iniţială.

Dacă se reprezintă grafic curbele tensiune () în funcţie de deformaţie (), pentru cele douămateriale, se obţine figura 8.8. Se observă din această figură că, dacă materialele sunt supuse unorsolicitări care se materializează printr-o stare de tensiune, acestea se deformează. Dacă materialeleau fost deformate în domeniul plastic, prin încetarea acţiunii solicitării se reduce starea de tensiunedin materiale până la anularea ei, dar ambele păstrează o deformaţie permanentă (p).

Încălzirea în această fază a celor două eşantioane dă rezultate diferite, astfel: materialulclasic îşi păstrează deformaţia permanentă moştenită, pe când aliajul cu memorie recuperează şiaceastă deformaţie. Recuperarea nu are loc spontan; ea se desfăşoară progresiv, pe măsura creşteriitemperaturii.

Efectul de memorie a formei este strâns legat de transformarea martensitică şi, din aceastăcauză, el mai este numit şi efectul ”marmem”. Acest cuvânt provine de la alăturarea primelorsilabe ale cuvintelor ”martensite, memory”. În subcapitolul precedent s-a arătat că aceastătransformare se desfăşoară între două faze stabile la temperaturi diferite. La aliajele cu memorie aformei este foarte importantă cunoaşterea temperaturilor la care o fază se transformă în altă fază.Astfel, faza stabilă la temperatura joasă poartă numele de martensită, iar cea stabilă la temperaturaridicată poartă numele de fază mamă sau, prin analogie cu transformarea martensitică de la oţeluri,se mai numeşte şi austenită.

În anul 1972, cercetătorii Wayman şi Shimizu au concretizat concluziile formulate decercetătorul japonez Otsuka şi au stabilit condiţiile care trebuie îndeplinite în cazul aliajelor cumemorie a formei. Aceste condiţii sunt:

transformarea martensitică să fie termoelastică şi reversibilă. Aceasta înseamnă că, pede o parte, martensita se formează la răcire treptat, din faza mamă şi se află într-un echilibrutermodinamic permanent cu aceasta, iar pe de altă parte, că, datorită acestui echilibru termodinamic,este posibilă oricând revenirea în faza mamă, prin simpla ridicare a temperaturii. La nivel atomic şiîn baza celor arătate în subcapitolul precedent structura se transformă de manieră reversibilă, aşacum se arată în figura 8.9;

să existe macle interne în structură. Spre deosebire de structura martensitică obţinutăprin alunecare (întâlnită la oţeluri), cea obţinută prin maclare prezintă câteva particularităţi

Fig. 8.7 Comparaţie între comportarea unuimaterial obişnuit şi cea a unui aliaj cu memorie

Fig. 8.8 Curbele tensiune-deformaţie pentru unaliaj obişnuit şi pentru un aliaj cumemorie


semnificative. Una dintre cele mai importante, definitorie pentru comportarea aliajelor cu memorie,este dată de apariţia grupurilor de plăci de martensită autoaranjate. S-a arătat în subcapitolulprecedent că apariţia martensitei, la răcirea din faza mamă, este însoţită de o deformaţie. Aceastădeformaţie nu este însă semnificativă tocmai datorită acestor plăci autoaranjate. Să vedem însă, încontinuare, cum apar aceste plăci şi ce importanţă au ele.

Pentru simplificare se consideră cazul unui monocristal de fază mamă. Prin răcirea sa, pot săapară mai multe posibilităţi de orientare a plăcilor de martensită formată. Acestea se numesc ”variante”.

Variantele sunt legate între ele prin legături de tip maclă, iar apariţia lor este echiprobabilă.Fiecare dintre ele provoacă o deformaţie importantă faţă de faza mamă din care provine şi astfel, artrebui ca la răcirea monocristalului de fază mamă să se producă şi o deformaţie semnificativă. Acestlucru nu se întâmplă deoarece variantele apar şi se autoaranjează de aşa manieră încât să îşicompenseze reciproc efectele. Singura deformaţie care se poate observa apare la nivelul suprafeţeimaterialului, unde sunt vizibile rizuri foarte fine[11].

În figura 8.10 se arată apariţia unei martensite compuse din două variante, care preiaudeformaţia transformării. Dacă o astfel de martensită este deformată, ca urmare a acţiunii unei forţe,are loc creşterea volumului acelei variante care este orientată mai convenabil faţă de tensiuneainternă indusă de forţa exterioară.

În figura 8.11.a se arată creşterea variantei de martensită notată cu 1, iar în figura 8.11.b searată creşterea variantei de martensită notată cu 2. Fenomenul de creştere a unei variante favorizatede martensită pe seama reducerii altei variante, orientată neconvenabil faţă de solicitarea externă, senumeşte coalescenţa variantelor de martensită[1]. Ea apare la deformarea aliajului cu memorie şiexistenţa ei este posibilă tocmai datorită faptului că martensita este alcătuită din macle interne;

Fig. 8.11 Coalescenţa variantelor de martensită la deformare

să existe un aranjament ordonat al atomilor în faza mamă. Prin aceasta se favorizeazăreîntoarcerea atomilor pe poziţiile iniţiale, avute în faza mamă, înaintea transformării martensitice şia deformării. Să ne imaginăm o fază mamă, stabilă la temperatură înaltă, care se bucură de unaranjament ordonat al atomilor. Prin răcire se strică acest aranjament şi se formează varianteleautoaranjate, caracteristice structurii martensitice. Aranjamentul este din nou modificat prindeformarea plastică a martensitei. Prin încălzire, datorită transformării martensitice reversibile, setinde la refacerea aranjamentului atomic corespunzător fazei mamă. Deoarece această fază secaracterizează prin aranjamentul ordonat, amintit anterior, există doar o singură cale de revenire aatomilor în poziţia iniţială. Ca urmare, prin demaclarea structurii se produce recuperarea formei.

Fig. 8.9 Aspectul schematic al transformăriimartensitice reversibile

Fig. 8.10 Apariţia variantelorautoaranjate de martensită


O mare importanţă în analizarea şi utilizarea aliajelor cu memorie a formei o are cunoaştereatemperaturilor de transformare martensitică. Aceasta permite stabilirea temperaturii la carematerialul se află în stare martensitică şi se poate deforma astfel încât, la temperaturilecorespunzătoare transformării inverse, să îşi recupereze forma. Figura 8.12 reprezintă o sinteză aparticularităţilor fenomenului de memorie a formei, reprezentată în funcţie de temperatură[1].

Răcirea unui eşantion dintr-un aliaj cu memorie provoacă, la atingerea temperaturii Ms

(specifică materialului), apariţia martensitei. În intervalul de temperatură Ms-Mf continuă formareamartensitei, care se desăvârşeşte la atingerea temperaturii Mf. Sub această temperatură, deşi nu s-aprodus nici o modificare a formei eşantionului, pe suprafaţa sa apar rizuri care indică existenţavariantelor autoaranjate.

Fig. 8.12 Ilustrarea efectului de memorie a formei[1]

Deformarea materialului la această temperatură provoacă o modificare atât a formei eşantionului câtşi a structurii acestuia, prin coalescenţa variantelor de martensită formate la răcire

Materialul, în faza martensitică de la temperatura joasă, poate fi deformat fără a fi necesară oforţă prea mare, deoarece interfeţele variantelor de martensită necesită solicitări mici pentru a aluneca.

Încălzirea nu provoacă nici un fel de modificări până la atingerea temperaturii As. Din acestmoment, creşterea temperaturii provoacă, în acelaşi timp, o modificare a formei şi a structuriieşantionului, care tind să se apropie din ce în ce mai mult de cele corespunzătoare stăriinedeformate. La atingerea temperaturii Af, atât forma cât şi structura corespund celei avute în fazamamă de la care s-a pornit. Legat de temperaturile de transformare se impun câteva precizări caretrebuie avute în vedere la utilizarea acestor materiale. O primă precizare se referă la faptul că formala care materialul va reveni prin încălzire se stabileşte şi se realizează fie înaintea călirii, pentruinducerea transformării martensitice, fie la temperatura corespunzătoare fazei mamă. Oricedeformare care are loc sub temperatura la care se formează martensita este ”uitată” prin încălzire.A doua precizare se referă la valoarea temperaturilor de transformare. Acestea depind în cea maimare parte de compoziţia chimică a materialului şi într-o măsură mai mică de tehnologiatratamentului termomecanic aplicat. Valorile pentru temperaturile de transformare se situează, îngeneral, între –2000C şi +2500C şi deci, în unele cazuri, se poate vorbi de încălzire la valorinegative ale temperaturii (de exemplu de la –500C la –300C).

Efectul de memorie a formei prezentat se mai numeşte şi efect simplu de memorie a formei(sau în sens unic), din cauză că poate fi pus în evidenţă doar prin încălzire. În acest caz, aşa cum s-aarătat, răcirea nu provoacă nici o modificare a formei şi de fiecare dată este necesară deformarea, caurmare a unei acţiuni externe, pentru ca efectul de memorie să poată fi utilizat.

În afară de reluarea formei la încălzire se poate vorbi în cazul acestor materiale şi de reluareaformei şi la răcire, în acest caz având de a face cu efectul dublu de memorie a formei. Materialele


nu posedă această proprietate în mod implicit, dar o pot dobândi dacă sunt învăţate în acest sens încadrul unui proces numit educare.În acest capitol se tratează efectul simplu şi dublu de memorie a formei, efectul complet reversibil,histerezisul de transformare, capacitatea de amortizare a vibraţiilor şi probleme legate dedeteriorarea efectului de memorie a formei. De asemenea, se explică comportamentul mecanic alaliajelor cu memorie, modul de îmbinare al acestora şi se prezintă cele mai utilizate familii de aliaje.

8.4 EFECTUL SIMPLU DE MEMORIE A FORMEI

După cum rezultă din figura 8.13, aliajele cu memorie a formei au capacitatea de a suferi omodificare a formei la o temperatură joasă sub acţiunea unei forţe şi de a păstra această formă pânăcând sunt încălzite, moment în care revin la forma iniţială[1]. Această schimbare de formă are loc caurmare a modificării structurii cristaline a aliajului.

Să luăm ca exemplu aliajul nichel-titan, a cărui structură cristalină la temperatură înaltă,numită austenită, este cubică. După răcire, aliajul adoptă o structură numită martensită, cu o reţeamonoclinică care în plan seamănă cu un paralelogram (fig. 8.3.a).

Când un aliaj cu memorie a formei este răcit, atomii nu se înclină toţi în aceeaşi direcţie,după cum ne-am aştepta, ci se formează şiruri de atomi înclinate alternativ la stânga sau la dreapta(fig. 8.3.b).

De remarcat că oricare 4 atomi vecini, din structura la temperatură joasă, sunt aranjaţi înformă de paralelogram în cazul structurii martensitice.

Fenomenul prezentat în figura 8.3.b se numeşte maclare, deoarece atomii sunt aşezaţisimetric în raport cu un plan, numit plan de simetrie.

Când se aplică o forţă asupra aliajului acesta se deformează pe măsură ce atomii, aşezaţisimetric în raport cu planul de simetrie, sunt reorientaţi în aceeaşi direcţie

În acest proces numit demaclare forţa necesară pentru a reorienta atomii este relativ mică.Dacă aliajul este apoi încălzit, martensita deformată revine la austenită, iar piesa îşi recapătă

forma inţială, deoarece poziţiile iniţiale ale atomilor sunt cunoscute în faza de austenită. Întregulproces este rezumat în figura 8.14.

Trebuie să spunem că descrierea în plan a efectului simplu de memorie a formei, prezentatămai sus, este mult simplificată faţă de fenomenul real, dar este un model adecvat pentru majoritateascopurilor de proiectare.

8.5 EFECTUL DUBLU DE MEMORIE A FORMEI

Până acum am discutat numai de aliaje care prezintă efectul de memorie a formei într-unsingur sens; după cum se vede în figura 8.14 forma de austenită de la temperatura înaltă esterecuperată automat la încălzire, dar este necesară aplicarea unei forţe în starea martensitică pentru adeforma aliajul la temperatură joasă. Este posibilă obţinerea unui efect de memorie a formei în

Fig. 8.13 Îndoirea unui fir din aliajcu memorie a formei

Fig. 8.14 Transformarea structuralăîntre temperatura înaltă şi cea joasă


dublu sens, prin care elementul cu memorie revine la răcire la forma de la temperatura joasă, iar laîncălzire la forma de la temperatura înaltă. Acest comportament este numit efect de memorie aformei în dublu sens sau efect de memorie a formei reversibil, după cum se vede în figura 8.15,pentru un arc elicoidal[1].

De remarcat că, în cazul ambelor efecte de memorie,numai în timpul încălzirii se generează lucru mecanic (adică forţăşi deplasare). În timpul răcirii aliajului cu efectul de memorie îndublu sens, acesta îşi recapătă forma de la temperatura joasă fărăa putea furniza forţă unor componente externe.

Efectul dublu de memorie a formei prezintă avantajulcă permite materialului să treacă spontan de la o formă la alta,atât prin încălzire cât şi prin răcire, atunci când temperaturaatinge valorile de transformare corespunzătoare.Aceasta înseamnă că nu mai este nevoie de o intervenţieexternă pentru deformarea materialului şi astfel perspectivele de utilizare sunt mult mai favorabile.

Este de remarcat în acest caz faptul că, în plus, faţă de cele prezentate anterior, materialuladoptă o formă corespunzătoare şi la răcire. La atingerea temperaturii Ms începe recuperarea formeila răcire şi aceasta se desăvârşeşte la atingerea temperaturii Mf

[2].Această comportare este intens studiată şi cercetată în ultimii ani, atât pentru elucidarea

mecanismului care guvernează efectul dublu de memorie, cât şi în ceea ce priveşte obţinerea şiutilizarea sa. Cert este că materialele care prezintă efectul simplu de memorie a formei nu prezintăimplicit şi efectul dublu. Pentru obţinerea acestui efect este necesară învăţarea materialului în cadrulunui proces numit educare.

Educarea pentru obţinerea efectului dublu de memorie a formei presupune efectuarea unorcicluri termomecanice asupra materialului. Acestea constau, în general, în încălzirea şi răcirea repetată amaterialului, căruia i s-a impus o anumită solicitare. Explicaţia, în cazul efectului dublu de memorie aformei, este tot de natură microstructurală şi cristalografică. În cazul efectului simplu de memorie aformei s-a arătat că acesta apare la transformarea din faza martensitică în faza mamă, datorită ordiniiatomice existente în faza mamă şi care nu lasă decât o singură posibilitate de rearanjare a atomilor.Pentru reluarea formei la răcire, problema este puţin mai dificilă şi aceasta din cauză că există mai multeposibilităţi de orientare a variantelor de martensită formate. De exemplu, pentru o fază mamă custructura cubică (cazul cel mai întâlnit la aliajele cu memorie uzuale) există 24 de posibilităţi detransformare în martensită. Toate aceste posibilităţi sunt, aşa cum s-a arătat, echiprobabile şi de aceeatransformarea la răcire nu se desfăşoară întotdeauna pe aceeaşi cale. Scopul tratamentului termomecanicde educare este de a forma o variantă favorizată de martensită, care să ia naştere la răcire. În felul acestamaterialul este obligat să adopte un aranjament atomic la încălzire şi este “ajutat” să adopte un singuraranjament atomic şi la răcire. O imagine sugestivă a acestui tratament de educare se poate formulagândindu-ne la un călător care ajunge la o bifurcaţie din care se desprind mai multe drumuri şi la capătulcărora se află acelaşi rezultat. Dacă acest călător este condus de mai multe ori pe acelaşi drum, defiecare dată când se va întoarce la aceeaşi bifurcaţie, el va alege calea pe care o cunoaşte, pentru căaceasta este calea bătută, cu care el s-a “obişnuit”[2].

Analizele microstructurale efectuate pe variante particulare prezintă teorii diverse cu privirela formarea variantelor favorizate de martensită. Cele mai probabile ipoteze presupun că în timpuleducării apar, fie o martensită reziduală (rămasă netransformată la încălzire), fie defecte în structurăşi care favorizează ulterior dezvoltarea doar a unei variante de martensită. Ipoteza prezenţeimartensitei reziduale porneşte de la unele observaţii care arată posibilitatea de existenţă a unorformaţiuni de martensită şi la temperaturi mai mari decât temperatura Af, unde ele ar trebui sădispară. Aceste formaţiuni se dezvoltă în continuare, fiind întotdeauna aceleaşi. Ipoteza, privindexistenţa unor defecte de structură orientate, pleacă de la observaţia că transformarea martensiticăproduce defecte în structura fazei mamă şi, la răcire, pe aceste defecte iau naştere variantele demartensită favorizate.

Fig. 8.15 Efectul dublu de memorie


8.6 EFECTUL DE MEMORIE COMPLET REVERSIBIL

Efectul de memorie complet reversibil diferă de efectul în dublu sens prin următoarelecaracteristici:

1. este posibilă o modificare mai mare a formei;2. formele de temperatură joasă şi înaltă sunt fiecare inversul celeilalte, deci este posibilă o

inversare completă a curburii în cazul unei benzi cu memorie a formei. Se poate obţine un aliaj cu efect de memorie complet reversibil dintr-un aliaj cu compoziţia

50,5% atomi Ni, restul Ti, prin solicitarea aliajului în forma sa de la temperatura înaltă şiîmbătrânirea la o temperatură de 400°C, timp de 50 de ore[1].

Figura 8.16 ilustrează efectul de memorie complet reversibil.De remarcat că, datorită proceselor suplimentare necesare

precum şi lipsei de fiabilitate a aliajelor cu efect de memorie îndublu sens şi complet reversibil, ele nu sunt folosite de regulă pentrua furniza deplasare în direcţie inversă. De aceea se foloseşte o forţă”ajutătoare” externă pentru a deforma elementul cu memorie aformei la temperatură joasă, iar efectul în dublu sens ajută la scăderea valorii forţei necesare acesteideformări.

8.7 CAPACITATEA DE AMORTIZARE A VIBRAŢIILOR LA ALIAJELE CUMEMORIE A FORMEI

Datorită comportării microstructurale deosebite, aliajele cu memorie prezintă cea mairidicată capacitate de amortizare a vibraţiilor dintre toate materialele metalice. Amortizarea esteneliniară şi independentă de frecvenţă. De altfel, această proprietate pare să fie sensibilă la variaţiilede temperatură şi la antecedentele de ciclare termică. Aliajele cu memorie a formei, luate în condiţiide temperatură corespunzătoare fazei martensitice sau bifazei austenită-martensită, prezintă ocapacitate sporită de amortizare a şocurilor sau de atenuare a vibraţiilor mecanice. Frecarea internăimportantă este dată de disiparea energiei mecanice de excitaţie la nivelul interfeţei dintre variante,în cazul unui material martensitic sau la nivelul interfeţei austenită-mertensită, în cazul unuimaterial bifazic[6].

Până în prezent, însă, nu sunt foarte clar elucidate nici aspectele privind comportareaefectivă în diverse condiţii şi nici mecanismele prin care se realizează amortizarea.

8.8 COMPORTAMENTUL DE HISTEREZIS

Datorită proceselor care au loc la scară atomică ia naştere un histerezis termic. Cu altecuvinte, transformarea austenitei în martensită (reacţia "directă") are loc la o temperatură mai micădecât transformarea martensitei în austenită. În figura 8.17, la o temperatură mai mică decât Mf,aliajul este 100% martensită. Dacă este încălzit, va atingeo temperatură As, la care începe formarea austenitei.Încălzit în continuare aliajul revine la 100% austenităcând a atins temperatura Af. La răcire, formareamartensitei începe la temperatura Ms şi se termină latemperatura Mf

[1, 7].

Este important să observăm că valorile absoluteale temperaturilor de transformare, lărgimea şi formahisterezisului depind în mare măsură de compoziţia şiprelucrarea aliajului. Majoritatea aliajelor cu memorie a

Fig. 8.16 Efectul de memorie aformei complet reversibil

Fig. 8.17 Histerezis de temperatură


formei au lăţimea buclei de histerezis de 10500C, cu excepţia unor aliaje cu histerezis largfabricate pentru aplicaţii speciale[1].

Principala cauză a histerezisului este frecarea internă provocată de deplasarea interfeţeloraustenită - martensită şi de apariţia defectelor structurale în reţeaua cristalină a aliajului.

8.9 EFECTUL TIP CAUCIUC

Acest efect se manifestă la temperatura ambiantă şi se caracterizează printr-o elasticitatedeosebită, cauzată tocmai de particularităţile martensitei. Se evidenţiază prin acţionarea asupramaterialului cu o anumită forţă şi, ca urmare, acesta se deformează, iar prin înlăturarea forţei,materialul revine la forma iniţială. În general, la materialele ductile obişnuite, după depăşirea uneianumite valori a solicitării, specifică materialului, prin înlăturarea solicitării materialul rămânedeformat, iar valoarea deformaţiei este mai mică decât cea atinsă în timpul solicitării. Deformaţiaînregistrată se numeşte deformaţie remanentă (permanentă).

În cazul efectului tip cauciuc comportarea este ilustrată în figura 8.18[1]. Apare şi aici odeformaţie remanentă rε şi, dacă în această stare aliajul cu memorie este din nou solicitat, seconstată existenţa unei corelaţii între solicitare şi deformaţie, în sensul că aceeaşi forţă produceaproximativ aceeaşi deformaţie (rezultă forma de fus a diagramei), iar prin suprimarea solicitării seobţine aceeaşi deformaţie remanentă rε .

Aspectul martensitei[1] este prezentat în figura 8.19 (cu referiri la figura 8.18). Pentru poziţianotată cu I pe diagramă, materialul prezintă o structură martensitică, exemplificată pentru cazul uneimartensite compusă din două variante.

Fig. 8.18 Efectul tip cauciuc Fig. 8.19 Evoluţia variantelor de martensităla comportarea de tip cauciuc

Pentru poziţia II de pe diagramă, ca urmare a solicitării, s-a dezvoltat varinta notată cu 1 (favorizatăde solicitarea aplicată), în detrimentul variantei 2. La suprimarea solicitării, apare o uşoară revenirea interfeţelor dintre variante şi deci, se reface varianta 2 pe seama variantei 1, fapt care provoacă orecuperare parţială a formei, mai mare decât cea care se întâlneşte în mod obişnuit la materialeleclasice. Dacă materialul este apoi, din nou, solicitat şi descărcat, această deformaţie remanentăcreşte[2]. Această proprietate este dată de faptul că, sub acţiunea solicitării mecanice, variantele demartensită alunecă unele în raport cu altele. La retragerea solicitării, revenirea variantelor nu estedecât parţială, de unde şi apariţia deformaţiei remanente.

Şi aici trebuie făcute câteva observaţii. Efectul tip cauciuc apare la aliajele cu memorieaflate la temperatura corespunzătoare fazei martensitice şi în stare predeformată. De asemenea, sereaminteşte că recuperarea totală a deformaţiei are loc prin încălzire şi deci, se poate vorbi de orecuperare parţială a formei, ca urmare a elasticităţii, înainte de încălzire, completată de orecuperare finală, ca urmare a efectului de memorie a formei, prin încălzire.

8.10 COMPORTAREA SUPERELASTICĂ

Superelasticitatea reprezintă o altă comportare particulară interesantă a aliajelor cu memoriea formei a cărei origine rezidă tot din transformarea martensitică. Aceasta se manifestă latemperaturi corespunzătoare fazei mamă prin apariţia, sub acţiunea unei solicitări, a unei deformaţii


reversibile neobişnuit de mari, echivalentă ca ordin de mărime cu cea care se poate obţine prinefectul de memorie a formei.

Superelasticitatea poate fi definită, deci, ca o capacitate a anumitor aliaje de a reveni laforma lor iniţială ca urmare a unei descărcări, după ce le-a fost aplicată o deformare substanţială.

Efectul superelastic are loc în condiţii de temperatură constantă. Când un aliaj cu memorie aformei este deformat peste temperatura Af şi sub Md (temperatura deasupra căreia nu se maiformează martensita indusă mecanic), se formează martensita indusă mecanic. Când aliajul estedescărcat, martensita devine instabilă, iar aliajul revine la austenită şi deci la forma sa iniţială.Comportamentul, tensiune-deformaţie, este ilustrat în figura 8.20.

Parametrii caracteristici, arătaţi în figura 8.20, sunt tensiunile corespunzătoare palierului laîncărcare, palierului la descărcare şi deformaţia totală. Curba de descărcare apare la o tensiune maimică datorită histerezisului de transformare (adică energia este necesară revenirii totale amaterialului înapoi la austenită), care este apropiat de histerezisul termic întâlnit în comportamentulde memorie a formei.

Palierul la încărcare este rezultatul acomodării martensitei la aplicarea tensiunii, prindezvoltarea unei variante cristalografice de maclă înclinată mult mai favorabil faţă de solicitareamecanică aplicată. Deformaţia de-a lungul palierului la încărcare apare datorită creşterii benzilorLuder (zone cu cea mai înaltă deformaţie) în lungime, până la lungimea maximă corespunzătoareelementului superelastic.

Cele două paliere relevă faptul că, modificări foarte mici ale solicităţii conduc la deformaţiimari. Altfel spus, se pot exercita forţe de natură elastică şi de valoare aproximativ constantă chiar încondiţiile în care apar deformaţii semnificative.

Să considerăm, de exemplu, cazul unor fire utilizate în ortodonţie, la corectarea danturii.Dacă se folosesc materiale fără comportare superelastică, atunci, după asigurarea forţei iniţialecorective, este necesară ajustarea periodică datorită faptului că, pe măsura corectării danturii, forţaexercitată iniţial scade. Aliajele cu memorie cu comportare superelastică au avantajul de a asiguradupă întindere (palierul la încărcare), o forţă aproximativ constantă pe un interval larg de deformare(palierul la descărcare), nemaifiind necesară ajustarea periodică[1].

Comportarea microstructurală prezintă câteva particularităţi interesante. Deşi se lucrează cumaterialul aflat la temperatura fazei mamă, datorită tensiunii care ia naştere, ca urmare a solicitării,se induce transformarea martensitică şi deci, structura care asigură comportarea superelastică estede natură martensitică. Pentru a înţelege mai bine cum este posibilă apariţia martensitei, latemperatura la care ar trebui sa existe faza mamă, trebuie avută în vedere relaţia termodinamică alui Clausius-Clapeyron. Privită în mod simplist, această relaţie ne arată că valoarea temperaturilorde transformare depinde de unii factori externi. De exemplu, apa fierbe la temperaturi diferite înfuncţie de presiunea la care se află. Astfel, la presiuni înalte, apa fierbe la temperaturi mai ridicatedecât temperatura de 1000C, cunoscută ca şi temperatura de fierbere a apei la presiunea atmosferică.Extrapolând aceste observaţii pentru cazul aliajelor cu memorie se poate arăta că, datorită solicităriimaterialului, se introduce o stare de tensiuni în acesta, care duce la modificarea temperaturii detransformare în martensită şi, deci, la apariţia ei acolo unde, în condiţii normale, nu exista (analog,pe baza exemplului anterior, la presiuni ridicate se găseşte apă şi la temperaturi de peste 1000C,când în condiţii normale ar trebui să existe doar vapori). Din momentul apariţiei martensitei, aceastase deformează în continuare datorită solicitărilor, însă mult mai uşor, pentru că interfeţelevariantelor de martensită necesită solicitări mai mici pentru deformare decât cele iniţiale, necesarepentru obţinerea martensitei din faza mamă[1]. La reducerea solicitării, apare o tendinţă de refacere astructurii (se tinde spre faza mamă, care în absenţa solicitării este stăpână în domeniul detemperatură situat peste temperatura Af).

Se subliniază importanţa alegerii materialului cu anumite valori pentru temperaturile detransformare. Pentru exemplul prezentat anterior, cu firele utilizate în ortodonţie, este necesarăalegerea unui material care să aibă temperatura de transformare Af, situată sub temperatura deutilizare de 360C (temperatura corpului uman). Mai mult decât atât, trebuie avut în vedere şi faptul


că, în cavitatea bucală, temperatura poate varia în limite mult mai largi şi astfel, se impun analize şiprecauţii suplimentare. Totodată, forţa iniţială de deformare trebuie să asigure modificarea structuriimaterialului (obţinerea structurii martensitice) deoarece, în caz contrar, materialul ar avea ocomportare asemănătoare cu cea a unui material obişnuit.

Figura 8.21 defineşte intervalul de temperatură corespunzător comportamentuluisuperelastic, interval cunoscut sub denumirea de ”fereastră superelastică”.

În partea stângă a figurii 8.21 deformaţia plastică este mare datorită transformăriimartensitice asociată cu efectul de memorie a formei (adică, se poate recupera prin încălzire pesteAf). În dreapta punctului de minim există o zonă relativ plată, care defineşte fereastra superelastică,în care deformaţia plastică permanentă este mică. În partea dreaptă a acestei zone, deformaţiaplastică permanentă creşte alarmant şi deci nu este acceptată pentru aplicaţiile superelastice.

S-a descoperit că există un optim al deformării pentru obţinerea unui maxim de energiestocată. Acest efect a fost observat la ambele aliaje, Ni-Ti şi Cu-Zn-Al. Pentru aliajul Ni-Ti, cu50,8% atomi de Ni, recopt la 3750C timp de 30 minute, după ce a fost prelucrat la rece în proporţiede 40%, deformaţia optimă a fost de 6%[6]. Cea mai largă fereastră superelastică obţinută pentrualiajul Ni-Ti este la 800C[7].

Una dintre cele mai eficiente modalităţi de mărire a ferestrelor superelastice este creşterearezistenţei mecanice austenitice a aliajului. Aceasta întârzie debutul deformării permanente şi, prinurmare, creşterea temperaturii Md. Prelucrarea firului superelastic de Ni-Ti se face prin răcireamaterialului, urmată de recuperarea prin călire. Prin micşorarea temperaturii de călire este posibilăcreşterea rezistenţei austenitice. Aceasta conduce la paliere[8] de tensiune superelastice ridicate.

Efectul de reţea al micşorării temperaturii de călire înseamnă reducerea deformării plastice (care dăo fereastră mai largă), o mai mare rigiditate şi o mai mare capacitate de stocare a energiei; singurulefect negativ este descreşterea ductibilităţii[6]. Coborârea temperaturii de călire reduce de asemeneaMs, care deplasează ferestrele superelastice către temperaturi joase.

Aplicaţiile superelasticităţiiCele mai uzuale aplicaţii ale materialului superelastic Ni-Ti sunt legate de corpul uman. Prima

aplicaţie a fost în ortodonţie[8]. Folosind firul superelastic se reduce nevoia de strângere şi ajustare afirului, datorită creşterii intervalului elastic, comparativ cu un material convenţional, cum ar fi oţelulinoxidabil. În plus, forţa constantă pe perioada descărcării asigură confortul pacientului. Arcurileelicoidale superelastice sunt, de asemenea, folosite în ortodonţie pentru închiderea sau deschidereazonelor de extracţie şi pentru asigurarea unei mai mari eficienţe în deplasarea dintelui[11].

Localizatorul cu ac din fir superelastic Homer Mammalok™ (Mitek Surgical Products) esteun cârlig dintr-un fir superelastic utilizat să localizeze şi să marcheze tumorile la sân pentru caintervenţia chirurgicală să fie mult mai exactă şi mai puţin agresivă.

O altă aplicaţie în medicină o constituie firul de ghidare, care este introdus în vasele desânge folosind drept ghid pentru sonde. În aceste aplicaţii aliajul Ni-Ti oferă cea mai marerezistenţă şi flexibilitate la îndoire, faţă de cazul utilizării oţelului inoxidabil sau a titanului[12]. În

8%D

EFO

RM

AŢ

IA%

Fig. 8.21 ”Fereastră” superelastică[5]Fig. 8.20 Graficul tensiune-deformaţie la comportarea superelastică


această aplicaţie liniaritatea firului este foarte importantă pentru transmiterea optimă a unei mişcăride rotaţie[5]. Aceasta constă în translatarea integrală a rotaţiei de la un capăt al firului, la celalalt.Pentru a îndeplini aceste cerinţe firele superelastice din Ni-Ti pot fi tratate termic pentru setareaformei. Recent, a fost descoperită ancora de legătură[13] utilizată pentru refacerea ligamentelor laoase. Această metodă este mai puţin agresivă decât metoda din chirurgia clasică care utilizeazăşuruburi mari din oţel inoxidabil.

Alte aplicaţii se referă la ramele de ochelari Autoflex™, fabricate de Marchon, care aucomponente din Ni-Ti ce permit adaptarea profilului elementelor de susţinere [14]. În aplicaţiilesuperelastice, aliajele Ni-Ti sunt, în general, preferate în detrimentul celor pe bază de Cu, deoareceau rezistenţă la coroziune, biocompatibilitate, deplasări superelastice şi durată de viaţă la oboseală,mari[7]. Au fost identificate şi alte domenii în care utilizarea aliajelor cu memorie superelastice săconducă la simplificarea construcţiei, la mărirea duratei de viaţă a subansamblului din care faceparte elementul cu memorie, la obţinerea unor deformaţii superelastice dorite în condiţiilemenţinerii unei tensiuni aproximativ constante[15].

8.11 PROIECTAREA ARCULUI DE COMPRESIUNE

Pentru proiectarea arcului de compresiune se vor parcuge mai mulţi paşi.

Pasul 1. Ca în proiectarea oricărui arc elicoidal şi aici, diametrul sârmei d, din care se vaconfecţiona arcul, se calculează cu formula:

cπT8Wpc

d , (8.1)

în care:p = forţa exercitată de arc;c = indexul arcului;Tc= tensiunea de forfecare maximă, corectată pentru curbura spiralei;W= factorul de corecţie Wahl, dat de expresia:

c

615,0

4c4

1c4W

. (8.2)

Pentru cele mai uzuale aliaje cu memorie a formei, de obicei, se păstrează indexul arcului(diametrul mediu al arcului raportat la diametrul sârmei) la o valoare cuprinsă între 6 şi 10. Pentruexemplul prezentat se va utiliza indexul 6. Pentru o durată la oboseală mare, valoarea lui Tc se vapăstra relativ mică; valoarea care se va considera aici va fi de 140 MPa. Se presupune că se cere unarc din Ni-Ti, care va genera o forţă de 4,5 N şi o cursă de 12 mm, la temperatura ridicatǎ. Cu c = 6,se poate calcula valoarea factorului de corecţie Wahl:

c

615,0

4c4

1c4W

= 1,2525 . (8.3)

Având valorile:p = 4,5 N;c = 6;Tc=140 MPa ,

obţinem pentru diametrul sârmei valoarea:

cπT8Wpc

d = 0,8 mm. (8.4)

De la indexul arcului dat de relaţia:

c =d

D (8.5)

unde:


D = diametrul mediu al arcului;d = diametrul sârmei,

se poate deduce, pentru diametrul mediu al arcului, valoarea:dcD = 4,8 mm.

Diametrul exterior al arcului, D.E., va fi:5,6dD.E.D mm.

Diametrul interior al arcului, D.I., se determină astfel:0,4dD.I.D mm.

Pasul 2. În această etapă, se va determina numărul de spire active, n, al arcului. La aliajul Ni-Ti-Cu(aliaj brevetat de Raychem) sunt admise următoarele valori pentru modulul de elasticitatetransversal:

modulul la temperatură înaltă (1000C) = Gh = 20700 MPa;modulul la temperatură joasă (200C) = Gl = 2750 MPa.Pornind de la comportamentul liniar tensiune-deformaţie avem:

cT

G , (8.6)

unde:G = modulul de elasticitate transversal;

cT = tensiunea de forfecare corectată; = deformaţia la forfecare.

Utilizând relaţia (8.6) putem calcula deformaţia la forfecare la temperatură înaltă, astfel:

%68,00068,0G

Tγ

h

ch .

Pentru asigurarea unei bune funcţionări ciclice, deformaţia la forfecare la temperatura joasăeste menţinută la o valoare mică:

%5,1015,0γ l .Diferenţa dintre deformaţiile la forfecare, la joasă şi înaltă temperatură, este:

0082,0γγΔγ hl .Acum, numărul de spire active, n, poate fi calculat utilizând următoarea expresie:

ΔγπDSd

n2

, (8.7)

în care:S = cursa cerută pentru arc.

Deci:2,16n spire.

Această valoare poate fi rotunjită la 16 spire. Admiţând că arcul are capetele libere închise, numărultotal de spire, N, va fi dat de expresia: N = n + 2, deci, în acest caz, numărul total de spire este 18.

Pasul 3. Vom studia cum se poate determina lungimea arcului. În primul rând vom calcula rigiditatea arcului la temperatură înaltă şi joasă.Expresia standard pentru rigiditatea arcului, K, este:

3

4

nD8

GdK . (8.8)

Prin urmare, rigiditatea arcului la temperatură înaltă este:

mm

N6,0

8nD

dGK

3

4h

h .

Similar, rigiditatea arcului la temperatură joasă va fi:


mm

N08,0

8nD

dGK

3

4l

l .

O altă expresie folosită, pentru rigiditatea arcului, este:

δp

K , (8.9)

în care:p = forţa exercitată de arc;δ = săgeata arcului.

Utilizând ecuaţia de mai sus, se poate determina săgeata la temperatura înaltă:

5,7K

pδh

h mm.

Săgeata la temperatura joasă va fi:19,5Sδδ hl mm.

Lungimea arcului, Ll, când este comprimat la maxim, la temperatura joasă, este:2,153)d(nL l mm,

unde s-a presupus că arcul este cu capetele libere şi închise.Lungimea arcului la temperatura înaltă, Lh, este:

2,72SLL lh mm.Lungimea de construcţie a arcului, numită de altfel şi lungime liberă, Lf, este:

7,34δLL hhf mm.Forţa cerută, r, pentru revenirea arcului, la temperatura joasă, este dată de:

56,1δKr ll N.Lungimile arcului proiectat sunt prezentate în figura 8.22.În concluzie, pentru eşantionul proiectat, avem:

d (diametrul sârmei) = 0,8 mm;D.E. (diametrul exterior al arcului) = 5,6 mm;c (indexul arcului) = 6;n (spire active) =16;N (numărul total de spire) = 18;Lf (lungimea liberă) = 34,7 mm;Ll (lungimea la temperatură joasă) = 15,2 mm;Lh (lungimea la temperatură înaltă) = 27,2 mm;r (forţa de revenire) = 1,56 N.Trebuie scos în evidenţă faptul că, valorile

modulului de elasticitate transversal la temperatură înaltăşi joasă reprezintă singurii parametri de material folosiţi în această tehnică de proiectare. Pentruorice aliaj cu memorie a formei dat, dacă aceaste valori sunt cunoscute sau dacă pot fi estimate,atunci poate fi folosită această tehnică de proiectare, atâta timp cât se ştie că avem un comportamentliniar, tensiune-deformaţie, pentru deformaţiile folosite în proiectare (în special pentru deformaţia latemperaturi înalte).

8.12 PROIECTAREA ARCULUI DE ÎNTINDERE

Proiectarea de mai sus este folosită şi la un arc de întindere, care produce o forţă de tracţiuneîn locul forţei de împingere considerate mai înainte. De fapt, proiectarea arcului de întindere cumemorie a formei foloseşte aceleaşi formule, pentru diametrul sârmei, diametrul arcului şi numărulde spire active, ca şi cele utilizate la proiectarea arcurilor de compresiune cu memorie a formei.Singurele diferenţe intervin la determinarea diferitelor lungimi ale arcului (lungimea la temperaturăînaltă, la temperatură joasă şi lungimea liberă).

Fig. 8.22 Lungimile funcţionale ale arcului decompresiune din aliaj cu memorie a formei


Admitem că arcului cu memorie a formei i se cere să prezinte o forţă de tracţiune de 4,5 N,pe o distanţă de 12 mm. Admitem, din nou, că indexul arcului va fi 6. De aici vom avea exactaceleaşi cerinţe numerice ca şi cele folosite în proiectearea de mai înainte, a arcurilor decompresiune şi aceleaşi rezultate pentru diametrele arcului şi numărul de spire active. În acest fel,se păstrează următoarele valori:

diametrul sârmei (d) = 0,8 mm;diametrul exterior (D.E.) = 5,6 mm;spire active (n) = 16.Arcul va avea o configuraţie astfel încât să fie strâns la temperatură înaltă, fără să se aplice o

forţă; lungimea arcului în aceste condiţii se numeşte lungime liberă a arcului. Lungimea corpuluiarcului, Lb, din secvenţa comprimată a arcului de întindere (adică excluzând lungimea cârligului),este dată de:

1ndLb , (8.10)unde:

d = diametrul sârmei;n = numărul spirelor active.

Dacă se admite adăugarea ambelor cârlige de capăt, fiind fiecare egal în lungime cu diametrulinterior al spirelor, atunci lungimea liberă, Lf, a arcului este dată de:

21,6I.D.21ndI.D.2LL bf mm, (8.11)cu:

42dE.D.I.D. mm. (8.12)Lungimea la temperatură înaltă este egală cu lungimea liberă plus săgeata la temperatură înaltă:

29,1δLL hfh mm. (8.13)Lungimea la temperatură joasă este egală cu lungimea la temperatură înaltă plus cursa:

41,1SLL hl mm. (8.14)În concluzie, eşantionul (arc de întindere) proiectat(fig.8.23) va avea:

d (diametrul sârmei) = 0,8 mm;D.E. (diametrul exterior al arcului) = 5,6 mm;D.I. (diametrul interior al arcului) = 4 mm;c (indexul arcului) = 6;n (spire active) =16;Lb (lungimea corpului) = 13,6 mm;Lf (lungimea liberă) = 21,6 mm;Ll (lungimea la temperatură joasă) = 41,1 mm;Lh (lungimea la temperatură înaltă) = 29,1 mm;r (forţa de revenire) = 1,56 N.

8.13 PRINCIPII DE UTILIZARE

Identificarea aplicaţiilor posibile ale materialelor cu memorie, precum şi înţelegerea moduluicum acţionează respectivele materiale se pot realiza evidenţiind cu claritate principiile de utilizarepentru materialele cu memorie: utilizarea efectului de memorie propriu-zis: aplicaţiile care utilizează materialele cu

memorie în structura reclamelor publicitare, în industria jucăriilor sau în opere de artă, utilizeazămemoria materialului numai pentru aspectul “inedit” al efectului de memorie; utilizarea forţei produse de efectul de memorie: de această caracteristică uzează aplicaţiile

din domeniul conecticii, care permit asigurarea unei fixări ferme;

Fig. 8.23 Lungimile arcului deîntindere cu memorie a formei


utilizarea deplasării produse de efectul de memorie: permite acţionarea sau activareacomandată a unor elemente, apărând un domeniu nou, actuatorica; utilizarea capacităţii de senzor: datorită modificării suferite de materialele cu memorie

datorită temperaturii acestea pot fi folosite cu succes, direct ca elemente senzoriale termice sauindirect ca senzori de curent, datorită efectului termic pe care îl are trecerea unui curent electricprintr-un subansamblu realizat dintr-un material cu memorie; funcţia de regulator a aliajelor cu memorie a formei: această funcţie este îndeplinită de

dispozitivele cu materiale cu memorie, graţie modificărilor dimensionale în funcţie de temperaturamediului în care lucrează respectivele dispozitive. superelasticitatea: este utilizată datorită capacităţii de a realiza deformaţii de valoare ridicată

(de aproape zece ori mai mare decât la aliajele obişnuite) în condiţiile păstrării unei forţeaproximativ constante (se folosesc mai ales în domeniul medical, unde temperatura constantă acorpului uman constituie o premisă ideală); capacitatea de amortizare a vibraţiilor: permite folosirea acestor materiale acolo unde se

impun condiţii severe privind limitarea zgomotelor sau a vibraţiilor; capacitatea de convertire a energiei termice în energie mecanică: este însă insuficient

dezvoltată pentru a fi capabilă să conducă la diferite soluţii tehnice ingenioase;Pe baza principiilor de utilizare prezentate se dezvoltă trei direcţii importante de aplicare în practică:

înlocuirea subansamblelor realizate din materiale clasice cu subansamble realizate cumateriale cu memorie, care dispun de caracteristici superioare; simplificarea structurilor clasice prin reproiectarea acestora pe baza caracteristicilor fizico-

chimice ale materialelor cu memorie. Această direcţie duce la realizarea aceluiaşi scop prinfolosirea unui singur element din aliaj cu memorie a formei care va putea prelua funcţia unuisubansamblu sau ansamblu, simplificând-se astfel construcţia; dezvoltarea unor noi aplicaţii., Noile soluţii constructive dezvoltate, uzează din plin de

caracteristicile materialelor cu memorie, rezultatul final fiind rodul aplicabilităţii proprietăţilormaterialelor cu memorie.

8.14 BIBLIOGRAFIE

1. V. Budau, C. M. Crăciunescu, Un material în pragul secolului XXI. Aliajele cu memorie a formei, Timişoara, 1994,p. 7 – 21.

2. E. Weynant, L. Buffard, P. Charbonnier, T. Lours, Emploi des alliages à mémoire de forme. Conception etindustrialisation de produits manufacturés, Matériaux et techniques N˚ 6–7, 1993, p. 77 – 78.

3. US Patent nr. 351, 1961.

4. L. Delaey, s.a., “Thermoelasticity, Pseudoelasticity and the Memory Effects Associated with MartensiticTransformations. Structural and Microstructural Changes Associated with the Transformations.”, Journal of Met.Sci. 9, 1974.

5. R.V. Krishnan, s.a., “Thermoelasticity, Pseudoelasticity and the Memory Effects Associated with the MartensiticTransformations. The Macroscopic Mechanical Behaviour”, Journal of Mat. Sci. 9, 1974.

6. W. Van Moorleghem, “L’utilisation des alliages à mémoire de forme dans les dispositifs de commande”, Matériauxet Techniques, Nº 6-7, 1993, p. 87-88.

7. N. Hagemeister, “Application des alliages à mémoire de forme dans le domaine médical”, Rapport Imago-EcolePolytechnique de Montréal, Avril, 1993.

8. G. Guenin, “Mertensitic Transformation: Phenomenology and the Origin of the Two-Way Memory Effect. PhaseTransitions”, 14, Gordon and Breach Science Publishers, 1989.

9. G. Clément, P. Naudot, J. M. Welter, “Les alliages CuAlNi à mémoire de forme”, Matériaux et Techniques N˚ 6 –7, 1993, p. 65 – 66.

10. Norme AFNOR A51-080, “Alliages à mémoire de forme: vocabulaire et mesure”, 1991.11. J. Van Humbeeck, “Les alliages à mémoire de forme: le phenomene, les matériaux, les propriétes et les

applications”, Traitement Thermique, Nº 234, 1990.

ingineria materialelor.pdf

Documents