Tööstuslikud infovõrgud ja IT turvalisus

Elektrimaterjalid-omadused

1. Sissejuhatus

Elektrimaterjalid on materjalid, mida kasutatakse elektrienergia juhtimiseks, isoleerimiseks, salvestamiseks ja muundamiseks. Need mängivad olulist rolli elektrotehnilistes ja elektroonikaseadmetes ning tööstuslikes rakendustes.

Elektrimaterjalid jagunevad peamiselt nelja rühma:

1. Elektrijuhid – Materjalid, millel on suur elektrijuhtivus, nt vask, alumiinium, hõbe ja kuld.
2. Pooljuhid – Materjalid, mille juhtivus on reguleeritav lisanditega ja temperatuuriga, nt räni ja germaanium.
3. Dielektrikud – Isolaatorid, mis takistavad elektrivoolu liikumist, nt klaas, keraamika ja plastid.
4. Magnetilised materjalid – Materjalid, mis mõjutavad ja säilitavad magnetvälja, nt ferromagnetilised materjalid nagu raud ja nikkel.

Elektrimaterjalide omadused ja klassifikatsioon on olulised nende valikul erinevates tehnilistes ja insenertehnilistes rakendustes.

2. Elektrimaterjalide omadused

Elektrimaterjalide omadused jagunevad:

• Füüsikalised: tihedus, sulamistemperatuur, soojuspaisumine, eritakistus.
• Keemilised: vastupidavus korrosioonile, oksüdatsioonile ja keskkonnamõjudele.
• Mehaanilised: tugevus, kõvadus, plastsus ja kulumiskindlus.
• Tehnoloogilised: valatavus, keevitatavus, lõiketöödeldavus, vormitavus.

2.1. Füüsikalised omadused

Füüsikalised omadused määravad materjali käitumise erinevates keskkondades ning nende kasutatavuse elektroonika- ja elektriseadmetes.

Tihedus määrab materjali massi ruumalaühiku kohta ja on oluline aspekt elektrijuhtide ja komponentide valikul. Sulamistemperatuur näitab materjali üleminekut tahkest vedelasse olekusse, mis on oluline elektritööstuse sulandite ja ühenduste loomiseks.

Soojuste paisumistegur on oluline parameeter materjalide termilise stabiilsuse määramisel.

2.2. Elektrilised omadused

Elektrijuhtivus ja eritakistus sõltuvad materjali struktuurist ja temperatuurist.

Elektrilised omadused mõjutavad materjalide kasutamist juhtmetes, takistites, pooljuhtseadmetes ja isolaatorites.

2.3. Mehaanilised omadused

Mehaanilised omadused mõjutavad materjalide töötlemisvõimalusi ja vastupidavust erinevates tingimustes.

Elektrimaterjalid

1. Sissejuhatus

Elektrimaterjalid on materjalid, mida kasutatakse elektrienergia juhtimiseks, isoleerimiseks, salvestamiseks ja muundamiseks. Need mängivad olulist rolli elektrotehnilistes ja elektroonikaseadmetes ning tööstuslikes rakendustes.

Elektrimaterjalid jagunevad peamiselt nelja rühma:

1. Elektrijuhid – Materjalid, millel on suur elektrijuhtivus, nt vask, alumiinium, hõbe ja kuld.
2. Pooljuhid – Materjalid, mille juhtivus on reguleeritav lisanditega ja temperatuuriga, nt räni ja germaanium.
3. Dielektrikud – Isolaatorid, mis takistavad elektrivoolu liikumist, nt klaas, keraamika ja plastid.
4. Magnetilised materjalid – Materjalid, mis mõjutavad ja säilitavad magnetvälja, nt ferromagnetilised materjalid nagu raud ja nikkel.

Elektrimaterjalide omadused ja klassifikatsioon on olulised nende valikul erinevates tehnilistes ja insenertehnilistes rakendustes.

2. Elektrimaterjalide omadused

Elektrimaterjalide omadused jagunevad:

• Füüsikalised: tihedus, sulamistemperatuur, soojuspaisumine, eritakistus.
• Keemilised: vastupidavus korrosioonile, oksüdatsioonile ja keskkonnamõjudele.
• Mehaanilised: tugevus, kõvadus, plastsus ja kulumiskindlus.
• Tehnoloogilised: valatavus, keevitatavus, lõiketöödeldavus, vormitavus.

2.4. Keemilised omadused ja korrosioon

Metallide keemilised omadused määravad nende vastupidavuse erinevates keskkondades, sh õhu, vee, keemiliste ainete ja elektrolüütide suhtes. Üks kõige olulisemaid keemilisi omadusi on vastupidavus korrosioonile.

2.4.1. Korrosiooni mehhanismid ja liigid

Korrosioon on metalli keemiline või elektrokeemiline hävimine selle keskkonnaga reageerimise tulemusena. Olenevalt mehhanismist jaguneb korrosioon järgmiselt:

• Keemiline korrosioon – toimub ilma elektrivoolu tekketa, kuivades gaasides või orgaanilistes vedelikes. Näiteks:
  • Raua oksüdeerumine kõrgel temperatuuril hapniku toimel:2Fe+O2→2FeO
  • Alumiiniumi passiivkihi moodustumine õhus:4Al+3O2→2Al2O3
• Elektrokeemiline korrosioon – toimub elektrokeemiliste reaktsioonide kaudu elektrolüütilises keskkonnas, kus metall moodustab anood- ja katoodpiirkonnad:
  • Raua roostetamine niiskes keskkonnas:Anoodreaktsioon:Fe→Fe2++2e−Katoodreaktsioon:O2+4e−+2H2O→4OH−Rooste moodustumine:4Fe(OH)2+O2→2Fe2O3⋅xH2O (rooste)Raua puhul põhjustab elektrokeemiline korrosioon selle pinnale kihilise rooste moodustumise, mis vähendab metalli tugevust ja vastupidavust.

2.4.2. Korrosiooni tüübid

Korrosiooni tüübid sõltuvad metallide keskkonnast ja mõjutavatest teguritest:

• Üldkorrosioon – toimub ühtlaselt üle kogu pinna.
• Galvaaniline korrosioon – tekib kahe erineva metalli kokkupuutel elektrolüüdis, kus aktiivsem metall korrodeerub kiiremini.
• Sälkkorrosioon – esineb pragudes, kus hapnikule ja niiskusele ligipääs on piiratud.
• Erosioonkorrosioon – tekib kiiresti voolava vedeliku või gaasi toimel.
• Pitting-korrosioon – lokaalne punktkorrosioon, tekitab sügavaid kahjustusi metalli pinnale.
• Stresskorrosioon – ilmneb koos mehhaanilise pingega, mis kiirendab pragude teket.

2.4.3. Korrosiooni ennetamine ja kaitsemeetodid

Korrosioonikindluse suurendamiseks kasutatakse mitmeid meetodeid:

1. Pindamine – metalli katmine keemiliselt stabiilsema või korrosioonikindlama materjaliga:
   • Galvaaniline katmine – tsinkimine (Zn), kroomimine (Cr), nikeldamine (Ni).
   • Anoodne oksüdatsioon – alumiiniumdetailide elokseerimine (Al₂O₃ kiht).
   • Plast- ja komposiitkatmine – epoksüvaigud ja polümeerikihid.
2. Värvpindamine – kaitsevärvide ja -lakkide kasutamine, mis takistavad hapniku ja niiskuse jõudmist metalli pinnale.
3. Kaitsemäärded – korrosioonivastased õlid, vaseliinid ja parafiinpõhised määrded, mida kasutatakse ajutiseks kaitseks, näiteks metallist tööriistadel ja masinatel ladustamisel.
4. Legeerimine – metalli koostise muutmine, lisades elemente, mis parandavad selle korrosioonikindlust:
   • Roostevaba teras – sisaldab vähemalt 10,5% kroomi (Cr), mis moodustab pinnale kaitsva Cr₂O₃ kihi.
   • Messing ja pronks – vase (Cu) sulamid tsingi (Zn) ja tina (Sn) lisamisega, mis parandavad vastupidavust veele ja sooladele.
5. Elektrokeemiline kaitse:
   • Katoodkaitse – metall ühendatakse välistoiteallikaga, mis hoiab selle katoodina, näiteks torujuhtmetes ja laevakeredel.
   • Protektoranoodid – kasutusel tsingi, alumiiniumi või magneesiumi anoodid, mis „ohverdavad“ end ja kaitsevad põhimetalli.

Korrosioon võib põhjustada olulisi kahjustusi elektriseadmetes ja konstruktsioonides, mistõttu selle ennetamine on kriitilise tähtsusega tööstuslikes ja insenertehnilistes rakendustes.

2.5. Soojuslikud omadused

Materjalide soojusjuhtivus ja paisumine mõjutavad nende kasutamist elektriseadmetes.

3. Täiendavad materjalid ja viited

Elektrimaterjalide kasutus sõltub ka nende töötlemise ja tootmise tehnoloogilistest omadustest. Olulised aspektid:

• Valatavus – võime moodustada keerukaid detaile sulatamise teel.
• Keevitatavus – võime moodustada vastupidavaid ühendusi.
• Lõiketöödeldavus – materjali lihtsus mehaanilisel töötlemisel.

Viited:

1. Callister, W. D. (2019). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
2. Ashby, M. F. (2011). Materials Selection in Mechanical Design. Butterworth-Heinemann.
3. Shackelford, J. F. (2015). Introduction to Materials Science for Engineers. Pearson.

4. Kokkuvõte

Elektrimaterjalid mängivad olulist rolli elektroonikaseadmete ja tööstuslike rakenduste toimimises. Materjalide valik sõltub füüsikalistest, keemilistest ja mehaanilistest omadustest ning nende kasutustingimustest.