Elektrotechnické materiály a výrobní procesy Garant předmětu

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ 

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ 

Elektrotechnické materiály 

a výrobní procesy 

Garant předmětu: 

Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. 

Autoři textu: 

Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. 

Doc. Ing. Karel Liedermann, CSc. 

Doc. Ing. Josef Jirák, CSc. 

Ing. Svatopluk Havlíček, CSc. 

Ing. Jiří Vaněk

2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 

Studijní program: Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika 

Studium: Bakalářské 

Studijní obor: Mikroelektronika a technologie 

Název předmětu: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (MVP) 

Garantující ústav: Elektrotechnologie 

Garant: Prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. 

Rozsah předmětu: 4/3 (91 hod), z toho: přednášky 52 hod 

Kredity: 8 cvičení 39 hod 

P N L C O hod kredit garant 

52 15 15 0 9 7 8 UETE 

Anotace: 

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy (EMV) 

2B1 – P – 7/8 – zk - UETE 

Materiály v elektrotechnice; složení, struktura, výroba a použití. Plasty, sklo, keramika a sklokeramika; druhy, 

vlastnosti, zpracovatelské technologie. Kompozity. Kovy; klasifikace a vlastnosti. Zpracování kovů, výroba 

vodičů a fólií. Polovodičové materiály; klasifikace, vlastnosti, aplikační oblasti. Příprava polovodičových 

materiálů a základních polovodičových struktur. Povrchové úpravy, laky a spojování materiálů. Svazkové, 

radiační, elektroerozivní, ultraakustické a další významné výrobní procesy. 

Osnova: 

1. Materiály v elektrotechnice - složení, struktura, klasifikace, použití. Řízení vlastností 

materiálů. Kompozity. 

2. Organické a anorganické izolanty, dielektrika. Plasty, elastomery, slídové výrobky, sklo, 

keramika (silikátová, oxidová, bezkyslíkatá), sklokeramika, tvrdé materiály. 

3. Plastikářské technologie. Výroba a opracování anorganických nekovových materiálů. 

4. Kovové materiály. Klasifikace, vlastnosti, použití. Materiály s fero- a ferimagnetickými 

vlastnostmi. Slinuté materiály. 

5. Zpracování kovů. Výroba drátů a fólií. Výroba kabelů a vodičů. Výroba materiálů pro 

plošné spoje. 

6. Polovodičové materiály - klasifikace, struktura, složení, vlastnosti. 

7. Polovodičové materiály - vlastnosti a aplikační možnosti. Příprava polovodičových 

materiálů. 

8. Výroba základních polovodičových struktur. 

9. Povrchové úpravy, laky, spojování materiálů. 

10. Elektronové procesy, účinky elektronového svazku a jeho využití. Iontové procesy. 

11. Rentgenové procesy. Radiační technologie. Jaderné procesy. 

12. Laserové procesy, rozdělení laserů, vlastnosti a některé aplikace laserů. 

13. Ultraakustické procesy, zdroje ultrazvuku, využití účinků ultrazvuku. Elektroerozivní 

procesy a jejich použití.

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy 13 

2.4 Technologické procesy zpracování kovů 

2.4.1 Tváření kovů 

Neustálý pokrok ve strojírenství přináší stále nové, přesnější, výkonnější a 

hospodárnější způsoby výroby polotovarů. Objem obráběných polotovarů se stále zmenšuje a 

obrábění není někdy ani nutné. Mezi tyto způsoby patří především tváření, kterého se dnes 

používá stále častěji, neboť patří k nejproduktivnějším oborům technologie zpracování kovů a 

nekovů. Dnes si již neumíme představit sériovou a hromadnou výrobu automobilů, letadel, 

elektrických strojů a přístrojů apod. bez použití součástí vyrobených tvářením. 

Je to metoda s vysokou produktivitou a hospodárností, a tedy s velkou perspektivou. 

Výrobky jsou přesné, pevné a lehké. Využití materiálu je velmi hospodárné, s nejmenším 

odpadem. Při obrábění odpadá průměrně 50 %, při tváření jen asi 5 až 10 % materiálu. 

Výkonnost strojního zařízení je velká. Výrobní pochody se mohou velmi dobře mechanizovat, 

takže se podstatně snižují výrobní náklady. 

2.4.1.1 Základní pojmy 

Při tváření se působením vnějších sil mění tvar, aniž by se porušila celistvost 

materiálu, tzn., že částice materiálu se pouze trvale přemísťují. Toto přemístění je umožněno 

kovovou vazbou atomů, která zůstává zachována, probíhá-li tváření za optimálních podmínek 

(teplota a deformace materiálu). K tváření se proto hodí materiál s nízkou mezí pružnosti (aby 

nebylo zapotřebí velké síly) a vysokou pevností, tj. materiál tvárný (plastický). Kromě ocelí 

se tváří i neželezné kovy, popř. některé nekovové materiály. 

Tváření se děje buď působením klidných sil (válcováním, lisováním apod.), nebo rázy 

(kováním, nýtováním apod.), a to za studena nebo za tepla. 

Tvářením za studena se kovy zpevňují. Čím větší je stupeň přetváření, tím větší je 

zpevnění. Tvářením za studena se zvyšuje mez průtažnosti, pevnost v tahu a tvrdost, ale 

zmenšuje se houževnatost. Zpracování není v celém průřezu zcela rovnoměrné, vznikají 

nebezpečná vnitřní napětí, která mohou porušit materiál. 

Při tváření za tepla se ohřevem zmenšuje pevnost a houževnatost materiálu, a tím se 

zlepšuje jeho tvárnost. Struktura je jemnější a rovnoměrnější. Ocel se ohřívá na teplotu 250 až 

300°C pod solidem. Této teplotě se říká teplota tváření. Nejnižší teplota, při níž je ještě 

možno tvářet, je u podeutektoidních ocelí teplota Ac3, u nadeutektoidních teplota Ac1. 

Rozhodující pro vlastnosti tvářené oceli je hlavně teplota konečná, čili teplota, při níž 

se tváření ukončilo. Tváření má být dokončováno při teplotě asi 50 °C nad Ac3 nebo Ac1, kdy 

má ocel nejjemnější strukturu a největší pevnost při velké houževnatosti. Tváření pod teplotou 

Ac3 nebo Ac1 je vlastně tváření oceli za studena, to znamená, že se ocel zpevňuje. Není-li 

tváření při této teplotě ještě skončeno, je nutno předmět znovu přiměřeně ohřát, tzv. tváření na 

jedno, dvě i více ohřátí. 

Tvářet se má pokud možno s nejmenším počtem ohřátí, protože se každým ohřevem 

část ohřívaného materiálu přemění v oxid železa. Zoxidovaný povrch materiálu se při tváření 

odlupuje v šupinách, kterým se říká okuje. Tím vznikají ztráty opalem, které činí při jednom 

ohřevu asi 3 až 5 %. 

Materiál určený k tváření se ohřívá v pecích různého provedení a velikosti. Nejčastěji 

jsou to pece plamenné, průchozí (kontinuální), nebo elektrické indukční. 

Hutní polotovary 

Tyto polotovary jsou jedním z nejpoužívanějších druhů polotovarů ve strojírenství. 

Vyrábějí se přímo v hutích a jsou normalizovány v různých profilech o různé rozměrové a 

geometrické přesnosti.


Válcované polotovary 

Válcování je tváření kovů rotujícími válci, mezi něž je materiál vtahován a zároveň je 

stlačován a prodlužován. Válcuje se za studena a za tepla. Válce (hladké nebo ka1ibrované), 

jsou uloženy ve stojanech a s příslušenstvím tvoří válcovací stolici. Práce se zpravidla 

nedokončí v jedné válcovací stolici, a proto jsou válcovací stolice uspořádány buď vedle 

sebe, nebo za sebou a tvoří tak válcovací trať. Podle velikosti předvalků a vývalků, které se 

na jednotlivých tratích vyrábějí, jsou těžké, hrubé, střední a jemné tratě. 

Podle počtu válců a způsobů práce jsou válcovací stolice dvouválcové (dua), 

tříválcové (tria), univerzální aj. Žádaného průřezu vývalku se dosáhne postupně, buď 

přibližováním válců, nebo změnou kalibru (tj. díry mezi tvarovými povrchy válců). Kromě 

těchto základních typů se stavějí ještě další válcovací tratě k různým účelům. 

Válcováním vznikne z ingotu nejdříve předvalek (polotovar) na předválcovacích 

stolicích. Z těchto předvalků se pak vyrobí na doválcovacích zařízeních konečný výrobek - 

vývalek, tj. tyčový a profilový materiál, plechy aj. 

Tažené polotovary 

Výchozí polotovar (tyč, drát apod.) se protahuje (kalibruje) průvlakem (kalibrem) z 

kalené oceli, slinutého karbidu nebo diamantu. 

Tažené profily jsou velmi přesné (h9, hl1), takže se nemusí dále obrábět. Používají se 

hlavně v sériové a hromadné výrobě při výrobě součástí na revolverových soustruzích a 

automatech.


Dráty do průměru 5 mm se táhnou nepřetržitě na bubnových tažecích strojích - 

drátotazích. Žádané tloušťky drátu se dosáhne postupným protahováním stále menšími 

průvlaky. Několikerým tažením drát ztvrdne a zkřehne a nelze jej dál táhnout. Musí se proto 

po určitém počtu tahů normalizačně žíhat. 

Výroba trubek 

Trubky se vyrábějí z materiálů kovových (ocelí, litin, neželezných kovů) i nekovových 

(plastů). Litinové trubky se vyrábějí litím na stojato nebo odstředivým litím. Ocelové trubky 

jsou buď svařované (švové), nebo bezešvé. 

Svařované trubky se vyrábějí z pásové oceli. Okraje se svaří na tupo, přeplátováním 

nebo ve šroubovici. Jakost svařovaných trubek se rozvojem výrobní technologie (svařování) 

zlepšuje. Proto dnes v mnoha odvětvích nahrazují svařované trubky dražší trubky bezešvé. 

Bezešvé trubky se používají tam, kde nestačí pevnost trubek svařovaných. Nejčastěji 

se vyrábějí Mannesmannovým způsobem, tj. válcováním vývalku mezi dvěma válci s 

mimoběžnými osami a se stejným smyslem otáčení; kromě otáčení vzniká ještě šroubovitý 

posuv. Tím, že na vývalek působí jednosměrný tlak, vzniká v jeho středu velké tahové napětí, 

které porušuje materiál a ve vývalku tak vzniká dutina. K vytvoření dutiny není tedy zapotřebí 

trnu. Pokud se používá, tak jen proto, aby se usnadnilo vytvoření hladké dutiny. Tímto 

způsobem se vytvářejí krátké tlustostěnné trubky, které se pak zpracovávají na potřebnou 

tloušťku válcováním. 

Volba a použiti hutních polotovarů 

Normalizované hutni polotovary patří k nejlevnějším druhům polotovarů. Je to 

zejména válcovaný i tažený tyčový materiál. Jeho normalizované rozměry jsou odstupňovány 

v řadě velikostí. Při volbě rozměru polotovaru se volí nejbližší rozměr, který je větší, než je 

průměr součásti zvětšený o přídavek na obrábění. To vede mnohdy k neúměrnému odpadu 

třísek (zvlášť nevýhodné u legovaných materiálů). Proto tam, kde vyhovuje přesnost rozměrů 

a jakost povrchu tažených polotovarů, volí se raději ty. V sériové výrobě bude mnohdy 

výhodnější volit jako polotovar zápustkový výkovek. 

Tváření kovů za tepla 

Nejvíce používaný způsob tváření za tepla je kování. Kováním se dává materiálu 

vhodný tvar buď údery (rázy) kladiva či beranů bucharů, nebo klidným tlakem lisů. Dosahuje 

se tak lepších mechanických vlastností, jemnější a stejnoměrnější struktury. Kování je volné 

nebo v zápustkách, ková se ručně nebo strojně. 

Při volném kování může materiál tvářený údery nebo tlakem "volně téci", hlavně ve směru 

kolmém k působení síly. Při kování v zápustkách je materiál vtlačován údery nebo tlakem do 

kovové formy (zápustky). 

Strojní kováni 

Strojní kování ulehčuje těžkou práci dělníka, zrychluje a zproduktivňuje výrobu 

malých a středních výkovků a umožňuje výrobu těžkých výkovků, na které lidská síla nestačí. 

Materiál se ková na různých tvářecích strojích, z nichž nejdůležitější jsou buchary a lisy. 

Buchary působí na tvářený materiál údery (rázy), ale prokovou jej jen do určité 

hloubky. Hospodárně lze kovat středně velké výkovky, popř. předkovky. Předkovky se dále


kovou v zápustkách na požadovaný tvar výkovku. Při úderech beranu bucharu odpadávají z 

tvářeného materiálu okuje, a proto je povrch výkovku čistý. Rázy se však přenášejí do 

základů stroje a působí otřesy i v okolí. 

Lisy působí na tvářený materiál klidným tlakem a prokovou materiál v celém průřezu. 

Kovou se na nich i nejtěžší výkovky. Práce na lisech je bezpečnější než na bucharech. 

Volné strojní kováni. Je v podstatě stejné jako kování ruční. Tímto způsobem se 

vyrábějí velké hřídele turbogenerátorů, ojnice apod. Předměty se vykovou jen zhruba a hrubé 

výkovky se pak obrábějí na přesný tvar na obráběcích strojích. Kovářská práce závisí na 

řemeslné zručnosti a zkušenosti kováře. Je zdlouhavá a drahá. 

Zápustkové kování. Zápustka je ocelová dvoudílná forma, jejíž obě poloviny 

vytvářejí dutinu, odpovídající vnějšímu tvaru výkovku. Ohřátý materiál se vloží do zápustky a 

působí se na něj silou tvářecího stroje. Materiál postupně vyplňuje zápustku, až vyplní celou 

její dutinu. Při kování na bucharu je zápustková dutina vyplňována postupně během několika 

úderů beranu bucharu. Při kování na lisech je tvar výkovku zhotoven v průběhu jednoho 

zdvihu. Přebytečný kov je vytlačen do stran a vytváří výronek, nebo uprostřed blánu, které se 

odstraní ostřižením. 

Výkovky ze zápustek jsou velmi jakostní, mají přesný tvar, takže se buď nemusí 

obrábět, nebo se obrábějí jen zčásti. Průběh vláken materiálu sleduje obrys výkovku. Výroba 

zápustky je však drahá, a proto se tento způsob hodí jen pro sériovou a hromadnou výrobu. 

Výkovky nelze vždy vykovat v jedné zápustce. Někdy se musí nejdříve předkovat v 

předběžné (předkovací) zápustce a dokončí se v zápustce dokončovací. Takovým zápustkám 

se říká postupové zápustky. 

Tváření (lisování) kovů za studena 

Tvářením za studena (tzv. lisovací technika) se uskutečňuje trvalá změna tvaru 

výchozího materiálu bez odběru třísek působením vnější síly; podle převládajícího průběhu 

deformace je tváření plošné a objemové. 

Plošným tvářením se dosáhne žádaného tvaru součásti (převážně z plechu) bez 

podstatné změny průřezu nebo tloušťky výchozího materiálu. Mechanické vlastnosti se 

nemění.


Objemovým tvářením se dosáhne žádaného tvaru součásti změnou průřezu nebo tvaru 

výchozího materiálu. Objem se nemění, ale materiál se zpevňuje a současně klesá jeho 

tažnost. Tím je omezen počet tvářecích operací. 

Lisování za studena se rozšířilo pro své mnohé přednosti (velká výkonnost, nízké 

výrobní náklady, malé ztráty materiálu odpadem a příznivé podmínky pro automatizaci), 

prokázané praxí v moderní průmyslové výrobě. Základní práce při lisování jsou stříhání 

(oddělování materiálu) a tvářeni (přemísťování materiálu). 

Stříhání je postup tváření, při kterém je materiál postupně nebo současně oddělován v 

celém průřezu. 

Tváření je mechanické zpracování materiálu přemísťováním jeho částic tahem nebo 

tlakem bez porušení jeho soudržnosti. Podle potřeby převládá tah nebo tlak.


Stříhání 

Tímto způsobem se vytvářejí rozmanité polotovary nebo výrobky z plechu nebo pásů. 

Stříhá se nůžkami nebo střihacími nástroji - střihadly. Tyto nástroje se vyrábějí v různém 

provedení a velikostech, podle druhu výrobků a použité technologie. 

Ke stříhání plechu rovnými střihy se používají tabulové nůžky. Nestříhá se celá šířka 

plechu najednou, ale jen určitá část, jejíž velikost je pro daný úhel sklonu a druh nůžek stálá. 

Střihadla. Hlavní částí střihadla je střižník a střižnice. Materiál se vkládá mezi 

střižník a střižnici a je veden vodícími lištami. Jeho posuv (krok) mezi jednotlivými zdvihy 

střižníku je omezen dorazem. Střihadla jsou doplněna různými zařízeními a nářadím, 

zajišťujícími správný chod nástroje, jako např. ústrojí (části) upevňovací, posuvové, 

vyhazovací aj. 

Jednoduché střihadlo je určeno pro vystřihování jednoduchých tvarů - výstřižků z 

pásu plechu. Poloha pásu při stříhání je zajištěna pevným koncovým dorazem. Před dalším 

vystřižením se pás posune o hodnotu kroku k. 

Postupové střihad1o zhotovuje výstřižky postupně. V prvním kroku je to děrování, v 

dalším vystřižení tvaru (obvodu) výstřižku. K vymezení správné polohy pásu pro jeho 

umístění v nástroji se pro děrování použije tzv. načínací doraz. V dalším průběhu práce je 

poloha pásu zajištěna pevným koncovým dorazem.


Sloučené střihad1o. Při jednom pracovním zdvihu nástroje je ve stejné poloze pásu 

děrován a vystřihován hotový výstřižek. 

Sdružené střihad1o sdružuje ve dvou krocích různé pracovní úkony, jako např. 

děrování, stříhání a ohýbání. 

Ohýbání 

Ohýbání je způsob tváření materiálu, při němž se vytváří ostré nebo oblé hrany. Je to 

proces pružně plastické deformace, která má různý průběh od povrchu materiálu k neutrální 

ose. Při ohybu jsou napětí v krajních vláknech materiálu opačného smyslu (tah, tlak). Kolem 

střední části průřezu ohýbaného materiálu jsou tahová napětí malá, v přechodu mezi tímto 

pásmem jsou vlákna bez napětí a bez deformace. Jejich spojnice tvoří tzv. neutrální osu 

(plochu), v níž není napětí a která se při ohýbání ani neprodlouží, ani nezkrátí. Neutrální osa 

(vlákno) je v ohýbané části materiálu posunuta k vnitřní straně ohybu. Není tedy totožná s 

těžištní osou ohýbaného materiálu (profilu). U tenkých plechů není tento rozdíl patrný. Při 

ohýbání tlustých plechů se však musí s touto okolností počítat. Z délky neutrální osy v 

ohýbaných částech a z délky rovných úseků se určuje rozvinutá délka polotovaru před 

ohybem. Vypočítaná délka se ověřuje praktickou zkouškou. 

Zpětné odpružení ohýbaných součástí (výlisků) je způsobeno zejména vlivem pružné 

deformace materiálu. Velikost úhlu odpružení závisí na tvárnosti materiálu, na poloměru 

ohybu a způsobu ohýbání (bývá 3 až 15°). Proto se materiál ohýbá navíc o úhel odpružení. 

Ka1ibrací nebo prolisy výlisků se vliv odpružení téměř odstraní. 

Nástroj pro ohýbání je ohýbadlo, výrobkem je výlisek. Hlavní částí ohýbadla je 

ohybník a ohybnice (pohyblivá a pevná čelist). Podle druhu ohybu dělíme ohýbadla na 

ohýbání do tvaru V, U apod. 

Osa ohybu má být kolmá na směr vláken materiálu vzniklých při válcování plechu (tzv. ohyb 

napříč vláken, obr. 109). Odpružení materiálu je sice větší, ale není nebezpečí vzniku trhlin na 

vnější straně ohybu. Poloměr ohybu se volí se zřetelem na odpružení materiálu co nejmenší, 

se zřetelem na tvárnost a tloušťku ohýbaného materiálu co největší. 

Zakružování a lemování 

Zakružování se používá při výrobě válcových nebo kuželových plášťů nádob, kotlů apod., a 

to i z tlustších plechů (kolem 30 mm). Stroje používané pro tuto tvářecí operaci se nazývají


zakružovad1a. Jsou buď tříválcová nebo víceválcová. Jejich konstrukce provedení je závislá 

na tloušťce zpracovávaného plechu. 

Lemování je vytváření podélných žlábků uprostřed nebo na okraji plechu, aby se 

zvětšila tuhost plechových výlisků. 

Tažení 

Při tažení je rovný plech (přístřih, výstřižek) tvářen v dutou polozavřenou nádobu 

rotačních i nerotačních tvarů. Výtažky se většinou již neupravují. Proto má tažení velký 

význam, zvláště v sériové a hromadné výrobě. Tvářený plech musí mít dostatečnou tažnost. 

Rozměry přístřihu se určují z podmínky stálosti objemu (početně, graficky nebo 

přibližně, zkusmo). Objem výtažku je roven objemu přístřihu (platí všeobecně). 

Nástrojem pro tažení je tažid1o, výrobkem výtažek. Hlavní části tažidla jsou tažník, 

(pohyblivá část) a tažnice (pevná část), popř. přidržovač (přidržuje plech k tažnici). 

Má-li se z přístřihu vytáhnout např. válcová nádoba, musí se přebytečný materiál 

přemístit, tzn. vytáhnout ve směru poloměru a zároveň ve směru obvodu stlačit. Jinak by se 

zvětšovala tloušťka nebo by se materiál zv1nil. To se při tažení tenkého plechu stává, tvoří se 

přehyby materiálu a při zvětšení odporu se utrhne dno. Tomu se zabrání přidržením materiálu 

zvláštní deskou - přidržovačem. Mezi přidržovačem a horní plochou tažnice se vytvoří 

mezera, v níž může přístřih klouzat, ale nemůže se vlnit. Při zpětném pohybu tažníku má 

přidržovač funkci stírače. Tažení mělkých nádob z tlustších plechů se může provádět bez 

přidržovače. Hlubší a složitější nádoby se nemohou vyrobit na jeden tah, ale postupným 

tažením. 

K tažení se používají většinou mechanické lisy, které jsou vybaveny zařízením 

k ovládání přidržovače a k vyvození tažné síly na tažníku. Jsou to tzv. dvojčinné lisy (lis 

s beranem přidržovače a beranem tažníku). 

Sdružené tažidlo sdružuje operace stříhání a tažení.


Protlačování 

Při protlačování za studena je výchozí polotovar podroben tlaku průtlačníku a 

průtlačnice. V polotovaru vzniká tlak (až 3000 MPa), který dosáhne hodnoty přetvárného 

odporu (materiál se chová jako by byl tekutý). Tvářený materiál se přemísťuje a směr jeho 

pohybu je určen konstrukcí nástroje - protlačovadla. Získaný výrobek se nazývá protlaček. 

Podle směru pohybu tvářeného materiálu vzhledem k pohybu průtlačníku je protlačování 

dopředné, zpětné a sdružené. Vzhledem k velikosti přetvárných odporů jsou k protlačování 

vhodné materiály s tažností větší než 50%, např. oceli s obsahem uhlíku do 0,2%. Tímto 

způsobem se zpracovává také olovo, cín, měď, hliník a jejich slitiny. 

Polotovary k protlačování mohou mít tvar plných i dutých špalíků, prstenců apod. 

Jejich objem a objem protlačku je stejný. Většinou se žíhají na měkko a vniklé okuje se 

odstraňují omíláním nebo otryskáváním. Povrch ocelových polotovarů se fosfátuje, aby se 

snížilo tření a přetvárný odpor při protlačování. 

Protlačování ocelí i neželezných kovů se používá zejména v elektrotechnice, 

elektronice a v automobilovém průmyslu. Protlačky jsou duté a trubkovité součásti s tenkými 

stěnami různého průřezu. Jejich rozměry jsou přesné s minimálními přídavky na obrábění. 

Dosažitelná (hospodárná) přesnost protlačků je v rozmezí IT 8 až IT 10, což vyžaduje lisy s 

velkou tuhostí a přesností. Jednotlivé způsoby protlačování mají podle možných tvarů 

protlačků své optimální oblasti použití. Hluboké nádoby z hliníku lze vyrábět protlačováním i 

tažením. Výroba protlačováním je hospodárnější. 

2.4.2 Svařování 

Svařováním se vytváří pevné a nerozebíratelné spojení kovových částí do jednoho 

dílu, který se nazývá svařenec. Tyto části jsou většinou z hutních polotovarů (tyče, pásy, 

plechy aj.), někdy také z výkovků a odlitků. Výhodou tohoto spojení je těsnost, trvanlivost a 

velká pevnost. Svařování zvyšuje produktivitu práce, zmenšuje spotřebu materiálu, 

zjednodušuje konstrukci, podstatně zkracuje výrobní časy a umožňuje rychlou realizaci 

konstrukčních návrhů. Nevýhodou je nerozebíratelnost spojů, potřeba kvalifikovaných 

dělníků, změna struktury i mechanických vlastností svarového spoje, vznik vnitřních pnutí a 

deformací. 

Svařování se používá téměř ve všech výrobních oborech při výrobě nových strojů a 

konstrukcí i při opravách. Svařované součásti často nahrazují odlitky a výkovky zejména 

velkých a složitých součástí (jsou až o 50 % lehčí). Také zavádění moderních způsobů 

svařování má mimořádný význam pro zvyšování produktivity práce. 

Svařování působením tepla (tavné) 

Při tomto způsobu svařování vzniká spoj místním natavením svarových ploch 

základního materiálu, aniž by se použilo tlaku nebo rázů. Obvykle se ještě používá 

přídavného materiálu stejného nebo podobného složení, jako má základní materiál. 

Svařování plamenem 

Zdrojem tepla je plamen, který vzniká spalováním směsi hořlavého plynu, většinou 

acetylénu s kyslíkem. Místo acetylénu se používá i jiných plynů, jako vodíku, propanu aj. 

Svařovací plamen se nejčastěji posuzuje podle poměru mísení plynů.


Svařovací souprava se skládá z lahví s lahvovými a redukčními ventily, hadic, hořáků 

a příslušenství. Všechna tato zařízení mohou být různé konstrukce, vždy však schválené 

inspektorátem bezpečnosti práce. 

Pro materiály tloušťky větší než 1,5 mm se používá k vyplnění spáry, tj. k vytvoření housenky 

přídavný materiál - svařovací drát. Jeho tloušťka je od 1 do 8 mm. Pouze litinové tyčinky mají 

tloušťku až 15 mm. 

Oxidaci roztaveného kovu zabraňují tavidla. Tvoří s roztaveným kovem vrstvu 

ochranné strusky, která brání přístupu vzdušného kyslíku, a tím i vzniku těžko tavitelných 

oxidů (při svařování některých neželezných kovů). 

Příprava materiálu pro svařování plamenem 

Svarové plochy se zbaví nečistot, barvy, rzi aj. Svarové plochy se upravují podle 

tloušťky materiálu tak, aby bylo zajištěno dokonalé provaření. Správná poloha součástí během 

svařování se zajistí nastehováním, mechanickým upnutím nebo jiným způsobem. 

Způsoby svařování 

Podle polohy hořáku, svařovacího drátu a postupu při svařování se rozeznává 

levosměrný způsob (doleva, dopředu) a pravosměrný způsob (doprava, dozadu) svařování. 

Svařovat se může v poloze vodorovné, svislé nebo nad hlavou. Pro snazší svařování (v 

nejvhodnější poloze) se používá různých svařovacích přípravků (polohovadel). Svařování 

plamenem se používá v kusové a malosériové výrobě, v opravárenství pro svařování ocelí do 

tloušťky 5 mm, litiny a pro navařování. Pro velkou pracnost je u větších tlouštěk nahrazeno 

svařováním elektrickým obloukem, zejména svařováním v CO2. Tenké plechy se často svařují 

elektricky odporově (svařování bodové, švové). 

Svařování elektrickým obloukem 

V dnešní době je to nejpoužívanější způsob tavného svařování. Zdrojem tepla je 

elektrický oblouk, který vznikne mezi elektrodou a svařovaným materiálem (nebo mezi 

dvěma elektrodami), jestliže je zapojíme na vhodný zdroj elektrického proudu. Teplem 

elektrického oblouku dojde k místnímu natavení a ke spojení (svaření) svařovaných součástí. 

Při svařování se používá stejnosměrného nebo střídavého proudu o napětí 10 až 70 V a 

intenzitě 30 až 500 A, popř. i více. Proto se proud ke svařování nemůže odebírat přímo ze sítě 

(230 nebo 400 V). Zdrojem stejnosměrného proudu jsou točivé svařovací agregáty (např. 

Triodyn K 220, K 230) a usměrňovače (např. SM 200, 502, KM 350, WTS 500), zdrojem 

střídavého proudu jsou svařovací transformátory (např. TR 260, 350). 

Elektrody mohou být netavné nebo tavné. Netavné elektrody (uhlíkové, wolframové) 

slouží jen jako prostředek k vytvoření oblouku a neposkytují svarový kov. Tavné elektrody


mají zpravidla stejné nebo podobné složení jako svařovaný materiál, teplem oblouku se 

odtavují a dodávají do svaru přídavný (svarový) kov. Mohou být holé nebo obalené. 

Holé elektrody se používají pouze při svařování v ochranné atmosféře nebo svařování 

pod tavidlem. Obalené elektrody se používají jak pro proud stejnosměrný, tak střídavý. 

Polarita elektrody závisí na druhu jejího obalu. Účelem obalu je stabilizovat oblouk, chránit 

svarový kov před přístupem vzduchu, zpomalit chladnutí svaru vytvořenou struskou, popř. 

dodat do tavné lázně některé přísadové prvky (Cr, Ni, Mo, V aj.). 

Rozhodující vliv na jakost svaru má při ručním svařování průměr elektrody, svařovací 

proud, délka oblouku a rychlost svařování. Průměr elektrody se volí podle tloušťky 

svařovaného materiálu, tvaru, rozměru a polohy svaru, druhu obalu a podle velikosti 

svařovacího proudu. Snaha po zvýšení produktivity ručního svařování vedla k výrobě 

speciálních druhů elektrod. Jsou to zejména elektrody větších průměrů, hlubokozávarové a 

vysokovýkonné (vysokovýtěžkové) elektrody. 

Svařování obalenou elektrodou. 

Teplem oblouku se taví svařovaný materiál, kovové jádro elektrody i obal. Struska 

vytvořená z obalu chrání odtavované kapky kovu před škodlivými účinky vzduchu tím, že 

jednak kapky kovu obaluje (usadí se na nich ve formě strusky) a jednak vytváří plynovou 

clonu, která zabraňuje přístupu vzduchu (kyslíku, dusíku) k nim. Svařuje se nejčastěji ručně, 

ve všech polohách. 

Svařování pod tavidlem 

Elektroda (holý svařovací drát) je odvíjena z bubnu a podávána do místa svaru, které 

bylo předtím pokryto vrstvou zrněného anorganického tavidla. Svařuje se nejčastěji 

automaticky stejnosměrným i střídavým proudem. Stejnosměrného proudu se používá pro 

tenké plechy, protože zajišťuje i při nízké intenzitě dostatečnou stabilitu elektrického oblouku. 

Hlavní předností této metody je velká produktivita (proti ručnímu svařování až 5x 

vyšší, oblouk neozařuje okolí, metalurgické reakce mezi svarovým kovem a aktivní 

(natavenou) částí tavidla příznivě ovlivňují jakost svaru. Teplo oblouku je soustředěno do 

úzkého pásma, takže lze svařit plech až 15 mm oboustranně bez úkosů. Svařovat se dá i 

dvěma elektrodami, použije-li se automat s dvojitou hlavou. Zvýší se tím rychlost a 

produktivita svařování. 

Svařování pod tavidlem je vhodné pro svařování nízkolegovaných konstrukčních 

ocelí. Mechanické vlastnosti svaru vyhovují nejvyšším požadavkům. Touto metodou se 

svařují důležité konstrukce (např.mosty, kotlové pláště) tupými nebo koutovými svary. 

Tloušťka svařovaných částí může být 2 až 200 mm.


Svařování v ochranném plynu 

Jinou možností ochrany svarového kovu před účinky okolní atmosféry je obklopení 

oblouku a nataveného kovu umělou atmosférou, vytvořenou vhodným ochranným plynem. 

Podle použitého plynu se rozlišují i způsoby svařování. 

Svařováni v ochranné atmosféře oxidu uhličitého, metoda MAG (Metal Aktiv 

Gas) 

Elektrický oblouk hoří mezi kovovou elektrodou (holý drát o průměru 0,8 až 2,4 mm) 

a svařovaným materiálem v atmosféře CO2. Plyn musí mít čistotu alespoň 99,5 %. Při tomto 

poloautomatickém nebo automatickém způsobu se svařuje výhradně proudem stejnosměrným 

při kladné polaritě elektrody. Výhodou je nízká cena plynu, velká odtavovací rychlost 

elektrody, možnost svařovat i navařovat a velká produktivita. Hluboký závar umožňuje 

svařovat 

plechy do tloušťky 12 mm bez úkosů. Při svařování v CO2 lze přivádět současně s plynem 

magnetické tavidlo. Účinkem svařovacího proudu je zmagnetizován drát, na jehož povrchu se 

tavidlo zachytí. Tavidlo zvyšuje stabilitu elektrického oblouku a chrání svar vrstvou strusky. 

Svařování s magnetickým tavidlem se používá pro materiály do tloušťky 3 mm. 

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

Elektrický oblouk hoří mezi wolframovou elektrodou a svařovaným materiálem v 

proudu netečného plynu argonu. Argon chrání svarový kov před přístupem vzduchu a zvyšuje 

stabilitu oblouku, protože má nízké ionizační napětí. Svařuje se zpravidla ručně, střídavým 

nebo stejnosměrným proudem. Zapojí-li se elektroda na kladný pól (obrácená polarita), 

dopadají kladně nabité ionty argonu na povrchovou vrstvu oxidu, kterou rozrušují a tím i čistí. 

Závar je mělký a široký, elektroda tlustá. Při zapojení elektrody na záporný pól (přímá 

polarita), nemá argon čisticí účinek. Závar je úzký a hluboký, elektroda tenká. Při zapojení na 

střídavý proud se k čištění argonem využívá kladné půlperiody. Druh zapojení se volí podle 

velikosti a druhu oxidové vrstvy na svařovaném materiálu. 

Metody WIG se používá s úspěchem pro svařování korozivzdorných a žáropevných 

ocelí, lehkých kovů a jejich slitin, mosazí a niklu.


Svařování působením tepla a tlaku 

Teplem natavené stykové plochy jsou k sobě současně přitlačovány tak, že dojde k 

jejich svaření. Z metalurgického hlediska je lhostejné, jaký zdroj tepla se použije. Volí se 

takový, který v praxi nejlépe vyhovuje. 

Elektrické odporové svařování 

Svařovaným materiálem protéká v místě spoje elektrický proud. V tomto místě je 

nejmenší přechodový odpor, materiál se ohřeje na teplotu tavení a tlakem se spojí (svaří). 

Vzhledem k nízkým hodnotám pracovního napětí (0,5 až 20 V) a elektrického odporu 

(součásti krátké a masivní), se musí použít vysokých proudů (až přes 105 A). Potřebné 

množství tepla pro svařování se získá buď působením vysokých proudů v krátkém čase (tzv. 

tvrdý režim), nebo působením nižších proudů po delší dobu (tzv. měkký režim). U moderních 

svářeček se dává přednost tvrdému režimu. 

Odporové svařování se používá v kusové i sériové výrobě. Jeho výhoda je v možnosti 

mechanizace a automatizace. Každá odporová svářečka má dvě části: elektrickou a 

mechanickou. Elektrická část se skládá ze svařovacího transformátoru a slouží k ohřevu 

materiálu na teplotu svařování. Mechanická část se skládá z upínacího a přítlačného zařízení. 

Všechny odporové svářečky pracují tak, že nejprve sevřou svařované součásti dosedacím 

tlakem a teprve 

potom se do elektrod vpustí svařovací proud. Po svaření se nejdříve přeruší přívod 

svařovacího proudu a potom přestane působit dosedací tlak. 

Svařování stykové 

Střídavý proud se přivádí ze sítě na svorky primárního vinutí transformátoru. V 

sekundární cívce se indukuje proud o napětí 1 až 12 V. Svařuje se nejčastěji odtavovacím 

způsobem. 

Stykové plochy nemusí být pečlivě očištěny a upraveny, protože nerovnosti se 

odstraní odtavením. Součásti se k sobě přitlačí a vlivem přechodového odporu se okolí 

stykových ploch ohřeje na odtavovací teplotu. Po zažehnutí oblouku nastává vlastní 

odtavování, ze svarových ploch srší proud jisker (ochrana proti oxidaci spoje). Protože 

materiál ubývá, musí se součásti k sobě přibližovat. V další fázi se součásti (bez přerušení 

jiskření) k sobě přitlačí a svaří. Přitlačením se ještě odstraní zbylé nečistoty a vytvoří se 

charakteristický otřep. Svar má velmi dobrou jakost.


Svařování bodové 

Součásti se přeplátují a sevřou mezi dvě elektrody. Potom se zapne elektrický proud. 

Roztavení a svaření nastane ve stykových plochách obou součástí, v místě nejmenšího 

přechodového odporu. Jakmile je svar hotov, svařovací obvod se automaticky vypne. Svar 

tuhne dále pod tlakem, takže je zabráněno vzniku staženin. Elektrody jsou z mědi nebo jejích 

slitin. 

Uvnitř jsou chlazeny vodou. Vlivem chladicího účinku má svar jemnozrnnou strukturu. K 

časovému omezování proudů se používá elektromagnetických stykačů (do 0,1 s) nebo 

elektronických prvků. Svařovací tlak i proud jsou v určité časové závislosti. Moderní 

svařovací stroje mají programovací řízení, které umožňuje složitější svařovací cykly. 

Svařování švové 

Švové svařování je obdobou bodového svařování. Elektrody chlazené vodou, mají tvar 

kotouče.Lze jimi svařovat průběžně. Plechy do tloušťky 1 mm se svařují nepřerušovaným 

střídavým proudem (za 1 s vznikne 100 proudových impulsů, čili 100 svarů). Plechy větších 

tlouštěk se svařují proudem přerušovaným. Svary mohou být přeplátované nebo tupé. 

Obr. Svařování tlakem za studena 

Svařování působením tlaku za studena 

Podstata metody záleží v přitlačení spojovaných součástí na vzdálenost odpovídající 

řádově parametru jejich krystalové mřížky. Ke svaření dojde vlivem difůze, při níž se ve 

stykových plochách vytvoří vazby mezi hraničními mřížkami.


Svařované součásti se přiloží k sobě plochami zbavenými oxidů a čelistmi se stlačí 

tak, aby byl ve stykových plochách tlak vyšší, než je mez plasticity základního materiálu. 

Tlak závisí hlavně na druhu materiálu; bývá v rozmezí 300 až 3 800 MPa. Nejlepších 

výsledků se dosahuje u hliníku a jeho slitin. Dobře se také svařují nikl, olovo, měď a stříbro. 

Tohoto způsobu se používá při výrobě konzervových krabic, nádrží, trubek aj.Tloušťka 

svařovaných plechů nepřesahuje 5 mm. Svary jsou buď švové nebo bodové. 

Tohoto způsobu se s výhodou také používá při svařování hliníkových a měděných 

vodičů většího průřezu. 

Svařování ultrazvukem 

Při svařování ultrazvukem jsou spojované materiály vystaveny účinkům ultrazvuku za 

současného působení tlaku. Mechanické kmity jsou přenášeny vlnovcem na tzv. sonotrody, 

jejichž úkolem je soustředit tlakovou sílu a mechanické kmity do místa svaru. Při svařování 

kovů působí tlaková síla a mechanické kmity ve vzájemně kolmých směrech.Ultrazvukem lze 

svařovat nejen kovy (různého druhu, velmi malé tloušťky - 0,005 až 3 mm), ale i plasty. 

Omezená je jen jedna tloušťka svařované součásti, druhá může být libovolně tlustá. Spoje se 

dělají přeplátované, bodové nebo švové. 

2.4.3 Pájení 

Pájení je způsob nerozebíratelného spojení kovů stejného nebo rozdílného chemického 

složení roztaveným kovem - pájkou. Pájka proniká do základního materiálu a rozpouští se v 

něm (vytváří se tuhý roztok). Její teplota tavení je vždy nižší, než je teplota tavení základního 

materiálu. Pájený spoj má horší mechanické vlastnosti než pájený kov. Pájka musí mít dobrou 

zatékavost, vzlínavost, vyhovující mechanické vlastnosti, malý rozdíl elektrického potenciálu 

vůči základnímu materiálu a nízkou cenu. Podle teploty tavení se pájky dělí na měkké (do 

500 °C) a tvrdé (500 až 1 000 °C). 

Měkké pájky jsou cínové a zvláštní. Dodávají se ve tvaru litých tyček, trubiček s 

náplní tavidla, zrn apod. Měkké pájky se používají na spoje malé pevnosti (20 až 60 MPa). 

Tvrdé pájky jsou založeny na bázi slitin mědi, hliníku a stříbra. Dodávají se ve formě 

housek, drátů apod. Používají se na spoje větší pevnosti (až 500 MPa). 

Tavidla jsou kapalné nebo tuhé chemické látky, které odstraňují z pájených ploch 

nečistoty a zabraňují jejich dodatečné oxidaci. Aby působila co nejúčinněji, musí se tavit při 

teplotě o 200 až 300 °C nižší, než je teplota pájení. 

Měkké pájení se používá ke spojování měkkých i tvrdých ocelí, pozinkovaných i 

pocínovaných ocelových plechů, hliníku, slitin mědi apod. K pájení slouží pájedla, jejichž 

hroty jsou ohřívány elektricky nebo plamenem. 

Tvrdé pájení se používá hlavně tam, kde je spoj namáhán zejména na tah. Pájí se 

hliník a jeho slitiny, ocel s jinými kovy apod. K ohřevu se nejčastěji používá 

kyslíkoacetylenového, nebo kyslíkopropanbutanového plamene, seřízeného na teplotu pájení. 

2.4.4 Výroba drátů 

Jádra kabelů a vodičů se nejčastěji zhotovují z mědi a hliníku. Měděný drát je do 

kabeloven dodáván ve svitcích o hmotnosti: 

a) 80 až 120 kg - válcovaný z bárníků, lisovaný z čepů (bloků) 

b) 1 až 5 t - kontinuálně litý a válcovaný event. tažený.


Jeho průměr se většinou pohybuje v rozmezí 6 až 10 mm, při výrobě dynamovodičů větších 

průřezů se používá drátů i s větším průměrem. Měděný drát musí mít bezvadný povrch, bez 

nečistot, šupin, převalků a trhlin, nesmí mít vměstky, oxidy ani dutiny, jednak aby se netrhal 

při dalším zpracování (tažení), jednak aby drát v konečné dimenzi měl povrch jakosti 

potřebné pro nanesení izolační vrstvy. Povrch drátu však nemá být příliš hladký, má mít malé 

prohlubeniny, aby se v nich dobře zachytil mazací prostředek pro tažení. Ulpívá-li mazací 

film na povrchu drátu špatně, stoupá opotřebení tažecích průvlaků i kotoučů. 

Válcovaný drát je na povrchu okysličen a nehodí se bez další úpravy ke zpracování. 

Vrstva kysličníku z povrchu měděného drátu se odstraňuje mořením ve zředěné kyselině 

sírové (60 až 80 °C, 20 až 30 minut). Velmi důležité je důkladné opláchnutí drátu po moření 

a pasivaci povrchu. 

Měděný drát, vyráběný kontinuální technologií (Properzi, Southwire, Hazelett, 

Contirod, Dip-forming, Outkompu) má ve většině případů povrch vhodným způsobem 

pasivován tak, aby k oxidaci nedocházelo. Takovýto drát je možno zpracovávat bez moření. 

Hliníkový drát přichází do kabeloven ve svitcích o hmotnosti do 1 600 kg. Jeho 

průměr se obvykle pohybuje v rozmezí 8 až 12 mm. Je-li určen pro zpracování na zařízení 

Conform, je jeho průměr vyšší (14 až 20 mm). U Al drátu není třeba před tažením provádět 

úpravu povrchu. 

Vlastní výroba drátů v kabelovnách se provádí tažením na vhodný průměr 

s následným žíháním, vyžadují-li to další technologické operace. 

Tažení drátů 

Tažení drátů je tvářecí proces, při kterém se za studena postupně zmenšuje průměr 

drátu protahováním tažecími průvlaky pomocí tažecích kotoučů. Tím se drát postupně 

prodlužuje, a proto musí být odtahová rychlost každého dalšího tažecího kotouče vyšší než 

kotouče předcházejícího. Tento požadavek se u tažecích strojů řeší dvěma zásadními způsoby: 

Tandemové tažečky. Všechny tažecí kotouče mají stejný průměr, každý kotouč má 

jiné otáčky (postupně se zvyšují). Průvlaky a tažecí kotouče jsou řazeny za sebou, v tandemu. 

Kuželové tažečky. Všechny tažecí kotouče mají stejné otáčky, každý kotouč je jiného 

průměru (postupně se zvyšuje). Průvlaky jsou uspořádány v řadě, tažecí kotouče tvoří na 

hřídelích kužel. 

Aby měl drát hladký a lesklý povrch, musí se při tažení intenzívně mazat. Měděné a 

hliníkové dráty se táhnou za mokra. Tažecí průvlaky a kotouče jsou zkrápěny proudem tažecí 

emulze, případně jsou kotouče v emulzi částečně nebo zcela ponořeny. Tažecí emulze 

současně odvádí vyvíjené přetvárné teplo. Složení emulze závisí na materiálu taženého drátu a 

jeho průměru, v menší míře též na typu tažečky. Většinou jsou to vodní emulze oleje, tuků a 

mýdla. Pro tažení hliníkových drátů se používají tažecí oleje s přídavkem různých tuků, např. 

lanolínu. 

Pro výrobu kabelů a vodičů je potřebný rozsah průměrů tažených drátů velmi široký, 

asi od 0,01 do 4,5 mm průměru. Tomu odpovídá i velký počet typů, provedení a konstrukcí 

tažecích strojů. Zhruba se tažečky rozdělují podle vstupního a konečného průměru drátu na 

tyto druhy: hrubotahy, střední tahy, jemné tahy a zvlášť jemné tahy. 

Přesnost rozměrů a jakost povrchu tažených drátů je dána v prvé řadě přesností 

tažecích průvlaků a jejich dokonalých opracováním. Průvlak se skládá z jádra (diamantového 

nebo tvrdokovového) a objímky. V jádru vybroušený tažný otvor má čtyři funkční části. 

Vstupní kužel (mazací kužel), kterým se do průvlaku přivádí mazadlo ke snížení tření při 

tažení. Tažný kužel, ve kterém se vstupní průměr taženého drátu přetváří na menší. Kalibrační


válec, kterým se tažený drát kalibruje na předepsaný průměr. A konečně výstupní kužel, 

chránící kalibrační část průvlaku před poškozením. 

Podle stupně opotřebení se tažecí průvlaky jen brousí a leští nebo se před broušením 

ještě brousí nahrubo. Při všech těchto operacích se průvlaky obrábějí brusnou pastou, 

diamantové diamantovým práškem v oleji, tvrdokovové karbidem bóru ve vazelíně. 

Žíhání drátů 

Tažením se mění krystalická struktura Cu, a tím i její fyzikální vlastnosti. Tažnost 

klesá, pevnost stoupá – drát je tvrdý. Aby se znovu získaly původní vlastnosti materiálu 

(tažnost, ohebnost), musí se drát zahřát na rekrystalizační teplotu 200 až 400 °C. Dráty se 

musí žíhat. Vyžaduje-li to technologie tažení (překročí-li redukce průměru 90 až 95 %), je 

zařazeno i mezižíhání. 

Žíhání se musí provádět v ochranné atmosféře, aby měděný drát byl ochráněn před 

oxidací. Vlastní žíhání se provádí: 

a) průběžně (odporově – Jouleovým teplem) 

b) v pecích (hrncových, komorových). 

Cínování drátů 

Cínováním se chrání měděné dráty před korozním účinkem určitých složek pryžových 

směsí (zejména síry) nebo před vlivy povětrnosti. Jádra některých typů vodičů se cínují 

z toho důvodu, aby se usnadnilo jejich pájení při montáži. Tloušťka cínové vrstvy bývá 

0,002 až 0,015 mm. Měděné dráty se cínují buď za tepla nebo elektrolyticky. 

Cínování za tepla. Při cínování za tepla se měděný drát protahuje nádrží s roztaveným 

cínem (50 až 80 % cínu, zbytek olovo) teploty 320 až 420 o C. Uprostřed nádrže jsou ponorné 

držáky s diamantovými nebo tvrdokovovými vodítky. Cínovací lázně se většinou staví 

v tandemu s tažecími stroji. 

Cínování elektrolytické. Při elektrolytickém cínování je měděný drát katodou, cínová 

deska anodou. Jednochodé cínovací zařízení pracuje průběžně, drát prochází v přímce 

postupně sekcí čisticí, cínovací a chladicí. Tloušťka vrstvy se řídí velikostí proudu a 

odtahovou rychlostí.


Část 3. 

Magnetické materiály 

Obsah: 

3.1. Struktura a vlastnosti fero- a ferimagnetik 

3.2. Fero- a ferimagnetické materiály 

3.3. Speciální magnetické materiály 

3.3 SPECIÁLNÍ MAGNETICKÉ MATERIÁLY 

Fero- a ferimagnetické materiály pro specifická použití 

A. Magnetické granáty 

B. Granáty pro bublinové paměti 

C. Magnetická kompozita 

D. Materiály s magnetostrikčními vlastnostmi 

E. Aktivní povlaky magnetických pásků 

F. Magneticky měkké amorfní slitiny kovů 

F e r i t y 

• Ferity magneticky měkké 

1. Ferity se spinelovou strukturou 

ferospinely (Ferroxcube,Fonox) 

MO.Fe2O3 

M ... Mn, Mg, Zn, Ni, Cd, Cu, příp.Co 

spinelová struktura: 

normální - ferit nemagnetický (ferit Zn, ferit Cd) 

inversní - ferit magneticky aktivní 

smíšená - ferit magneticky aktivní 

2. Ferity s granátovou strukturou 

Fe 2 O 3 + oxidy vzácných zemin 

3. Ferity s hexagonální strukturou 

(Ferroxplan) 

(MO)x.(BaO).(Fe 2 O 3 )y 

M ... Mg, Mn, Co 

• Ferity magneticky tvrdé 

1. Ferity s hexagonální strukturou 

(Durox) 

MO.6Fe2O3 

M ... Ba, Pb, Sr, Ca 

• Ferity se speciálními vlastnostmi 

1. Mikrovlnné ferity s granátovou strukturou 

2. Ferity s pravoúhlou hysterézní smyčkou 

3. Magnetostrikční ferity 

Magnetostrikční ferity pro rezonátory 

Magnetostrikční ferity pro měniče 

4. Ferity pro záznamové a čtecí hlavy


Část 4. 

Polovodičové materiály 

Obsah: 

4.1 Nerovnovážné stavy koncentrace nosičů proudu 

4.2 Přechod PN 

4.3 MIS (MOS) struktura 

4.1 NEROVNOVÁŽNÉ STAVY KONCENTRACE NOSIČŮ PROUDU 

Rovnovážné stavy v polovodiči splňují podmínku termodynamické rovnováhy 

n.p = ni 2 (4.1) 

Nerovnovážné stavy koncentrace nosičů tuto podmínku nesplňují a v případě, že 

n.p > ni 2 (4.2) 

musí existovat zdroj injekce nosičů do polovodiče, při 

n.p < ni 2 (4.3) 

dochází k extrakci nosičů z polovodiče. 

Ve všech dalších úvahách se omezíme na případ nízké úrovně injekce, při které se výrazně 

mění pouze koncentrace menšinových nosičů v polovodiči, zatímco koncentrace většinových 

nosičů zůstává prakticky zachována. 

Pro nadbytečné nosiče musí být též splněna podmínka elektrické neutrality 

∆n = ∆p (4.4) 

a pro výsledné koncentrace nosičů tak lze psát 

n = n0 + ∆n (4.5) 

p = p0 + ∆p (4.6) 

kde index 0 značí koncentrace splňující podmínku termodynamické rovnováhy. 

(Příklad nízké úrovně injekce pro křemík N typu dotovaný 10 16 donory v cm -3 a pokojovou 

teplotu: 

n = 1,45.10 

i 

10 

cm 

16 

0 D 10 cm -3 

n N = 

n 

( ) 2 

10 

10 

-3 10 -3 

1.10 cm 

2 

0 i 

ND 

16 

10 

4 

10 cm -3 

p 

Uvažujme injekci párů elektron díra o koncentraci ∆n = ∆p = 10 10 cm -3 , 

potom 

n n0 n 10 10 10 

16 10 16 

= +∆ = + cm -3 

p = p +∆ p= 

+ 

4 10 10 

0 10 10 10 

cm 

-3


Koncentrace většinových nosičů se nezměnila, naopak dochází k výraznému růstu 

koncentrace menšinových nosičů.) 

Přestane-li působit příčina vyvolávající nerovnovážný stav, vrací se polovodič do 

rovnovážného stavu rekombinací (případ injekce) nebo generací nosičů (při extrakci). 

Při řešení nerovnovážných stavů se vychází z rovnice kontinuity, která pro elektrony má tvar 

a pro díry 

∂ n 1 

= G− R+ divJ 

∂t 

q 

∂ p 1 

= G−R− divJ 

∂t 

q 

n 

p 

(4.7) 

(4.8) 

kde G (m –3 s –1 ) je počet nosičů generovaných v jednotkovém objemu a čase (generační 

rychlost), R (m –3 s –1 ) je počet nosičů rekombinovaných v jednotkovém objemu a čase 

(rekombinační rychlost) a J n a J p jsou vektory proudové hustoty elektronů a děr. 

4.1.1 Doba života minoritních nosičů 

Předpokládejme rovnoměrně osvětlenou desku polovodiče N typu, přičemž energie záření je 

tak velká, že dochází ke generaci párů elektron-díra rovnoměrně v celém objemu polovodiče. 

Situace je znázorněna na obr.4.1. 

Obr. 4.1 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci 

párů elektron díra vnějším zdrojem. 

Uvažujme případ nízké úrovně injekce. Vzhledem k tomu, že v daném případě se koncentrace 

většinových nosičů prakticky nemění, budeme se zabývat pouze menšinovými nosiči, dírami. 

Je-li generační rychlost párů elektron-díra způsobená osvětlením GL (m -3 s -1 ), můžeme rovnici 

kontinuity pro díry psát 

∂p 

∂t 

n 

= G + G −R 

L T 

(4.9) 

kde GT (m -3 s -1 ) je generační rychlost nosičů teplem ( odpovídající termodynamické 

rovnováze), R (m -3 s -1 ) je celková rekombinační rychlost nosičů.


Zavedeme pojem tzv. čisté rekombinační rychlosti U (m -3 s -1 ), vztahující se k nerovnovážným 

nosičům náboje 

U = R – GT (4.10) 

Je zřejmé, že ve stavu termodynamické rovnováhy, kdy tepelná generace nosičů je 

v rovnováze s jejich rekombinací je U = 0. 

Předpokládejme tzv. lineární rekombinaci, kdy pro čistou rekombinační rychlost platí 

1 

U = p − p ) (4.11) 

τ 

( n n0 

p 

Veličina τp má rozměr času a je to doba života minoritních nosičů v polovodiči. 

Dosazením do vztahu (4.9) dostáváme 

∂pn 

1 

= G − p − pn 

) 

(4.12) 

∂t 

τ 

L ( n 0 

p 

V ustáleném stavu, kdy se osvětlení polovodičové desky nemění 

∂p 

∂t 

n 

= 0 

dostáváme řešením (4.12) pro koncentraci menšinových děr při osvětlení pnL 

nL n0 p L 

(4.13) 

p = p + τ G (4.14) 

Přestane-li následně zdroj světla, generující nerovnovážné nosiče působit (GL = 0), klesá 

koncentrace nerovnovážných nosičů 

∂p 

∂t 

n 

1 

=− ( p −p 

τ 

p 

n n0 

Řešení (4.15) s počáteční podmínkou pn(0) = pnL 

) (4.15) 

⎛ t ⎞ 

pn() t = pn0 + ( pnL − pn0).exp⎜− ⎜ 

⎟ (4.16) 

⎝ τ ⎟ 

p ⎠ 

je graficky znázorněno na obr. 4.2. 

Obr. 4.2 Pokles koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu pro různé doby 

života menšinových nosičů τp.


Vidíme, že jakmile přestal působit vnější zdroj generace nadbytečných nosičů, polovodič se 

vrací do stavu termodynamické rovnováhy podle exponenciální funkce času, přičemž rychlost 

návratu je závislá na době života menšinových nosičů náboje. 

4.1.2 Povrchová rekombinace 

U reálných polovodičů nedochází nikdy k rovnoměrné rekombinaci nosičů v celém 

objemu polovodiče. U povrchu polovodiče, který představuje porušení struktury materiálu, se 

významně uplatňuje povrchová rekombinace. 

Předpokládejme, že v desce polovodičového materiálu N typu z předešlého případu 

dochází ke zvýšené rekombinaci pouze na ploše ležící v rovině x = 0 (obr.4.3) V tomto 

případě se bude koncentrace děr v určitém místě vzorku měnit také vlivem toku nosičů k této 

ploše, kde je jejich koncentrace díky zvýšené rekombinaci nižší než v objemu. 

Obr.4.3 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci 

nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem a povrchové rekombinaci na 

ploše 

x = 0. 

Rovnici kontinuity pro díry lze v tomto případě psát 

∂pn 1 ∂J 

p 

= GL−U − 

4.17) 

∂t q ∂x 

( 

kde proudová hustota děr tekoucích k povrchu 

∂p 

J qp E qD 

x 

n 

p = µ p − p 

∂ (4.18) 

se skládá z driftové a difúzní složky proudové hustoty. Lze dokázat, že pro případ nízké 

úrovně injekce lze driftovou složku proudové hustoty menšinových nosičů zanedbat a 

uvažovat pouze difúzní složku proudové hustoty menšinových nosičů, v našem případě děr, 

tekoucích k povrchu. 

2 

∂p p − p ∂ p n 

G Dp 

( 4.19) 

2 

∂t ∂x 

n n n0 

= L − + 

τ p 

Budeme uvažovat řešení pro ustálený stav (konstantní osvětlení), kdy 

∂p 

∂t 

n 

= 0 

(4.13)


a pro okrajové podmínky 

p ( ∞ ) = p = p + τ G ( 4.20) 

n nL n0 

p L 

∂pn 

Dp x= 0 sp[ pn(0) pn 

(4.21) 

∂x 

= − ] 0 

První okrajová podmínka vyjadřuje, že koncentrace mešinových děr v objemu polovodiče, 

daleko od povrchu kde rekombinují, je rovna nerovnovážné koncentraci stanovené 

v předchozím případě. Druhá podmínka vyjadřuje, že všechny díry, které difúzí dorazí 

k povrchu pro x = 0, zde rekombinují. Stejně jako u objemové rekombinace se předpokládá, 

že děj je úměrný přebytku děr u povrchu oproti rovnovážné koncentraci. Konstantou 

úměrnosti je rychlost povrchové rekombinace menšinových děr, sp (m s -1 ). Řešení rovnice 

(4.19) pro ustálený stav a okrajové podmínky (4.20) a (4.21) je 

s τ ⎛ ⎞ 

p p x 

pn( x) = pnL −( pnL − pn0). 

.exp⎜− 

⎜ 

⎟, 

( 4.22) 

Lp ⎝ L ⎟ 

p ⎠ 

kde L = D τ 

(4.23) 

p p 

Lp (m) je difúzní délka děr. 

p 

Na obr.4.4 je graficky znázorněno řešení rovnice (4.22) pro různé povrchové rekombinační 

rychlosti a pro jednu difúzní délku děr, řešení znázorněné na obr.4.5 vyjadřuje vliv rozdílných 

difúzních délek nosičů při velmi vysoké povrchové rekombinační rychlosti děr. 

Obr.4.4 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci 

nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem a povrchové rekombinaci na 

ploše 

pro x 

= 0 s různou povrchovou rekombinační rychlostí sp.


Obr. 4.5 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při objemové generaci 

nerovnovážných párů elektron díra vnějším zdrojem a povrchové rekombinaci 

s vysokou povrchovou rekombinační rychlostí sp na ploše pro x = 0 pro tři různé 

difúzní délky nosičů Lp. 

Obdobným postupem lze odvodit pro polovodič N typu rozložení menšinových děr při jejich 

generaci v povrchové vrstvě (pro x = 0) a rekombinaci v objemu. V daném případě se řeší se 

rovnice kontinuity pro ustálený stav 

∂ p 1 

D ( p p ) = 0 

p 

2 

n − 2 

∂x 

τ p 

n − n0 

p ( ∞ ) = p 

( 4.26) 

n0 

(4.24) 

Okrajové podmínky vyjadřují konstantní koncentraci menšinových nosičů v místě jejich 

generace a jejich rovnovážnou koncentraci v objemu, daleko od povrchu kde jsou 

generovány. 

Řešení má tvar 

pn(0) = konst. (4.25) 

n 

⎛ x ⎞ 

pn( x) = pn0 + [ pn(0) − pn0] 

.exp⎜− ⎜ 

⎝ Lp ⎠ 

⎟ (4.27) 

a je znázorněno pro různé difúzní délky nosičů na obr. 4.6. 

Obr.4.6 Koncentrace menšinových nosičů v polovodičovém materiálu při generaci na povrchu 

pro x = 0 a objemové rekombinaci pro různé difúzní délky minoritních nosičů Lp.


4.1.3 Mechanismus rekombinace 

Přechod elektronu z vodivostního pásu do valenčního a jeho rekombinace s volnou dírou se 

nazývá mezipásmový rekombinační přechod a uplatňuje se především u polovodičů s tzv. 

přímou pásovou strukturou (např. některé polovodiče ze skupiny A III B V ) . Doba života 

menšinových nosičů u mezipásmového přechodu klesá s rostoucí koncentrací většinových 

nosičů. 

Dalším typem rekombinace je rekombinace prostřednictvím rekombinačních (generačních) 

center, jejichž energetické hladiny se nacházejí v zakázaném pásu polovodiče, poblíž středu 

tohoto pásu. Centra jsou vytvářena různými druhy příměsí (tzv. hluboké příměsi na rozdíl od 

mělkých příměsí donorů a akceptorů, nacházejících se u okrajů zakázaného pásu) nebo 

poruchami krystalové mříže. Energetické hladiny v blízkosti středu zakázaného pásu slouží 

jako stupně k převádění elektronů a děr mezi valenčním a vodivostním pásem. Lze ukázat, že 

rekombinace bude nejúčinnější pro centra, která vytvářejí hladiny co nejblíže středu 

zakázaného pásu. Doba života menšinových nosičů je potom ovlivněna koncentrací těchto 

účinných center. Příkladem takového centra je zlato, které v křemíku vytváří celkem čtyři 

hladiny, z nichž dvě leží blízko středu zakázaného pásu. Při koncentraci Au v rozmezí 10 20 až 

10 23 m -3 se doba života mění v mezích 2.10 -7 až 10 -10 s. 

4.2 PŘECHOD PN 

Polovodičové součástky využívají elektrických vlastností přechodu mezi polovodiči typu P a 

N. Idealizovaný jednorozměrný model přechodu PN s průběhem koncentrací nosičů je 

znázorněn na obr. 4.7. 

Obr.4.7 Jednorozměrný model přechodu PN s průběhem koncentrací donorů, akceptorů, 

většinových a menšinových nosičů. 

Na přechodu dochází vlivem koncentračního spádu k difúznímu toku většinových nosičů do 

oblasti, ve které se stávají nosiči menšinovými. Předpokládáme, že v oblasti blízké přechodu 

je v důsledku tohoto odtoku nosičů koncentrace pohyblivých nosičů malá ve srovnání 

s koncentrací nepohyblivých, ionizovaných donorů a akceptorů. Nevykompenzovaný


elektrický náboj těchto ionizovaných příměsí vytváří elektrické pole, které brání dalšímu 

odtoku většinových nosičů. Elektrický náboj nevykompenzovaných příměsí vytváří v oblasti 

přechodu tzv. oblast prostorového náboje. 

Tedy při spojení polovodiče typu P s polovodičem typu N přecházejí vlivem koncentračního 

spádu elektrony z oblasti N do P a díry z P do N polovodiče tak dlouho, až vzniklé elektrické 

pole dalšímu toku zabrání, neboli dochází k rovnováze mezi difúzní a driftovou složkou 

proudové hustoty 

∂n 

J n = qnµ nE+ qDn = 0 

(4.28) 

∂ x 

∂p 

J p = qpµ pE−qDp = 0 

(4.29) 

∂ x 

Řešením rovnice (4.28), příp.(4.29) můžeme určit velikost potenciálu elektrického pole 

v oblasti prostorového náboje na přechodu. Při použití Einsteinova vztahu a označíme-li 

celkovou změnu potenciálu jako difúzní napětí na přechodu UD, pro velikost difúzního napětí 

dostáváme 

U 

D 

kT pp kT nn 

= ln = ln 

(4.30) 

q p q n 

n p 

Řešením předchozích rovnic (4.28), příp. (4.29) lze též ukázat, že bez vnějšího napětí na 

přechodu je poloha Fermiho hladiny přes celý přechod PN konstantní 

WF = konst. (4.31) 

4.2.1 Elektrostatické řešení přechodu PN 

Elektrostatické řešení přechodu vychází z Poissonovy rovnice, kterou jednorozměrně můžeme 

vyjádřit 

dE( x) Q( x) 

= (4.32) 

dx εε 

0 

r 

Známe-li rozložení elektrického náboje Qx ( ) v oblasti přechodu, integrací stanovíme 

intenzitu elektrického pole Ex. ( ) Vzhledem k platnosti vztahu 

dU( x) 

Ex ( ) =− a (4.33) 

dx 

W( x) =− qU( x) 

(4.34) 

pro energii elektronu, můžeme z rozložení intenzity elektrického pole následně stanovit 

rozložení potenciálu, resp. energií. 

Naznačíme si grafické řešení Poissonovy rovnice pro jednu z používaných idealizací 

rozložení náboje na přechodu, pro tzv. strmý přechod, u kterého se koncentrace donorů ND 

mění v místě přechodu pro x = 0 skokem na koncentraci akceptorů NA . Oblast prostorového 

náboje o celkové šířce w leží částečně v polovodiči typu N (-xn, 0), částečně v polovodiči typu 

P (0, xp) – viz obr. 4.8.


a) Koncentrace příměsí pro idealizovaný strmý PN přechod. Koncentrace na přechodu se 

mění skokem z ND na NA 

b) Oblast prostorového náboje pro strmý přechod 

c) Intenzita elektrického pole pro strmý přechod. Průběh intenzity dostaneme řešením 

Poissonovy rovnice (4.32). Plocha pod křivkou je rovna velikosti difúzního napětí 

d) Průběh energetických hladin na přechodu, WF = konst. Průběh energetických hladin 

v oblasti prostorového náboje bude mít parabolický tvar a je dán řešením rovnic (4.33) a 

(4.34) 

Obr.4.8 Elektrostatické řešení strmého přechodu PN. 

Z podmínky nábojové neutrality plyne, že celkový náboj musí být po obou stranách přechodu 

stejný a tedy


NDxn = NAxp (4.35) 

Ze vztahu (4.35) plyne, že oblast prostorového náboje na přechodu PN se rozšiřuje převážně 

do té části polovodiče, která je méně dotována příměsemi. 

Pro maximální intenzitu elektrického pole na strmém přechodu lze řešením Poissonovy 

rovnice odvodit 

qN qN 

D 

A 

Emax = xn 

= 

εε 0 r εε 0 r 

a pro velikost difúzního napětí 

1 

U E 

2 

x p 

(4.36) 

D = max w (4.37) 

Z rovnic (4.36) a (4.37) lze určit šířku oblasti prostorového náboje pro strmý přechod PN 

w 

2εε 0 r NA + ND 

= U D 

(4.38) 

q N N 

A D 

Pro nesymetrický přechod, kdy např. ND >> NA dostaneme 

w 

2εε 1 

q N 

0 r = U (4.39) 

D 

A 

a prakticky celá oblast prostorového náboje se realizuje v oblasti polovodiče typu P. 

Je-li k přechodu přiloženo vnější napětí U musí se toto napětí při stanovení šířky oblasti 

prostorového náboje přičítat k difúznímu napětí v rovnici (4.38) s kladným znaménkem pro 

zpětný směr ( U D − U) 

a se záporným znaménkem ( U D + U) 

pro přímý směr. 

4.2.2 Ideální voltampérová charakteristika PN přechodu 

Přiložíme-li vnější zdroj napětí na přechod tak, že kladné napětí je straně P a záporné na 

straně N, potom vnější elektrické pole sníží potenciálovou barieru na přechodu. Na přechodu 

dochází k růstu difúzních složek proudových hustot, nastává injekce nosičů, oblast 

prostorového náboje je zaplavena injekovanými nosiči, prochází proud v přímém směru. 

Přechod představuje malý odpor, šířka oblasti prostorového náboje w se zmenší. Elektrický 

proud v oblasti P je zprostředkován dírami, v oblasti N elektrony. Díry, které se dostanou přes 

přechod představují v oblasti N menšinové nosiče, nemohou tam stabilně existovat a 

rekombinují postupně s elektrony. Situace je schematicky znázorněna na obr. 4.9. 

Jiná situace nastává, je-li polarita přiloženého napětí opačná. Dochází ke zvýšení potenciálové 

bariery na přechodu, šířka oblasti prostorového náboje se zvětšuje, jak elektrony na straně N, 

tak díry na straně P se vzdalují od přechodu, přechodem prochází pouze malý zbytkový 

proud. Přechod je orientován v závěrném směru a představuje velký odpor. 

Úpravou vztahu (4.30) můžeme pro původní rovnovážné koncentrace (označíme indexem 0) 

psát 

pp 0 ⎛qU D ⎞ 

= exp⎜ 

4.40) 

pn0⎝ kT 

⎠ 

⎟ (


Při přiložení napětí U v přímém směru se potenciálová bariéra zmenší o velikost tohoto napětí 

a analogicky pro koncentrace p1 a p2 z obr. 4.9 můžeme uvést 

p ⎡ 1 qU ( D −U) 

⎤ pp 

0 ⎛ qU⎞ 

= exp ⎢ ⎥ = exp⎜− 

⎟ 

p2 ⎣ kT ⎦ pn0 

⎝ kT ⎠ 

( 4.41) 

Koncentrace děr p2 se skládá z původní koncentrace rovnovážné pno a z koncentrace 

injektovaných děr ∆p2 , obdobně též p1 

p = p +∆ p 

2 n0 

1 p0 

2 

1 

(4.42) 

p = p +∆ p 

(4.43) 

Vzhledem k tomu, že koncentrace vstřikovaných nosičů je malá v porovnání s koncentrací 

většinových nosičů ppo >> ∆p1 (nízkoúrovňová injekce), je p1 ppo a koncentrace 

vstřikovaných menšinových děr do oblasti N typu 

⎡ ⎛qU ⎞ ⎤ 

∆ p2 = pn0 

⎢exp⎜ ⎟−1⎥ 

( 4.44) 

⎢⎣ ⎝ kT ⎠ ⎥⎦ 

⎡ ⎛qU ⎞ ⎤ 

∆ n1 = np0 

⎢exp⎜ ⎟−1⎥ 

( 4.45) 

⎢⎣ ⎝ kT ⎠ ⎥⎦ 

Podobně platí pro elektrony vstřikované do oblasti polovodiče P typu 

Z předchozích dvou vztahů je patrné, že koncentrace injektovaných menšinových nosičů 

závisí pouze na napětí na přechodu a na rovnovážné koncentraci menšinových nosičů 

v oblasti, do které se nosiče vstřikují. Koncentrace nosičů v oblasti odkud dochází k 

injekci nemá vliv. 

Pro oblast typu N můžeme koncentraci nadbytečných minoritních nosičů z obr. 4.9 vyjádřit 

(viz kap.4.1.3, vztah (4.27)) 

⎛ x ⎞ 

pn( x) = pn0 + [ pn(0) − pn0] 

exp⎜− 

⎜ 

⎟ 

⎝ L ⎟ 

p ⎠ 

Proudovou hustotu děr těsně za oblastí přechodu vypočítáme 

∂∆pn( 

x) 

J p ( x= 0) =−qDp 

∂x 

D 

q 

L 

p 

x= 

0 

p 

= ∆ 2 

(4.46) 

p (4.47) 

Obdobným postupem lze pro proudovou hustotu elektronů těsně za oblastí přechodu stanovit 

D 

= ∆ (4.48) 

n J n q n1 

Ln 

Pro celkovou proudovou hustotu tak dostáváme 

⎡D D ⎤ ⎡ 

n p D D ⎤⎡ 

n 

p ⎛qU ⎞ ⎤ 

J = J n + J p = q⎢ ∆ n1+ ∆ p2⎥ = q⎢ np0 + pn0⎥⎢exp⎜ 

⎟−1⎥ 

⎣⎢Ln Lp ⎦⎥ ⎣⎢Ln Lp ⎦⎥⎣⎢ 

⎝ kT ⎠ ⎦⎥ 

Po úpravě 

(4.49)


případně 

⎡ ⎛qU ⎞ ⎤ 

J = J 0 ⎢exp⎜ ⎟−1⎥ 

( 4.50) 

⎢⎣ ⎝ kT ⎠ ⎥⎦ 

⎡ ⎛qU ⎞ ⎤ 

I = I0⎢exp⎜ 

⎟−1⎥ 

( 4.51) 

⎢⎣ ⎝ kT ⎠ ⎥⎦ 

kde zbytkový proud Io 

⎡DD⎤ n 

p 

I0= A J 0 = Aq⎢ np0 + pn0⎥ 

( 4.52) 

⎢⎣Ln Lp 

⎥⎦ 

A je plocha přechodu. 

Vztah (4.51) bývá označován jako ideální voltampérová charakteristika přechodu PN. 

Z ideální voltampérové charakteristiky vyplývá, že závěrný proud je konstantní a roven Io , 

jakmile je napětí záporné a větší, než několik kT/q. Naopak v přímém směru narůstá proud 

prakticky exponenciálně s napětím, pouze pro malá napětí U < kT/q se projeví vliv jedničky 

v závorce. Ideální voltampérová charakteristika je znázorněna na obr.4.10. Reálná 

voltampérová charakteristika přechodu se od ideální odlišuje jak v propustném, tak 

v závěrném směru. 

4.3 MIS (MOS) STRUKTURA 

Struktura MIS (MOS) je ideálním prostředkem k vyšetřování povrchových vlastností 

polovodičových materiálů. Pochopení fyzikálních základů této struktury, umožní proniknout 

do činnosti MIS (MOS) polovodičových součástek. 

Řez strukturou je znázorněn na obr. 4.11. Struktura je tvořena kovovou elektrodou, označenou 

M, izolační vrstvou (I) a polovodičem (S). Je-li izolační vrstvou oxid polovodičového 

materiálu, struktura se označuje MOS. 

Obr.4.11 Řez strukturou MIS (MOS) 

Výklad vlastností struktury zjednodušíme pro případ, kdy uvažujeme, že výstupní práce 

elektronu z kovu elektrody i z polovodiče je stejná, nejsou vázané elektrické náboje 

v izolantu, ani na rozhraní mezi izolantem a polovodičem. 

Zobrazenou strukturou s dokonalým izolantem nemůže protékat stejnosměrný proud. Oblast 

prostorového náboje, která se vytvoří v podpovrchové oblasti polovodiče u rozhraní s izolační


vrstvou, tak zůstává v termodynamické rovnováze, tj. platí zde vztah n . p = ni 2 . Důsledkem 

je, že poloha Fermiho hladiny v polovodiči, bez ohledu na napětí UH přiložené na kovovou 

elektrodu - hradlo, je konstantní. Náboj indukovaný napětím na hradle v podpovrchové oblasti 

polovodiče vyvolává v této oblasti změnu potenciálu, která se projeví zkřivením 

energetických hladin v pásovém modelu struktury MIS (viz řešení Poissonovy rovnice pro 

přechod PN, kap.4.2.1). 

Při záporném napětí na hradle jsou k povrchu polovodiče přitahovány kladné náboje - díry 

z objemu polovodiče. V polovodiči typu P tak vzniká pod povrchem vrstva se zvýšenou 

koncentrací děr – obohacená vrstva. Stav bývá označován jako obohacení většinovými nosiči. 

Kladný náboj děr v obohacené vrstvě vyvolává změnu potenciálu a zakřivení energetických 

hladin znázorněné na obr. 4.12 a. Na obrázku je uvedeno i rozložení elektrických nábojů na 

hradle a v polovodiči. V náhradním schématu struktury se uplatňuje kapacita izolační vrstvy 

v sérii s odporem polovodiče. 

Obr. 4.12 Pásové diagramy, rozložení náboje a náhradní schéma struktury MIS s polovodičem 

P typu pro stavy 

a) obohacení většinovými nosiči 

b) ochuzení většinovými nosiči a 

c) inverzi polovodiče 

Je-li k hradlu přiloženo malé kladné napětí, budou v prvé fázi od povrchu polovodiče 

odpuzovány kladné díry, jejich koncentrace v podpovrchové oblasti poklesne a vytvoří se tzv. 

ochuzená vrstva. Stav se označuje jako ochuzení většinovými nosiči. Náboj části 

akceptorových iontů v podpovrchové oblasti polovodiče nebude v tomto případě 

kompenzován nábojem děr. Na jednotku plochy povrchu bude vázán náboj 

Q =−qN x (4.53) 

s 

A b 

kde xb je šířka povrchové ochuzené vrstvy. Roste-li kladné napětí na hradle, šířka ochuzené 

vrstvy se nejprve zvětšuje. Odpovídající změna potenciálu, projevující se ohybem 

energetických hladin v pásovém modelu, také roste. Pásový model struktury pro stav 

ochuzení je znázorněn na obr. 4.12b . Na obr.4.12b je uvedeno i rozložení elektrických nábojů 

na hradle a v polovodiči ve stavu ochuzení. V náhradním schématu struktury se uplatňuje 

kapacita izolační vrstvy v sérii s kapacitou polovodiče danou nábojem ionizovaných příměsí 

v ochuzené vrstvě. 

Jakmile se v podpovrchové oblasti polovodiče přiblíží spodní hranice vodivostního pásu Wc 

k Fermiho hladině WF, dojde u povrchu polovodiče k růstu koncentrace elektronů ve 

vodivostním pásu. Další zvýšení kladného potenciálu na hradle se projeví v pásovém modelu 

protnutím Fermiho hladiny s dolním okrajem pásu vodivostního, dochází k inverzi polovodiče 

s prudkým zvýšením koncentrace elektronů. Náboj těchto elektronů Qn vyvolá vznik velmi 

tenké povrchové vrstvy s vodivostí typu N - tzv. inverzní vrstvy. Šířka ochuzené vrstvy 

přestane s napětím dále růst, dosáhne své maximální hodnoty xb max, protože každé další (i 

velmi malé) zvětšení ohybu energetických hladin vede k velkým změnám velikosti náboje 

v inverzní vrstvě. V podmínce silné inverze je tedy na jednotku plochy vázán náboj 

Q = Q − qN x 

(4.54) 

n 

A bmax


Pásový model struktury MIS pro stav inverze je znázorněn na obr. 4.12c, na obrázku je 

uvedeno i rozložení elektrických nábojů na hradle a v polovodiči ve stavu inverze. 

Z praktického hlediska jsou nejzajímavější případy ochuzení a inverze. Jak již bylo uvedeno 

řešení Poissonovy rovnice pro daný elektrický náboj v podpovrchové oblasti polovodiče 

umožní stanovit rozložení intenzity elektrického pole, následně potenciálu i zakřivení 

energetických hladin v této oblasti polovodiče. Pro maximální šířku ochuzené oblasti lze 

odvodit vztah 

, (4.55) 

kde ΦF je vzdálenost mezi Fermiho hladinou a Fermiho hladinou vlastního polovodiče Wi. 

Tato vzdálenost je mírou dotace polovodičového materiálu příměsemi. Závislost maximální 

šířky ochuzené oblasti na koncentraci příměsí v polovodičovém materiálu je uvedena na obr. 

4.13. 

Obr.4.13 Závislost šířky ochuzené oblasti na koncentraci příměsí v polovodiči 

4.3.1 C-V charakteristika struktury MIS (MOS) 

Závislost kapacity struktury MIS na napětí na hradle UH s polovodičem P typu je znázorněna 

na obr. 4.14. 

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

Při záporném napětí na hradle se uplatňuje pouze kapacita izolantu Co. Při kladném napětí na 

hradle dostáváme sériovou kombinaci dvou kapacit, kapacity izolantu Co a kapacity 

polovodiče, která je funkcí šířky ochuzené vrstvy CS = f(xb) , a tedy i napětí na hradle. 

Celková kapacita v této oblasti klesá, což je dáno růstem šířky ochuzené vrstvy. Po dosažení 

stavu inverze při napětí na hradle UH = UT je kapacita konstantní a je dána sériovou 

kombinací kapacity izolantu Co a kapacity polovodiče pro maximální šířku ochuzené vrstvy 

CS (xb max ). 

V případě, že nejsou splněny úvodní zjednodušující podmínky, tj. není stejná výstupní práce 

elektronu z kovu a z polovodiče, případně se projeví vázané elektrické náboje v izolantu, resp. 

na rozhraní izolantu a polovodiče, dochází k posuvu C-V charakteristik. Odpovídající C-V 

charakteristiky jsou znázorněny na obr. 4.14 čárkovaně.


4.3.2 Vliv frekvence na charakteristiku C-V 

Výše uvedené C-V charakteristiky lze naměřit za předpokladu, že ve stavu ochuzení se každá 

změna napětí na hradle projeví změnou náboje na okraji ochuzené vrstvy. Tento předpoklad je 

správný pouze při měření při vysokých frekvencích. Je-li naopak měřicí frekvence dostatečně 

nízká, takže mechanismus generace-rekombinace nosičů stačí sledovat změny malého signálu, 

ovlivní tento děj náboj inverzní vrstvy. 

Abychom tuto situaci lépe pochopili, představme si, co se stane při malém zvýšení kladného 

napětí na hradle. Bezprostředně po zvýšení napětí se v polovodiči indukuje přírůstek 

záporného náboje. Při vysokých frekvencích to znamená, že z ochuzené vrstvy jsou vytlačeny 

další díry a ochuzená vrstva se trochu rozšíří. Pokud se však stačí v ochuzené vrstvě 

vytvořit generací páry elektron-díra dříve, než napětí na hradle opět poklesne, nahradí 

generované díry ty díry, které byly vytlačené z okraje ochuzené vrstvy a přebytečné elektrony 

se objeví u povrchu polovodiče. Malá změna napětí hradla se tedy vykompenzuje malou 

změnou náboje elektronů u povrchu polovodiče a kapacita zůstává na hodnotě Co. 

Výsledkem popsaného mechanismu je frekveneční závislost C-V charakteristik struktur MIS 

znázorněná na obr. 4.15. 

Obr.4.15 Vliv frekvence měřicího signálu na C-V charakteristiku 

Přechod od vysoko- k nízkofrekvenčnímu typu C-V charakteristik může být při dané 

frekvenci způsoben také vzrůstem generačně-rekombinační rychlosti, např. při zvýšení 

teploty nebo při ozáření polovodiče.


Obsah: 

5.1. Struktura a vlastnosti izolantů 

5.2. Klasifikace izolantů 

5.3. Přírodní anorganické izolanty 

5.4. Anorganická skla 

5.5. Keramické materiály 

5.6. Plasty 

5.7. Elastomery 

5.8. Přírodní organické tuhé izolanty 

5.9. Kompozity 

5.10.Laky a kompaundy 

5.11.Kapalné a plynné izolanty 

Část 5. 

Dielektrické materiály 

5.1 STRUKTURA A VLASTNOSTI IZOLANTŮ 

5.1.1 Fyzikální jevy v izolantech 

Základní fyzikální jevy v izolantech po vložení do elektrického pole 

• dielektrická polarizace (pohyb vázaných elektrických nábojů) 

• elektrická vodivost (pohyb volných elektrických nábojů) 

• dielektrické ztráty 

• elektrický výboj 

A. Odkaz 

Elektronické texty „Materiály a technická dokumentace“ 

Část „Materiály v elektrotechnice“ 

Kapitola 5.1 ÷ 5. 5 

B. Doplňky 

I. Dielektrická polarizace 

Základní vztahy 

µi = α El (5.1) 

P = n µi = n α El (5.2) 

n … koncentrace polarizovatelných částic (m -3 ) 

α … polarizovatelnost (F m 2 ) 

El … intenzita vnitřního (lokálního) elektrického pole (V m -1 ) 

El ≠ E 

E … intenzita vnějšího (makroskopického) elektrického pole (V m -1 ) 

+Q0, -Q0 … volné náboje na deskách kondenzátoru ve vakuu (C) 

+ Qv, -Qv … vázané náboje na hraničních plochách dielektrika (C); Q = Q0, 

+ Qv 

Q0 = C0U (5.3) 

D0 = ε0 

E 

(5.4)


C = ε´ 

C 

0 

D= εε ´ E = ε´D 

(5.6) 

ε´ 

0 

0 v 

= = = = + 

0 

0 0 0 

(5.5) 

C Q Q + Q Qv 

1 (5.7) 

C Q Q Q 

0 0 

0 

D= D + P= ε E+ P 

(5.8) 

Obr. 5.1 Nabíjení vakuového a technického kondenzátoru 

Lokální (vnitřní, efektivní) elektrické pole 

• elektrické pole, bezprostředně působící na polarizovatelnou částici 

• intenzita El > E (pro plyny El E) 

• model Lorentzovy koule 

• lokální elektrické pole působící na molekulu dielektrika (A) 

El = E + E1 + E2 (5.9) 

E … intenzita elektrického pole, je-li dielektrikem vakuum 

E1… intenzita elektrického pole, které vytváří polarizované prostředí vně koule 

následkem vázaného náboje, který n vrchu kulové dutiny vytvoří konce řetězců 

polarizovaných molekul vně koule 

P 

E1 

= (5.10) 

3ε 

0 

E2 … intenzita elektrického pole od všech polarizovaných molekul uvnitř koule 

(s výjimkou sledované molekuly A) 

E2 0 

Poznámka: 

Neplatí v silně polárních látkách 

El = 

ε+ ´ 2 

3 

E 

(intenzita Mosottiho pole) (5.11)


Obr. 5.2 Model Lorentzovy koule 

Clausiova-Mosottiho rovnice 

ε´ 

− 1 n α 

= = p 

ε´ + 2 3ε 

0 

p … měrná polarizace (-) 

1+ 2p 

ε´ 

= 

1− 

p 

(5.12) 

(5.13) 

N A ρh 

n = (5.14) 

M 

NA … Avogadrova konstanta (6,025.10 26 kmol -1 ) 

M … molekulová hmotnost (kg kmol -1 ) 

ρh … hustota (měrná hmotnost) látky (kg m -3 ) 

ε´ 

− 1 M N A α 

= = π 

(5.15) 

ε´ + 2 ρ 3ε 

h 

0 

π … molární polarizace (m 3 kmol -1 ) 

• obecně platí 

ε −1 

M N α 

= = π 

* 

A 

* 

ε + 2 ρh3ε0 (5.16) 

• index lomu světla homogenního isotropního prostředí (z Maxwellovy elektromagnetické 

teorie světla) 

n ε µ 

* * 

D = (5.17) 

µ * … komplexní permeabilita 

n −1 

M N A α 

= = π 

n 2 ρ 3ε 

2 

D 

2 

D + h 

Polarizační mechanismy 

a. Polarizace elektronová 

0 

(molární refrakce) (5.18)


• vyskytuje se u všech dielektrik 

• probíhá beze ztrát,nezávisí na teplotě 

• doba ustavení: 10 -16 – 10 -14 s 

3 

• elektronová polarizovatelnost: αe= 4π 

ε0R 

R … poloměr atomu, resp.iontu 

• synonyma: polarizace deformační, atomová, optická 

• optická permitivita ε∞ … ε´ pro f → ∞ 

b. Polarizace iontová 

• vyskytuje se u iontových krystalů 

• probíhá beze ztrát, je závislá na teplotě 

• doba ustavení : 10 -13 – 10 -12 s 

• iontová polarizovatelnost : α 

2 

q 

= 

ν … součinitel pružné vazby mezi ionty 

• synonyma: polarizace infračervená 

c. Polarizace dipólová 

i 

ν 

• vyskytuje se u polárních látek 

• je provázena ztrátami energie v dielektriku, je závislá na teplotě a na kmitočtu 

• doba ustavení: 10 -12 – 10 -8 s u látek nízkomolekulárních; u makromolekulárních látek 

o mnoho řádů vyšší 

2 

µ 

• dipólová polarizovatelnost α d = 

3kT 

k … Boltzmannova konstanta) 

• synonyma: polarizace dipólová tepelná, orientační 

d. Polarisace iontová - relaxační 

• vyskytuje se v iontových látkách s netěsným uložením iontů (anorganická skla, keramika) 

• je provázena ztrátami energie v dielektriku, je závislá na teplotě a na kmitočtu 

• doba ustavení: 10 -12 – 10 -8 s 

• polarizovatelnost iontová-relaxační α = 

2 

q 

l 2 

l … vzdálenost vysunutí iontu 

II. Elektrická vodivost 

Model dvojité potenciálové jámy 

ir 

12kT 

• Mechanismus pohybu iontů v kapalinách: přeskokový mezi rovnovážnými polohami, 

oddělenými potenciálovými bariérami - viz model dvojité potenciálové jámy 

• Silná závislost konduktivity kapaliny na teplotě je vyvolána především výraznou teplotní 

změnou driftové pohyblivosti iontů. Vyjádření γ = F(T) vyplývá z řešení modelu dvojité 

potenciálové jámy předpokladu, že působící elektrické pole není příliš silné. 

• Model dvojité potenciálové jámy a matematické vyjádření


Obr. 5.3 Model dvojité potenciálové jámy 

A. V nepřítomnosti elektrického pole: 

Pravděpodobnosti přeskoku iontu p(A - B) = p(B - A) 

Koncentrace ion.ů přemísťujících se v 1 s 

n 

nf ⎛ W ⎞ 

= ⎜− ⎟= 

(5.19) 

6 ⎝ kT ⎠ 

0 0 

AB exp nBA 

B. V přítomnosti stejnosměrného elektrického pole v intenzitě E: 

Pravděpodobnosti přeskoku iontu p´(A - B) > p´(B - A) 

Koncentrace iontů přemísťujících se v 1 s 

n 

n 

nf ⎛ W −∆W 

⎞ 

= ⎜− 

⎟ 5.20a) 

6 ⎝ kT ⎠ 

( 

0 0 ´ AB exp 

nf ⎛ W +∆W 

⎞ 

= ⎜− 

⎟ ( 5.20b) 

6 ⎝ kT ⎠ 

0 0 ´ BA exp 

n0 ... koncentrace slabě vázaných iontů (předpoklad - nemění se s teplotou) (m -3 ) 

6 ... dosazeno za zjednodušujícího předpokladu, že ionty kmitají ve směru os x, y, z 

f0 ... kmitočet v1astních tepelných kmitů okolo rovnovážných poloh (~10 13 Hz) 

v místě lokálního minima (Hz) 

∆W … energie elektrostatického pole (= q l E/2) (J) 

n0 

f … vyjadřuje počet pokusů přeskočit potenciálovou přehradu W (protože f0 krát 

0 6 

za 1 s se kmitající iont pohybuje ve směru +x) 

exp W ⎛ ⎞ 

⎜−⎟… 

vyjadřuje pravděpodobnost účasti 

iontu na pohybu ve směru +x 

⎝ kT ⎠ 

Za předpokladu ∆W


• Teplotní závislost konduktivity je následně 

A2 ⎛ W ⎞ 

γ = exp⎜− 

⎟ 

T ⎝ kT 

⎠ 

2 

Za úvahy: A 

T 

A 

⎛ b ⎞ 

je γ = A exp⎜− 

⎟ 

⎝ T ⎠ 

A, A1, A2, b … materiálové konstanty 

III. Komplexní permitivita 

A. Případ: jedna relaxační doba τ (Debyeho teorie) 

• matematická formulace 

εs−ε∞ = + 

1+ 

jωτ 

* 

ε ε∞ 

εs … statická permitivita (pro f → 0) 

ε∞ … optická permitivita (pro f → ∞) 

• grafické vyjádření 

Coleho – Cloeho kruhové diagramy 

(5.23) 

⎛ W ⎞ 

⎜b= 

⎟ 5.24) 

⎝ k ⎠ 

( 

B. Případ: distribuce relaxačních dob τ (s nejpravděpodobnější hodnotou τ0) 

B.a. Přístup: Debye – Cole-Cole 


* εs−ε∞ ε = ε∞+ 

1−α 

1 + ( jωτ 

) 

0 

α ∈ 0, 

1 je činitel, vyjadřující rozložení relaxačních časů. 


Coleho – Coleho kruhový diagram se středem pod osou ε´ 

B.b. Přístup: Cole - Davidson 


εs−ε∞ = + 

(1 + jωτ 

) 

* 

ε ε∞ 

β … distribuční činitel 


0 

β 

Coleho – Davidsonův asymetrický diagram 

(5.25) 

(5.26) 

(5.27)


B.c. Přístup: Havriliak – Negami 


ε −ε 

* 

s ∞ 

ε = ε∞+ 

1−α 

β 

⎡1 + ( jωτ 

0) 

⎤ 

⎣ ⎦ 


Havriliakův – Negamiho asymetrický diagram 

Obr. 5.4 Závislost ε ´´ = F(ε´) podle Havriliaka a Negamiho 

5.1.2 Zvláštní polarizační jevy 

A. Zvláštní polarizační jevy 

• Elektrostrikce 

• Pyroelektrický jev 

• Piezoelektrický jev 

A.1 Elektrostrikce 

(5.28) 

Elektrostrikce. - mechanické deformace, tj. změny geometrických rozměrů dielektrického 

tělesa následkem polarizace. Působí-li elektrické pole na jakékoli dielektrikum, dochází k jeho 

deformaci tím, že se polarizací v jeho molekulách indukují elektrické dipóly, které se ve 

směru působení pole vzájemně elektrostaticky přitahují a tím se přibližují. Tomuto 

přibližování brání síly pružnosti materiálu, takže přitahování molekul ustane v okamžiku, 

jakmile nastane rovnováha mezi oběma silami - elektrostatickými a pružnostními. 

A.2 Pyroelektrický jev 

Pyroelektrický jev se vyskytuje u všech přirozených krystalických elektretů, tj. u některých 

krystalů bez středové souměrnosti, spontánně polarizovaných , takže na jejich koncových 

povrchových plochách jsou permanentní vázané náboje. Pyroelektrický jev spočívá v tom, že 

zahřátím nebo ochlazením krystalu se změní vzdálenost mezi atomy a tím se změní polarizace 

uvnitř krystalu. To se projeví tím, že se změní polarita obou konců krystalu: byl-li v chladném 

stavu jeden konec krystalu nabit kladně a druhý záporně, je tomu po zahřátí naopak. 

Následkem vázaných elektrických nábojů by měl být krystal trvale elektricky nabit. To se 

však v normálním stavu neprojevuje, poněvadž na povrchu krystalu je vlhkost a nečistoty, 

jimiž je náboj neutralizován. Teprve zahřátím nebo ochlazením krystalu se tento rovnovážný 

stav nábojů poruší a na obou koncích krystalu se objeví příslušné náboje. Pyroelektriky jsou 

všechny látky se spontánní polarizací. 

A.3 Piezoelektrický jev 

Piezoelektrický jev spočívá v schopnosti některých krystalických dielektrik, že se 

mechanickou deformací (namáháním tlakem, tahem, ohybem nebo kroucením) elektricky 

polarizují, čímž na jejich povrchu vzniknou elektrické náboje. Tento jev - tzv. přímý 

piezoelektrický jev, provázený vznikem piezoelektřiny - se vyskytuje jen v krystalech s 

anizotropními vlastnostmi, které nemají střed souměrnosti (jsou středově nesouměrné, 

acentrické). Takové látky se nazývají piezoelektrika (křemen, turmalín, boritokřemičitan 

Al-MgCa a četné látky keramické.


Piezoelektřinou se nazývá i tzv. obrácený (reciproký) piezoelektrický jev - tj. schopnost 

deformace (změny rozměrů nebo tvaru krystalu) působením vnějšího elektrického pole (E), 

přičemž tato změna rozměrů je intenzitě elektrického pole přímo úměrná. 

Poněvadž se tento jev často chybně zaměňuje s elektrostrikcí, je třeba uvést rozdíly mezi 

oběma jevy: 

• elektrostrikce se vyskytuje u všech dielektrik bez výjimky, tedy i u těch, která nejsou 

piezoelektriky; 

• elektrostrikce je úměrná energii elektrického pole, akumulované v krystalu, je tedy 

elektrostrikce úměrná E 2 a nikoli E jako jev piezoelektrický. 

Piezoelektrické vlastnosti mají všechny látky feroelektrické: existuje však mnoho 

piezoelektrických látek, které nejsou feroelektriky. 

B. Látky 

• Elektrety 

• Piezoelektrika 

• Pyroelektrika 

• Feroelektrika 

Látky s nenulovou polarisací bez současné přítomnosti vnějšího pole 

B.1 Elektrety 

Polarizace je u nich sice vyvolána předchozím působením vnějšího pole, ale dlouhodobě 

existuje i po jeho vypnutí. 

Elektretem se nazývá dielektrické těleso, které je schopno po předchozí polarizaci vytvářet ve 

svém okolí po dlouhou dobu elektrické pole. 

Elektretový stav je možno vyvolat celou řadou způsobů, podle nichž se elektrety rozdělují na: 

a) termoelektrety 

polarizace v elektrickém poli za současného ochlazení z vyšší teploty 

b) fotoelektrety 

polarizace v elektrickém poli za současného osvětlení (dielektrika vyznačující se 

fotovodivostí) 

c) elektroelektrety 

polarizace v elektrickém poli za pokojové teploty 

d) magnetoelektrety 

ochlazení roztavené látky v silném magnetickém poli 

e) pseudoelektrety 

vytvoření prostorového náboje v dielektriku orientovaným ozářením β - nebo -γ paprsky 

f) chemoelektrety 

polarizace aktivací iontů ve vodivých kapalinách 

Klasifikace elektretů podle druhu nosičů nábojů 

I. Dipólové elektrety 

Elektretový jev je vyvolán uspořádáním dipólů dielektrika nebo dipólů příměsí (plastifikátory, 

vulkanizátory). Dipóly se uspořádají zahřátím na teplotu tání v elektrickém poli a 

ochlazením za stálého působení pole o intenzitě cca 10 6 V m -1 . Tyto elektrety patří do 

kategorie termoelektretů.


II. Elektrety s vnitřním prostorovým nábojem 

Elektretový jev je vyvolán různými nosiči náboje, jako jsou ionty nečistot, ionty vody, cizími 

mikroskopickými částicemi s nábojem, mikrokrystaly s piezoelektrickými nebo 

pyroelektrickými vlastnostmi. Při zahřátí dielektrika klesne viskozita matrice natolik, že se 

nabité částice zorientují a začnou putovat k přiloženým elektrodám. Po ochlazení stoupne 

viskozita matrice natolik, že je zabráněno zpětné migraci nosičů prostorového náboje. V 

tomto případě nemusí mít dielektrikum elektricky aktivní molekuly. Tento druh elektretů 

patří rovněž do skupiny termoelektretů. 

III. Elektrety s injektovanými náboji 

Elektretový jev je vyvolán ionty, které se do dielektrika dostanou z okolního prostředí 

působením elektrod přiložených za studena k dielektriku. Jde o ionty pocházející ze vzduchu 

nebo ionty předané přímo elektrodám. Někdy se provádí aktivace ve vodivých kapalinách 

(roztok NaOH, HCl, etylalkohol), které jsou vydatnými zdroji iontů. Tento druh elektretů 

patří do skupiny chemoelektretů. 

IV. Elektrety s deponovanými náboji 

Elektretový jev je vyvolán cizími ionty nebo elektrony, které se do dielektrika dostanou 

plazmatickým výbojem na vzduchu nebo elektronovým bombardováním ve vakuu. Volí se 

taková rychlost nábojů, aby zůstaly v maximálním množství zachyceny v dielektriku. 

Obvykle se volí energie elektronů v rozmezí 10 až 50 keV. 

Elektrety s vlastními nosiči nábojů (dipólové elektrety a elektrety s vnitřním prostorovým 

nábojem) mají menší stabilitu v závislosti na čase a na teplotě než elektrety s deponovanými 

náboji. 

B.2 Piezoelektrika 

Polarizace je u nich vyvolána působením vnějších mechanických sil. Piezoelektřina může 

existovat pouze na krystalech. Z celkového počtu 32 krystalografických tříd se 

piezoelektrický jev vyskytuje ve 20 třídách. Jsou to všechno třídy bez středu symetrie. 

B.3 Pyroelektrika 

B.4 Feroelektrika 

Feroelektrikum je látkou spontánně polarizovanou, jejíž polarizaci lze otočit přiloženým 

elektrickým polem. Obrácení směru vektoru spontánní polarizace nazýváme přepolarizací. 

Z hlediska krystalové struktury se feroelektrika vyznačují tzv. pseudosymetrií. 

Pseudosymetrická struktura je charakterizována tím, že její mřížkové parametry se jen velmi 

málo liší od mřížkových parametrů struktury s vyšší symetrií. Tak např. u tetragonální 

symetrie platí pro délky krystalových os a b c. Vyšší symetrií je krychlová, pro niž platí 

a = b = c. Feroelektrický titaničitan barnatý BaTiO3 

krystalizuje při normální teplotě v 

symetrii tetragonální, u níž poměr délek os c : a = 1,01. Liší se od jedničky tedy pouze o 1%, 

tudíž nepatrně od symetrie krychlové (kubické). Říkáme proto, že BaTiO3 je tetragonální 

pseudokubický. 

Se základní charakteristikou feroelektrik, tj. s možností otočení směru spontánní polarisace, 

úzce souvisí tyto charakteristické fenomény feroelektrického stavu: 

• hysteresní smyčka, 

• teplotní interval existence feroelektrického stavu, který je shora omezen tzv. Curieho 

teplotou,


• vysoká hodnota permitivity a charakteristický její teplotní průběh s maximem v Curieho 

bodu, 

• doménová struktura, 

• piezoelektrický jev. 

Feroelektrické látky se často označují jako látky seignettoelektrické. Název je odvozen od 

Seignettovy soli (vinan sodnodraselný), na níž byly feroelektrické vlastnosti poprvé zjištěny. 

U pyroelektrik a feroelektrik existuje polarizace samovolně, spontánně bez jakéhokoli 

předchozího vnějšího působení a nazýváme ji proto polarisací spontánní. Může existovat 

pouze na krystalech, a to jenom u 10 ze 32 krystalografických tříd. Všechny tyto třídy jsou 

obsaženy ve dvaceti třídách, u nichž se vyskytuje piezoelektřina. Vyznačují se tzv. polární 

osou. Polární osa neotočí svůj směr při žádné z příslušných operací symetrie. Z uvedené 

skutečnosti vyplývá, že všechna pyroelektrika a feroelektrika jsou vždy současně i 

piezoelektriky. 

Rozdíl mezi pyroelektriky a feroelektriky spočívá v tom, že u feroelektrik lze vektor 

spontánní polarizace otočit přiložením vnějšího elektrického pole, u pyroelektrik nikoliv. 

Tento rozdíl lze však pokládat za víceméně formální, protože můžeme předpokládat, že i u 

pyroelektrik by bylo možné obrátit vektor spontánní polarizace dostatečně vysokým polem, 

jehož hodnota je však větší, než elektrická pevnost tuhé látky. Dříve než k přepolarizaci, 

dojde k elektrickému průrazu. 

U pyroelektrik i feroelektrik existuje tedy spontánní polarizace. Její velikost se však u obou 

skupin výrazně liší. U feroelektrik má hodnotu řádově 10 0 až 10 2 µC cm -2 , u pyroelektrik 

naproti tomu jen 10 -2 µC cm -2 , tedy podstatně menší. Tak malé hodnoty se experimentálně 

velmi obtížně zjišťují, protože elektrostatické pole buzené polarizačním nábojem přitahuje 

volné náboje vždy přítomné v látce samé i v okolním prostředí, které spontánní polarizaci 

kompensují. V praxi je proto u pyroelektrik možné měřit pouze změny spontánní polarizace, 

dříve než dojde ke kompensaci. Tyto změny spontánní polarizace se nejsnáze dosáhnou 

změnou teploty; takto byly také objeveny a odtud pochází název pyroelektřina. 

5.1.3 Struktura křemičitanů 

Struktura křemičitanů 

• základ struktury: kostra Si-O iontů s velmi pevnými vazbami 

• vazba Si-O je polární (částečně kovalentní, částečně iontová; kovalentní dipólová); 

poněvadž iontové vazby rozhodují o vlastnostech a chování krystalů, počítají se 

křemičitany (silikáty) v prvém přiblížení k iontovým krystalům 

• kyslík … Z = 8 K – 2, L - 6 

k nasycení (vytvoření oktetu) chybí dva elektrony, aby vznikl aniont O 2- 

křemík … Z = 14 K – 2, L – 8, M – 4 

může tvořit čtyři vazby: Si předá svoje valenční elektrony čtyřem sousedním atomům O 

a získá tak konfiguraci oktetu 

• ionty kyslíku jsou poměrně velké v porovnání s ionty křemíku ; protože síla vazby Si-O je 

velká, rozloží se ionty kyslíku ve vrcholech pravidelného čtyřstěnu (tetraedru), takže tím 

malý iont Si 4+ zcela obklopí 

• tvorba tetraedrů – základní stavební princip pro všechny krystalické křemičitany 

[ SiO4] 

• tetraedr [ SiO4] není valenčně nasycen; k nasycení chybí každému iontu kyslíku ještě 

jeden elektron, aby vznikl aniont O 2- ; tento chybějící elektron mu může dodat buď 

atom kovu, s nímž kyslík vytvoří iontovou vazbu nebo


k nasycení dojde tím, že iont kyslíku vytvoří vazbu s dalším iontem křemíku; 

ve druhém případě je O 2- společně sdílen dvěma ionty křemíku (můstkový, nemůstkový 

kyslík) 

• rozmanité tvary spojení [ SiO4] - různá seskupení tetraedrů; o typu spojení tetraedrů 

rozhoduje poměr O : Si ⇒ podle toho různé struktury silikátů. 

Struktury silikátů 

1. Struktura ostrůvková 

samostatné tetraedry nebo dvojtetraedry 

forsterit Mg2[ SiO4], olivín (Mg, Fe)2[ SiO4], zirkon Zr[ SiO4] 

2. Struktura skupinová 

kruhově uspořádané tetraedry – trojčlenný, čtyřčlenný nebo šestičlenný kruh 

3. Struktura řetězová 

nekonečné řetězy tetraedrů 

pyroxeny – minerály zastoupené ve vyvřelých horninách, jako enstatit Mg2[ Si2O6], 

spodumen LiAl[ Si2O6], wollastonit Ca2[ Si2O6] 

4. Struktura pásová 

nekonečný dvojitý řetěz aniontů [ Si2O6] 4- 

minerály skupiny amfibolů – amfibolové azbesty 

5. Struktura plošná 

nekonečná dvojrozměrná vrstva tetraedrů [ SiO4] 

slída, jílové minerály typu kaolinit, vermikulit; mastek 

6. Struktura prostorová 

souvislá trojrozměrná síť - mříž 

různé modifikace SiO2, živce, zeolity – použití jako iontoměničů 

1. Struktury ostrůvkové 

2. Struktury skupinové 

Obr. 5.5 Ostrůvkové a skupinové struktury křemičitanů


5.1.4 Struktura a vlastnosti makromolekulárních látek 

Makromolekulární látky 

Makromolekulární (vysokomolekulární) látky – chemické sloučeniny s vysokou molekulovou 

hmotností, zpravidla vyšší než 5 000, většinou v rozsahu 10 4 – 10 7 . 

Základní klasifikace 

1. Anorganické makromolekulární sloučeniny (polymerní oxid křemičitý [SiO2]n nebo 

hlinitý [Al2O3]n; řada vysokomolekulárních křemičitanů, rozšířených převážně v zemské 

kůře) 

2. Organické makromolekulární sloučeniny 

2.1 Přírodní (celuloza, škrob, bílkoviny, přírodní kaučuk) 

2.2 Syntetické (plasty) 

Výstavba a struktura organických makromolekulárních látek 

Zatímco nízkomolekulární látky vznikají slučováním jednoduchých látek, je syntéza 

makromolekulárních látek založena na polyreakcích nenasycených nebo cyklických 

sloučenin. Podmínkou reakcí je, aby výchozí látka (monomer) byla alespoň bifunkční. 

Základními chemickými reakcemi jsou polymerace, polykondenzace a polyadice. Polyadiční 

reakce jsou méně časté; kromě toho bývají někdy nesprávně zařazovány k reakcím 

polykondenzačním. Makromolekuly jsou složeny z velkého počtu základních stavebních 

jednotek. Počet těchto jednotek v makromolekule udává tzv. polymerační stupeň 

makromolekuly. Průměrný polymerační stupeň je řádově 10 2 – 10 4 . Příznačná je 

polydisperznost – jednotlivé molekuly makromolekulární látky jsou různě velké. 

Na vlastnosti makromolekulární látky má významný vliv chemické složení, molekulová 

hmotnost, tvar a struktura makromolekuly. Podle tvaru a uspořádání makromolekuly se 

rozlišují látky 

• s lineární, 

• s lineární a následně zesíťovanou 

• a s prostorovou strukturou. 

Typy makromolekul 

Lineární makromolekuly vznikají postupným připojováním výchozí nízkomolekulární látky 

v jednom směru. Makromolekuly tvoří v podstatě dlouhý řetězec, délky řádově 10 -7 m. 

Kratším úsekem řetězců se segment (obsahuje 10 – 20 atomů základního řetězce). Ten je 

kineticky samostatný a koná tepelné pohyby jako molekuly látek nízkomolekulárních. Určitá 

volnost pohybu úseků řetězové molekuly má svůj důsledek v ohebnosti lineárních 

makromolekul. Naproti tomu vnitřní otáčivost kolem kovalentních vazeb není volná, neboť ji 

omezují vztahy k sousedním atomům nebo skupinám atomů. Ohebnost molekul závisí tedy na 

interakci. V reálných makromolekulárních látkách nejsou lineární řetězce rovné, ale různě 

zkroucené, svinuté či vzájemně propletené. Některé řetězce jsou navíc rozvětvené, což je 

nejčastěji vyvoláno tím, že některá základní molekula je trifunkční. Pohyblivost rozvětvených 

řetězců je pochopitelně menší než u lineárních. Lineární makromolekulární látky tvoří 

podstatu termoplastů, které jsou rozpustné a tavitelné. 

V lineárních řetězcích, které obsahují asymetrický uhlík, mohou vznikat podle podmínek 

polymerace různé stereospecifické polymery. Jsou-li atomy, resp. skupiny atomů stejného 

druhu ( R ) vázány vždy na téže straně lineárního řetězce, tvoří se izotaktický polymer.


H H 

│ │ 

─ CH2 ─ C ─ CH2 ─ C ─ 

│ │ 

R R 

při pravidelném střídavém rozmístění – syndiotaktický polymer 

H R 

│ │ 

─ CH2 ─ C ─ CH2 ─ C ─ 

│ │ 

R H 

a při nepravidelném rozmístění – ataktický polymer. Polymery s pravidelným prostorovým 

uspořádáním mají výhodnější fyzikální a chemické vlastnosti než ataktické. 

Zesíťované makromolekuly vznikají propojením lineárních řetězců příčnými vazbami. Děj se 

nazývá zesíťováním nebo vulkanizací. Nejznámější je vulkanizace kaučuku sírou, kdy 

dochází k vytvoření můstků složených z atomů síry, které spojují navzájem jednotlivé lineární 

řetězce. Dalšími vulkanizačními činidly jsou peroxidy, speciální epoxidové nebo 

formaldehydové pryskyřice. 

Výhodou dodatečného zesíťování lineárních molekul je možnost řízení hustoty zesíťování 

a tím i ovlivňování vlastností vznikajících produktů. Při slabém zesítění se charakteristické 

vlastnosti příliš neliší od látek s lineární strukturou, až na to, že látky jsou nerozpustné 

a netavitelné. Při silném zesíťování nabývají látky vlastností látek s prostorovými 

molekulami. 

Prostorové makromolekuly vznikají narůstáním molekuly do prostoru ve všech směrech. 

Mohou vznikat z výchozích látek, které mají tři tzv. funkční (reaktivní) skupiny, schopné 

tvořit chemické vazby. Důsledkem je velká pevnost makromolekuly, malá rozpustnost 

a netavitelnost. 

Vazební síly 

V makromolekulárních látkách působí síly přitažlivé a odpudivé. Důsledkem jejich působení 

je konkrétní vzdálenost atomů nebo částí molekul. O vlastnostech makromolekulárních látek 

rozhodují 

▪ primární (hlavní) vazební síly 

▪ sekundární (vedlejší) vazební síly. 

Primární (hlavní) je kovalentní vazba. Nasycená primární kovalentní vazba poutá atomy 

v molekule. Její energie je při pokojové teplotě 200 – 800 kJ . mol -1 při vzdálenosti 

(0,75 – 3) . 10 -10 m. Jde o poměrně pevnou vazbu. Sekundární (vedlejší) jsou van der 

Waalsovy síly (disperzní, orientačně-dipólové, indukční), resp. vazba vodíkovým můstkem. 

Působí jen na nepatrnou vzdálenost. Energie vazby je 2 – 40 kJ . mol -1 při vzdálenosti 

(3 – 10) . 10 -10 m. 

Krystalická a amorfní fáze 

Rentgenograficky se zjistilo, že látky s lineární strukturou mohou existovat v orientovaném 

i v neorientovaném stavu. Tomu v polymeru odpovídá krystalický a amorfní podíl. 

Krystalické oblasti polymeru se označují jako krystality. Jsou to zóny, v nichž jsou polymerní 

molekuly uspořádány v určitém pořádku ve třech prostorových směrech. Od pravých krystalů


se liší tím, že nemají formu charakterizovanou ostrými hranami krystalu. Krystalický podíl 

ovlivňuje mechanickou pevnost látky. Pro strukturu je příznačné, že řetězce lineárních 

makromolekul jsou statisticky neuspořádané. Příčinami amorfního stavu jsou 

• prostorové zábrany, které omezují sklon ke krystalizaci tím, že při polymeraci vznikají 

nepravidelnosti makromolekul různým vzájemným uspořádáním monomerních molekul, 

• neuspořádaný růst řetězců, 

• složité boční skupiny nebo atomy o velkém poloměru, které se v řetězci opakují 

v nestejných vzdálenostech. 

V řadě polymerů se vyskytuje částečně krystalická struktura s jistými podíly amorfní 

a krystalické fáze. Krystalický podíl propůjčuje látce velkou mechanickou pevnost, tvrdost, 

odolnost proti rozpouštědlům a chemickým činitelům. Amorfní oblasti zajišťují látce 

pružnost, houževnatost, odolnost proti nárazu, ohebnost, lepší tekutost za zpracovatelských 

teplot. 

Poznámka: Amorfní a krystalické oblasti nelze od sebe oddělit ani fyzikálně ani chemicky. 

Stupeň krystalinity lze ovlivnit třemi činiteli: 

1. dobou krystalizace – dlouhodobým zahříváním pod oblastí tavení krystalitů se stupeň 

krystalinity zvětšuje; 

2. teplotou – rychlým ochlazením polymeru zahřátého nad oblast tavení krystalitů se získá 

čistě amorfní látka; 

3. mechanickým namáháním (protažením) polymeru, zahřátého pod oblast tavení krystalitů, 

přičemž vzniká tzv. orientovaná struktura. 

Klasifikace organických makromolekulárních látek 

A. Klasifikace podle chování při zahřívání 

1. Termoplasty 

• Působením tepla měknou a ochlazením opět tuhnou. Vlastnosti se při zahřívání 

mění vratně (PE, PVC, PMMA, PS, PA). 

• K termoplastům patří převážně látky vzniklé polymerací. 

2. Reaktoplasty 

• Působením tepla se chemickou reakcí vytvrzují a přecházejí nevratně do 

netavitelného a nerozpustného stavu (PF, trojrozměrné PUR). 

• Do této skupiny patří většinou makromolekulární látky vzniklé polykondenzací. 

B. Klasifikace podle výchozích surovin 

1. Látky vznikající zušlechtěním z přírodních makromolekulárních látek (estery, celulosy 

– CA, CN). 

2. Látky vyráběné synteticky z jednoduchých nízkomolekulárních sloučenin (PE, PVC, 

PMMA, PF, SI). 

C. Klasifikace podle technických vlastností 

1. Elastomery 

• Vykazují velkou pružnost v širokých mezích protažení (PIB, BR). 

2. Plastomery 

• Termoplasty, reaktoplasty 

D. Klasifikace podle chemické struktury hlavního řetězce 

1. Látky, v nichž se základní řetězec skládá ze stejných atomů – C – C – C – C – nebo 

aromatických kruhů (přírodní kaučuk – makromolekulární uhlíkové sloučeniny 

nasycené, nenasycené a aromatické) 

2. Látky, u nichž se základní řetězec skládá ze dvou nebo většího počtu různých atomů – 

polymery s heterogenním řetězcem (bílkoviny, celuloza; PA, PUR, PES, MF, UF) 

karboxyplasty - C – O -


karbozoplasty - C – N -, příp. - C – N – O - 

karbothioplasty - C – S -, příp. - C – S – O - 

silikony - Si – O - 

E. Klasifikace podle druhu chemických reakcí, kterými vznikly 

1. Polykondenzáty 

2. Polymery 

3. Polyadukty 

4. Modifikované plasty získané 

• mechanickým hnětením s jinými plasty (rázuvzdorný PS a PVC) 

• roubováním 

• ozařováním paprsky 

Procesy přípravy organických makromolekulárních látek 

Polyadice 

Reakce, při níž vzniká makromolekulární produkt adicí výchozích látek, které mají vhodné 

funkční skupiny, při čemž nevzniká vedlejší nízkomolekulární sloučenina. Příkladem je vznik 

PUR z diizokyanátů a glykolů. Složení konečného produktu se při polyadici neliší od výchozí 

směsi. Polyadiční reakce se podobají polymeračním v tom, že při nich rovněž nevzniká 

nízkomolekulární látka; jinak se tyto reakce více podobají polykondenzačním. 

Polykondenzace 

Reakce, při níž reagují molekuly jedné nebo několika různých nízkomolekulárních látek 

a vytvářejí makromolekulární produkt. Zároveň vznikají vedlejší jednoduché sloučeniny 

(voda, halogenvodíky). Podle počtu funkčních skupin výchozích látek mohou vznikat 

polykondenzační produkty buď strukturou lineární nebo prostorovou: 

• dvě funkční skupiny – látky s lineární strukturou (PA typu Nylon) 

• tři funkční skupiny – látky s prostorovou strukturou (PF). 

Při polykondenzaci se chemické složení konečného produktu liší od výchozích látek. 

K nejdůležitějším polykondenzačním reakcím patří 

• polyesterifikace, tj. kondenzace dikarbonových kyselin a glykolů, 

• polyamidace, tj. kondenzace dikarbonových kyselin s diaminy, 

• vznik polykarbonátů – kondenzací dianů (skupiny dihydroxysloučenin) s fosgenem, 

• vznik epoxidových pryskyřic – kondenzací epichlorhydrinu s diany. 

Hlavními činiteli, které mají vliv na konečný polykondenzační produkt, jsou: 

• chemické složení a struktura výchozích látek, 

• reakční podmínky (teplota), 

• poměr výchozích složek, přítomnost a druh katalyzátorů a způsob odstraňování vedlejších 

zplodin. 

Podle technologie výroby polykondenzačních produktů lze uskutečnit 

a) polykondenzaci v tavenině 

(v tom případě, kdy výchozí látky jsou stálé při bodu tání; uskutečňuje se při 200 – 300 °C 

v inertní atmosféře s dokončením ve vakuu, aby bylo možno odstranit vznikající 

nízkomolekulární látku) 

b) polykondenzaci v roztoku 

(lze ji uskutečnit při nízkých teplotách, ale používá se zřídka) 

c) polykondenzaci na mezifázovém rozhraní


(podstata – výchozí látky se rozpustí v navzájem nemísitelných rozpouštědlech, takže se 

polykondenzát může tvořit jen na mezifázovém rozhraní). 

Průběh polykondenzace se podstatně odlišuje od polymerace. Při polykondenzaci narůstají 

makromolekuly postupně, tj. postupně narůstá molekulová hmotnost. U polymerace jde 

o řetězovou reakci, molekulová hmotnost narůstá lavinovitě. Polykondenzace je reakce 

probíhající jen do určitého stavu rovnováhy mezi látkami, které do reakce vstupují a z ní 

vystupují. Při dosažení rovnováhy se reakce přeruší a růst řetězce se zastaví. 

Polymerace 

Reakce, při níž spojováním molekul vzniká polymerní produkt, který má stejné chemické 

složení jako monomer. Jde o řetězovou reakci, typickou pro sloučeniny, obsahující násobné 

vazby. Průběh polymerace lze rozdělit do jednotlivých dílčích reakcí: 

1. vznik řetězce – iniciace 

2. růst řetězce – propagace 

3. ukončení růstu řetězce – terminace. 

Iniciace řetězce znamená otevření násobné vazby ; iniciace může být vyvolána přítomností 

radikálů (polymerace radikálová) nebo iontů (polymerace iontová). Radikály mohou vznikat 

buď přímo z monomeru nebo jako radikály vystupují látky, které se k monomeru přidávají 

(chemická iniciace). Vznik radikálů z monomerů se uskutečňuje buď působením tepla 

(termická polymerace) nebo působením světla (fotochemická polymerace) nebo ozářením 

o dostatečně vysokých energiích. Otevření násobné vazby bude tím snazší, čím bude tato 

vazba polárnější. Ježto je mírou polarity dipólový moment, lze podle velikosti tohoto 

momentu usuzovat na vhodnost pro tvorbu polymeru. 

Propagace probíhá tak, že se na vzniklý radikál připojují další molekuly monomeru. Tato 

reakce se velmi rychle opakuje. 

Terminace nastává nejčastěji tak, že se setkají dva radikály, které se spolu sloučí. 

Poznámka: Radikál – skupina atomů, z nichž jeden má jeden nespárovaný elektron. 

Elektricky je neutrální, neboť součet nábojů jader souhlasí s počtem elektronů. 

Technologické procesy polymerace 

• Bloková polymerace probíhá v prostředí samotného monomeru. Výhodou je, že polymer 

neobsahuje žádné vedlejší příměsi; ovládání polymerace je však obtížnější, neboť reakční 

teplo, které se uvolňuje při polymeraci, se špatně odvádí. Prakticky se využívá při výrobě 

PS a PMMA. 

• Suspenzní polymerace (perličková) probíhá ve vodní suspenzi s přídavkem iniciátorů 

rozpustných v monomeru. Polymer se získává ve formě hrubého prášku nebo perliček. 

Výhodou je snadná ovladatelnost polymeračního pochodu a skutečnost, že neobsahuje 

zbytky emulgátorů. 

• Emulzní polymerace se provádí ve vodním prostředí za přítomnosti emulgátoru. Jako 

emulgátory se používají látky, které s vodou vytvářejí koloidní roztoky. Polymerace je 

iniciována iniciátorem rozpustným ve vodě. Polymerace je dobře ovladatelná, avšak 

produkty obsahují zbytky emulgátoru, které způsobují mléčné zabarvení (PVC). 

• Roztoková polymerace probíhá v prostředí rozpouštědla, v němž se rozpouští monomer 

a v němž zůstává rozpuštěn i polymer. Při tomto způsobu výroby se vytvářejí pouze látky 

o menší molekulové hmotnosti (v důsledku působení rozpouštědla jako přenašeče řetězce.


Kopolymerace 

Pochod, při němž probíhá současně polymerace dvou nebo více monomerů. Složení 

kopolymeru závisí na reaktivitě jednotlivých monomerů, na jejich poměrném zastoupení a na 

mechanismu polymerace. Při výrobě mohou vzniknout 

1. kopolymery blokové 

- Ax – By – AZ – Bq - 

2. kopolymery sledové 

a) se střídavým sledem 

- A – B – A – B - 

b) s náhodným sledem 

- A – B – B – A – A – A – 

3. kopolymery roubované – v tomto případě vytváří druhého polymeru větve, naroubované 

na kmen vytvořený základním polymerem 

- A – A – A – A - … 

׀ ׀ 

B B 

׀ ׀ 

B B 

׀ ׀ 

U roubovaných kopolymerů ovlivňuje vyšší stupeň strukturálního uspořádání jednotlivých 

složek charakter polymeru, takže vlastnosti výsledného polymeru jsou spíše součtem 

vlastností obou složek než jejich průměrem. 

Značná část metod příprav roubovaných polymerů spočívá ve vytváření volných radikálů na 

řetězci základního polymeru, se kterým se přitom nechá reagovat jiný polymer. Podmínky pro 

vznik roubovaných polymerů možno vyvolat např. 

• působením ionizačního záření na polymery, 

• intenzivním mechanickým mícháním směsi polymerů na hnětacím stroji a za 

nepřítomnosti kyslíku nebo 

• rozkladem polymerních peroxidů. 

Elektrické vlastnosti makromolekulárních látek 

• Většinou vykazují velmi dobré elektroizolační vlastnost. 

• Permitivita a ztrátový činitel souvisejí s 

chemickou výstavbou (počet polárních skupin, jejich rozložení v makromolekule a 

dipólový moment) a 

pohyblivostí iontů. 

• Úroveň elektrické vodivosti je malá (γv < 10 -8 S m -1 ); je vyvolána především ionty 

nízkomolekulárních složek; v nepatrné míře se uplatňuje i vlastní vodivost, která se 

přisuzuje volným elektronům a ionizaci účinkem tepla. Cizí ionty pocházejí hlavně 

z výrobního procesu: jde o katalyzátory, zbytky nízkomolekulárních výchozích látek či 

nízkomolekulárních reakčních zplodin. 

• V silných elektrických polích se může vyskytnout 

čistě elektrický průraz, podmíněný elektronovým mechanismem (nárazová ionizace 

nebo emise elektronů účinkem pole), uskutečňující se v rozmezí < µs; s > 

tepelný průraz s dobou rozvinutí řádově sekund až minut.


Destrukce molekul 

• Destrukce mohou způsobovat činidla 

chemická (atmosférická oxidace, voda, kyseliny, alkoholy) 

fyzikální (působení světla – UV, jiných druhů záření – rtg., tepla, částečných nebo 

povrchových výbojů, opakované sorpce a desorpce vody), mechanické síly, 

průmyslové exhalace; někdy se přidružují i vlivy mikrobiální. 

Relace: skladba strukturní – elektrické a fyzikální vlastnosti 

Strukturní jednotka 

H R 1 

│ │ 

─ C ─ C ─ 

│ │ 

H R 2 

polymer R1 R2 

polárnost krystalinita µ[D] 

polyetylen (vysokotlaký) H H N K 0 

polypropylen (ataktický) H CH3 N A 0,35 

polypropylen (izotaktický) H CH3 N K 

polyizobutylen CH3 CH3 N A 

polystyren H C6H5 N A 0,37 

polyvinylchlorid H Cl P A 1,44 

polymetylmetakrylát CH3 COOCH3 P A 

5.2 KLASIFIKACE IZOLANTŮ 

1. Plynné izolanty 

1.1 Obecné plyny N, H, O, CO2 

1.2 Vzácné (inertní) plyny Ne, Kr, Ar, Xe 

1.3 Elektronegativní plyny SF6, CCl2F2 

2. Kapalné izolanty 

2.1 Minerální oleje a. - parafinické, naftenické, olefinické 

b. - transformátorové, kabelové, kondensátorové 

2.2 Rostlinné oleje lněný, dřevný, ricinový olej 

3. Tuhé izolanty 

3.1 Organické tuhé izolanty 

3.1.1 Přírodní nízkomolekulární látky 

3.1.1.1 Vosky parafin, ceresin, včelí vosk, zemní vosk (ozokerit)


3.1.1.2 Asfalty, bitumeny 

3.1.2 Přírodní makromolekulární látky 

3.1.2.1 Přírodní pryskyřice šelak, kalafuna, kopály, jantar 

3.1.2.2 Vláknité látky na podstatě celulosy 

papír, lepenka, textilní izolanty 

3.1.2.3 Přírodní kaučuk, pryž 

3.1.3 Syntetické makromolekulární látky 

3.1.3.1 Termoplasty polyetylen, polypropylen, polystyren, polyvinylchlorid, 

polyizobutylen, polymetylmetakrylát, 

polytetrafluoretylen, polychlortrifluoretylen, 

polyformaldehyd, polyamidy, linární polyuretany, 

linární polyestery, polykarbonáty 

3.1.3.2 Reaktoplasty fenoplasty, aminoplasty, nenasycené polyestery, 

prostorové polyuretany, epoxidy 

3.1.3.3 Elastomery izoprénový, butadienový, chloroprenový, silikonový 

kaučuk, pryž 

3.1.3.4 Teplovzdorné plasty silikony, polyfenylénoxid, polysulfony, polyimidy 

3.2 Anorganické tuhé izolanty 

3.2.1 Anorganické přírodní izolanty 

křemen, azbest, slída 

3.2.2 Sklo křemičitá skla, křemenné sklo, fosfátové sklo, 

bezkyslíkatá skla (halogenidová, chalkogenidová) 

3.2.3 Keramika 

3.2.3.1 Křemičitá (silikátová) keramika 

porcelán, kamenina, steatitová, forsteritová, 

spodumenová, kordieritová, mullitová, celsiánová, 

korundová keramika 

3.2.3.2 Oxidová (kysličníková) keramika 

slinutý korund, titaničitá keramika 

3.2.3.3 Bezkyslíkatá keramika boridy, nitridy, karbidy 

5.3 PŘÍRODNÍ ANORGANICKÉ IZOLANTY 

Anorganické izolanty - dielektrika 

• Součást anorganického světa, světa minerálů – složeného převážně z makromolekulárních 

sloučenin. 

• Makromolekulární látkou je nesporně SiO2, který tvoří velmi stálé trojrozměrné molekuly. 

Zvlášť rozšířenou modifikací SiO2 je křemen – hlavní složka většiny hornin a písků. 

• Také hlinité látky se skládají pravděpodobně z makromolekulárních křemičitanů hlinitých 

(alumosilikáty) proměnlivé stavby. 

• Za makromolekulární křemičitany (silikáty) složité struktury se považují minerály slída 

a azbest. 

Přednosti, výhody 

• vysoká odolnost proti působení vyšších teplot (teplotní třída C, mezní teploty > 180 °C); 

nehořlavost 

• v převážné většině případů malá hygroskopičnost 

• velmi dobré elektrické vlastnosti


• výborná odolnost proti působení elektrických výbojů 

• dosti dobré mechanické vlastnosti 

• značná stabilita, tj. neměnnost charakteristických vlastností s časem. 

Negativní vlastnosti, nevýhody 

• malá mechanická pevnost při rázovém namáhání 

• lámavost, křehkost. 

Anorganická dielektrika ve velké většině představují iontová spojení (vazba iontová – 

určující; vazba kovalentní dipólová) a vyskytují se v monokrystalické, polykrystalické a 

amorfní podobě. 

Klasifikace anorganických dielektrik 

1. hledisko struktury, povahy 

2. hledisko chemického složení 

A. Klasifikace z hlediska struktury, povahy 

a) látky amorfní (anorganická skla) 

• izotropie vlastností 

• schopnost přecházet z tuhého skupenství do kapalného postupně, bez přesně 

určené teploty tání (tavení) 

• struktura: zcela nepravidelné uspořádání částic; v podstatě přechlazená kapalina, tj. 

kapalina, jejíž viskozita vzrostla na velmi vysokou hodnotu, ale zachovala si svoje 

vnitřní uspořádání 

• oproti krystalům vykazují určitý přebytek vnitřní energie ⇒ jsou méně stálé; je 

možný samostatný přechod z amorfního stavu do krystalického 

• reálně nekrystalické tuhé látky – amorfnímu stavu se více méně přibližují; 

vykazují určitý malý stupeň pravidelnosti uspořádání částic (sklo … skelná 

struktura) 

b) látky krystalické (azbest, slída, SiO2, Al2O3, vínany) 

• anizotropie vlastností 

• přesně určená teplota tání (tavení) 

• reálné krystalické látky; poruchy 

c) látky keramické 

• keramický sloh: fáze krystalická, fáze amorfní, fáze plynná 

B. Klasifikace podle chemického složení 

(křemičitany, hlinitany, hořečnany, titaničitany) 

a) Soustava Al2O3 – SiO2 sillimanit Al2O3 . SiO2 

kaolinit Al2O3 . 2SiO2 . 

2H2O 

mullit 3Al2O3 . 2SiO2 

b) Soustava MgO – SiO2 enstatit (klino-) MgO . SiO2 

forsterit 2MgO . SiO2 

steatit 3MgO . 4SiO2 . H2O 

c) Soustava MgO – Al2O3 spinel MgO . Al2O3 

d) Soustava MgO- Al2O3 – SiO2 kordierit 2MgO . 2Al2O3 . 5SiO2


e) Soustava MgO – TiO2 periklas MgO 

titaničitan hořečnatý (meta-) 

rutil TiO2 

anatas TiO2 

brookit TiO2 

MgO . TiO2 

f) Soustava Li2O - Al2O3 – SiO2 spodumen LiO2 . Al2O3 . 4SiO2 

g) Soustava ZrO2 – SiO2 zirkon ZrO2 . SiO2 

h) Soustava R2O - Al2O3 – SiO2 ortoklas (živec draselný) 

RO- Al2O3 – SiO2 

Minerály - SiO2 cristobalit, tridymit 

CaCO3 vápenec 

MgCO3 magnezit 

BaSO4 baryt (těživec) 

Al2O3 korund 

5.3.1 Azbestové izolanty 

Makrostruktura azbestu: vláknitá (silikátová struktura pásová) 

Základní mineralogická klasifikace azbestů 

1. Azbesty serpentinové (hadcové) - chrysotil 

2. Azbesty amfibolové – krokydolit 

Charakteristické vlastnosti: 

nehořlavost, možnost spřádání 

V elektrotechnice se používá: 

chrysotil 3MgO . 2SiO2 . 2H2O 

- kalcinační teplota 400 °C 

- teplota tavení 1 150 °C 

Elektrické vlastnosti: 

vnitřní rezistivita: 10 8 – 10 10 Ωm 

K2O3 . Al2O3 . 6SiO2 

albit (živec sodný) Na2O . Al2O3 . 6SiO2 

anorthit (živec vápenatý) 

CaO . Al2O3 . 2SiO2 

Použití v elektrotechnice – ve formě 

a) dlouhých vláken 

• příze a tkaniny 

b) krátkých vláken 

• azbestový papír, azbestová lepenka 

c) velmi krátkých vláken 

• azbestocementové výrobky (spolu s cementem a azbestovou moučkou) 

d) azbestové moučky


5.3.2 Slídové izolanty 

Makrostruktura slídy: vrstevnatá (silikátová struktura plošná) 

Základní mineralogická klasifikace slíd 

• skupina muskovitu (muskovit) 

• skupina biotitu (flogopit, biotit) 

• skupina slíd lithných (lepidolit) 

Charakteristické vlastnosti: 

• štípatelnost, v tenkých lístcích ohebnost, pružnost, nehořlavost, chemická odolnost 

Poznámka: slída odolává oleji chemicky, olej však slídu rozrušuje mechanicky; proto nelze 

slídu a slídové výrobky používat v přítomnosti oleje. 

V elektrotechnice se používá: 

• muskovit (Ruby) K2O . 3Al2O3 . 6SiO2 . 2H2O 

• flogopit (Amber) K2O . 6MgO . Al2O3 . 6SiO2 . 2H2O 

kalcinační teploty: 

muskovit 600 °C 

flogopit 900 °C 

Elektrické vlastnosti: anizotropní 

• ε´ 5 – 7,7 

• tg δ 10 -3 – 4.10 -4 

• ρv 10 12 – 10 14 Ωm 

• Ep 10 7 V m -1 (1 mm, 50 Hz) 

Obchodní druhy slídy 

• bloková či tabulková slída (0,15; 0,80 mm) 

• kalibrovaná slída (tolerance setin mm – pro vakuovou techniku 

• tolerance tisícin mm – pro kondenzátorovou techniku) 

• štípaná slída (splitting) (15; 25 µm) 

• mletá slída 

• mikromletá slída 

Slída a slídové výrobky 

1. Výrobky z čisté slídy 

2. Slídové izolanty vrstvené s pojivem 

2.1 Tuhé slídové vrstvené izolanty s pojivem – mikanity 

2.2 Svitkové vrstvené izolanty ohebné 

2.2.1 Mikafólium 

2.2.2 Slídová páska 

3. Mikalex 

4. Slídové izolanty na podkladě upravené slídy 

5. Mletá a mikromletá slída 

Výrobky z čisté slídy 

• podložky, drážky a rozpěrky (vakuová technika), vložky komutátorů, kondenzátory nn, 

vn, vf 

Mikanity 

• vrstvená složená soustava: papír – slídové lístky – pryskyřičné pojivo


• vlastnosti ovlivňuje: druh pojiva (šelak, fenolformaldehydová pryskyřice, modifokovaný 

alkyd, epoxidová pryskyřice, asfaltové laky) - obsah pojiva - teplota formován - tlak při 

formování 

• druhy 

broušený, nebroušený 

komutátorový, topný, prokládací, ohebný, k formování 

Mikafólium 

• vrstvená složená soustava: papír – slídové lístky – pryskyřičné pojivo 

• ohebný výrobek (muskovit) – tvarované izolace 

Slídová páska 

• vrstvená složená soustava: papír, resp. tenká tkanina (hedvábná nebo skelná) – slídové 

lístky - pojivo 

Mikalex 

• složená soustav: mletá slída (60 % hm.) – sklo (nízkoztrátové, 40 % hm.) 

• lisování za teploty měknutí skla (cca 600 °C) a za tlaku 50 – 70 MPa 

• možnost opracování 

• anizotropní vlastnosti, necitlivost vůči elektrickému oblouku 

Upravená slída 

• zpracování slídového odpadu 

výrobní cyklus 

1. etapa – rozštěpení slídových lístků 

2. etapa – vytvoření ohebných fólií 

3. etapa – zpracování fólií 

• technologie štěpení slídových lístků 

1. způsob tepelně chemický 

1.1 Bardetův způsob 

1.2 alternativní Bardetův způsob (lázeň chloridu amonného) 

1.3 kvasný způsob 

2. způsob mechanický 

• tuzemské materiály: remika, remikanit, remikafólium, foremika 

• přednosti upravené slídy 

možnost dokonalého proimpregnování v důsledku pórovitosti fólie 

možnost mechanizace výroby 

rovnoměrná tloušťka 

rovnoměrné rozložení pojiva, tím i rovnoměrné vlastnosti elektrické i mechanické 

ekonomizace výroby 

Syntetická slída 

• slída flogopitového typu, vypěstovaná z taveniny - bez krystalicky vázané vody; namísto 

skupin OH obsahuje F 

5.4 ANORGANICKÁ SKLA 

Základní charakteristika anorganického skla 

• Z fyzikálního hlediska je anorganické sklo podchlazená kapalina, u níž při tuhnutí 

nedochází k vytvoření krystalické struktury, neboť její viskozita s klesající teplotou velmi


rychle vzrůstá. Skupiny molekul „zamrznou“ a zůstávají po ztuhnutí v tuhém stavu jako 

v kapalině. 

• Základem převážné většiny anorganických skel je síť Si-O iontů. V křemenném skle jsou 

skupiny Si-O vázány podobně jako v případě krystalického křemene, avšak jejich stavba 

je oproti stavbě křemene nepravidelná a nesymetrická. V případě technických skel jsou 

volné prostory ve stavbě sítě zaplněny ionty modifikátorů. 

• Sklo je termodynamicky nestabilní a má sklon k odskelnění, tj. k vytvoření 

termostabilních krystalů, a to tehdy, je-li udržováno dostatečně dlouhou dobu na 

dostatečně vysoké teplotě (devitrifikace < = > skelně krystalické látky). 

• Z technického hlediska je sklo anorganická, chemicky těžko napadnutelná tavenina oxidů, 

která je po ztuhnutí tvrdá, křehká, obvykle průhledná, prakticky nepropustná pro plyny 

a lasturovitého lomu. 

Definice skla podle ČSN 

• Sklo je látka ve skelném stavu. 

• Skelný stav je amorfní nekrystalický stav látek ze teplot pod transformačním intervalem. 

• Transformační interval teplot je rozmezí teplot, ve kterém při ochlazování taveniny 

přechází tavenina do skelného stavů 

Poznámka: 

Definice se vztahuje na skla připravovaná adičním způsobem; existují však i netradiční 

způsoby, např. napařování, slinování gelů 

Základní pojmy a definice 

• Sklo: obecně všechny látky, které jsou ve skelném stavu. V užším slova smyslu se názvem 

sklo obvykle označují anorganické látky ve skelném stavu. 

• Sklovina: roztavené sklo (tavenina) za teplot nad transformačním intervalem (např. při 

tavení, čeření, tvarování). 

• Skelný stav: amorfní (reálně nekrystalický) stav látek za teploty pod transformačním 

intervalem. 

• Skelně krystalická látka: látka podobná keramice, ale vyráběná tavením skla s následnou 

řízenou krystalizací. 

Fyzikální podstata skla 

Typy kapalin 

1. Kapaliny Frenkelova typu 

• málo viskózní kapaliny vznikající jako tavenina většiny anorganických látek (H2O, 

LiCl, Na, Zn, Fe: η ∼ 10 -3 Pa s) 

• při ochlazování proběhne za teploty tání rychlá krystalizace 

• při velmi rychlém ochlazení je možné přechlazení i o několik stupňů Celsia pod bod 

tuhnutí; tento stav však nelze udržet neomezeně dlouho a proběhne krystalizace 

2. Kapaliny Bernalova typu 

• vysoce viskózní kapaliny, vznikající jako tavenina některých látek (As2O3, B2O3, 

GeO2, SiO2, BeF2: η = 10 4 – 10 6 Pa s) 

• při pomalém ochlazování kapalina alespoň částečně zkrystalizuje 

• při rychlém ochlazování krystalizace neproběhne 

3. Kapaliny Stewartova typu 

• taveniny některých organických látek 

• v okolí bodu tání jeví anizotropii vlastností (dvojlom) 

• při ochlazování se mohou chovat jako kapaliny Bernalova typu


Obr. 5.6 Změna objemu při tuhnutí kapaliny s krystalizací (F) a při tvorbě skla (B) 

Tg [K]/Tt[K] = 2/3 

(F) … platí pro kapaliny Frenkelova typu 

(B) … platí pro kapaliny Bernalova typu 

Transformační interval 

• Transformační interval teplot (interval zeskelnění) 

rozmezí teplot, ve kterém při ochlazování kapaliny (taveniny) přechází přechlazená 

kapalina (tavenina) do skelného stavu. 

• Transformační teplota (Tg) 

teplota, při které nastává změna směru křivky v závislosti objemu na teplotě. 

Sklotvornost, krystalizace 

• Schopnost převedení kapaliny (taveniny) do skelného stavu je podmíněna: 

- rychlostí ochlazování 

- nukleační rychlostí 

- krystalizační rychlostí 

- polohou teplotních oblastí nukleace a krystalizace 

• Nukleační rychlost 

−W1 −W2 

RT RT 

I = Ce . . e 

(5.29) 

• Krystalizační rychlost 

−W3 

W4 

⎛ ⎞ 

RT RT 

u = K. e ⎜1−e 

⎟ 

⎝ ⎠ 

( 5.30) 

R … plynová konstanta (R = 8,314.10 3 J kmol -1 K -1 ) 

W1, W2, W3, W4 … energie charakterizující průběhy I a u (J kmol -1 ) 

C, K … materiálové konstanty


Obr. 5.7 Nukleační a krystalizační proces sklotvorné látky 

H … růst na krystalech zanesených zvenčí 

S … optimální podmínky samovolné krystalizace 

η … dynamická viskozita 

Chemická podstata skla 

Empirická pravidla 

• Sklotvornost je závislá na periodických vlastnostech prvků. 

• Prvky VI. skupiny periodické soustavy mají schopnost samy o sobě tvořit tzv. 

jednoprvková skla, sestávající z atomů jediného prvku. 

• Prvky VI. skupiny periodické soustavy si podrží sklotvornost, jsou-li spolu sloučeny, tj. 

mohou tvořit tzv. dvojprvková skla (skla obsahující dva různé prvky VI. skupiny). 

• Prvky VI. skupiny (za určitých podmínek i prvky VII. skupiny) mají zásadní význam pro 

tvorbu skla. Bez jejich přítomnosti nemůže vznikat ani dvojprvkové sklo, ani vícesložkové 

sklo. 

• Prvky VI. skupiny vytvářejí dvojprvková skla s prvky III., IV. a V. skupiny. 

• Prvky III., IV. a V. skupiny spolupůsobí při tvorbě chemicky složitějších skel, ale samy 

o sobě netvoří jednoprvková skla. 

• Prvky VII. skupiny mohou být za určitých podmínek významné z hlediska sklotvornosti. 

Samy o sobě tyto prvky však netvoří jednoprvková skla. 

Systematika sklotvorných látek a soustav 

1. Jednoprvková skla 

2. Dvojprvková skla 

2.1 Oxidová skla 

2.2 Bezkyslíkatá skla 

2.2.1 Halogenidová skla 

2.2.2 Chalkogenidová skla 

3. Vícesložková skla 

3.1 Oxidová skla 

3.2 Bezkyslíkatá skla 

3.2.1 Halogenidová skla


3.2.2 Chalkogenidová skla 

3.3 Směsná skla 

3.3.1 Halogenido-oxidová skla 

3.3.2 Chalkogenido-oxidová skla 

3.3.3 Halogenido-chalkogenidová skla 

4. Pseudoskla 

Příklady: 

• Jednoprvková skla 

prvky ve skelném stavu (S, Se) 

• Dvojprvková skla 

základní sklotvorné sloučeniny (SiO2, B2O3, P2O5, ZnCl2, As2O3) 

• Vícesložková skla 

chemicky složitější soustavy, kde jako jedna složka je vždy dvojprvkové sklo 

• Pseudoskla 

jiné sklotvorné, resp. sklu podobné látky (Si3N4, slitiny Au – Si) 

5.4.1 Křemičitá skla 

Struktura oxidových skel 

Strukturní hypotézy skelného stavu 

• hypotéza ideálně neuspořádané mřížky (Zachariasenova – Warrenova hypotéza) 

• hypotézy reálně neuspořádané mřížky 

polymero-krystalitová hypotéza 

hypotéza amorfní diferencované struktury 

hypotéza o mikroheterogenní podstatě skla 

Struktura oxidových skel 

• skelná síť – aperiodická mřížka, viz obr. 5.8


Obr. 5.8 Struktura křemenného a křemičitého skla (rovinný řez) 

Typy oxidů skel 

1. Sklotvorné oxidy (síťotvořiče) 

1.1 vysloveně sklotvorné oxidy – velmi snadno tvoří skla samy o sobě (dvojprvková skla) 

a jsou základními sklotvornými složkami vícesložkových oxidových skel 

(SiO2, B2O3, GeO2, As2O3) 

1.2 podmíněně sklotvorné oxidy – samotné nemají schopnost vytvořit dvojprvková skla 

(resp. tvoří dvojprvková skla jen velmi nesnadno - Bi2O3), ale představují základní 

sklotvorné složky vícesložkových skel 

(Al2O3, TiO2, MoO3, WO3, V2O5) 

2. Pozměňovače sítě (modifikátory) – oxidy, především alkalické oxidy a oxidy alkalických 

zemin; jsou náhodně rozmístěny ve volných prostorách základní skelné sítě 

(Na2O, K2O, Li2O, CaO ) 

3. Síťobytné (mřížkobytné) oxidy - pozměňovače sítě, které mohou za vhodných podmínek 

nebo při vhodném chemickém složení v omezené míře vstupovat do skelné sítě 

(BeO, Fe2O3, ZnO, CdO, PbO) 

Výroba oxidových skel 

Oxidová skla obsahují zpravidla jako základ oxid – SiO2 

- křeměnné sklo SiO2 

- křemičitá skla 

SiO2 + Li2O, Na2O, K2O, CaO, ZnO, BaO, MgO, PbO, B2O3, Al2O3, P2O5 

- boritokřemičitá skla 

Oxidy dodány formou minerálních látek 

SiO2 - sklářský tavný písek – více méně 

čistý křemen 

Na2O - bezvodá soda Na2CO3 

K2O - potaš K2CO3, draselný živec – ortoklas, dusičnan draselný KNO3 (ledek 

draselný) 

CaO - vápenec CaCO3 

MgO - dolomit MgCO3, CaCO3, magnesit MgCO3 

PbO - suřík – minium Pb3O4


B2O3 - kyselina boritá H3BO3 nebo borax (tetraboritan sodný) 

Al2O3 - živec, kaolin, hydratovaný oxid hlinitý Al2O3 . 3H2O 

Základní pojmy 

• práškové suroviny – předepsaný hmotnostní poměr – homogenizovaná směs – sklářský 

kmen 

• sklářský kmen (2/3) + drcené skleněné střepy (1/3) - vsázka 

Pomocné látky 

• Urychlovače tavení 

urychlují tavicí nebo čeřicí proces 

borax, kyselina boritá, fluoridy, křemičitan sodný 

• Čeřiva 

k odstranění plynů ze skloviny; za vysoké teploty uvolňují plyny, které snadno 

difundují taveninou k povrchu, přičemž s sebou strhávají bubliny – z hladiny se 

bubliny snadno odstraní 

síran sodný, směs arseniku As2O3 s draselným ledkem KNO3 

• Barviva 

při barvení lze rozeznat dva případy 

1. barvivo se ve skle rozpouští, ať již je v něm nositelem zbarvení iont nebo molekula 

- iontová barviva 

- molekulární barviva 

2. barvivo je přítomno jako koloidní částice 

- koloidní barviva 

• Odbarviva 

k dosažení čirosti, průzračnosti 

arsenik, ledek, burel MnO2 

• Kaliva 

způsobují zákal skla (opalescenci), příčinou je difusní odraz způsobený rozptýlenými 

částicemi s jiným indexem lomu než má základní látka 

kryolit Na3AlF6 

Výrobní proces 

• Příprava sklářského kmene a vsázky 

• Tavení vsázky v tavicí peci – přetváření ve sklovinu, tavení při teplotách nad Tg 

procesy při tavení 

- chemické reakce složek v tuhé fázi (vznik křemičitanů) 

- rozklad minerálů na oxidy 

- fyzikální pochody (tavení, rozpouštění) spojené se vznikem homogenní skloviny 

etapy tavení 

I. vlastní tavení 

II. čeření 

III. homogenizace (rozpouštění zbytků tuhých látek, zvláště SiO2) 

tavicí pece 

- vanové pece 

pracují nepřetržitě; při hromadné strojní výrobě 

- pánvové pece 

menší, méně výkonné a méně hospodárné; výroba poměrně malých množství se 

speciálními vlastnostmi (pro elektrotechniku) 

• Tvarování 

sklovině ochlazené na pracovní teplotu se udílí žádaný tvar skleněného výrobku


- foukání 

- lisování 

- tažení 

- válcování (tabule se zalisovanou drátovou vložkou) 

- lití (zvláště odstředivé – obrazovky) 

- slinování 

- zpracování sklofoukačským způsobem na kahanu 

• Chlazení 

řízený tepelný pochod, jímž se odstraňuje nepřípustné vnitřní pnutí nebo se zabraňuje 

jeho vzniku 

Viskozita a povrchové napětí 

Technologie výroby a zpracování skla spočívá na dvou fyzikálních vlastnostech skloviny 

• na viskozitě 

• na povrchovém napětí 

Viskozita, viskozitní křivka 

log η= FT ( ) 

• Vogelova – Fulcherova – Tamannova rovnice 

B 

logη= 

A + 

T −T0 

A, B, T0 … konstanty 

(5.31) 

• Viskozitní body 

vyjadřují dekadický logaritmus dynamické viskozity η (Pa s) 

13,5 

12,3 

dolní chladicí teplota Ts 

(η = 2.10 12 Pa s) transformační bod Tg transformační interval 

12,0 horní chladicí teplota Ta 

7,0 dolní teplota tvarování 

3,0 horní teplota tvarování 

1,0 teplota tavení 

• Ta teplota, při níž se pnutí ve skle (způsobené nestejným chlazením) odstraní za 

15 minut, až na výši 10 % (není již pro zpracování podstatně důležité) 

Klasifikace skel podle polohy bodu Ta 

Ta < 380 – 450 °C > měkká skla 

< 450 – 500 °C > středně tvrdá skla 

> 500 °C středně tvrdá skla 

• η < 10 3 ; 10 7 Pa s >: důležité pro zpracování – odpovídá zpracování na sklářském 

plameni 

Klasifikace skel podle relace η < 10 3 ; 10 7 Pa s > / ∆T 

- dlouhé sklo 

široký rozsah teplot, (vhodné pro ruční zpracování) 

- krátké sklo 

nízký rozsah teplot s prudkým poklesem η v průběhu zpracování – (pro 

zpracování na sklářských automatech, kde je možno teplotu přesně nastavit) 

Povrchové napětí 

• při zpracování má stejný význam jako viskozita 

• roztavené sklo má poměrně velké povrchové napětí, málo závislé na teplotě 

• při čeření se snížením povrchového napětí usnadní únik bublin 

• při tvarování je povrchové napětí příčinou snahy skla stahovat povrch výrobků: 

příznivý vliv


vyrovnání případných nerovností povrchu při tvarování 

nepříznivý vliv 

zaoblení hran a rohů, které mají zůstat ostré; zúžení tažených trubic, prohnutí tabulí. 

Vady skla 

• Kamínky 

zbytky neprotavených tuhých součástí (ze sklářských surovin, úlomky vyzdívky pecí) 

• Šlíry 

skelné nestejnorodosti, projevující se jako proudy nebo provazce ve skle (nedostatečné 

promísení vsázky) 

• Bubliny 

mj. znečistěním střepů prachem 

• Vrstevnatost 

těžší složky při tavení segregují od lehčích 

Vlastnosti skel 

• Mechanické vlastnosti 

pevnost v tlaku vysoká (na úrovni kovů) 

pevnost v tahu nízká (cca 10 % pevnosti v tlaku) 

tvrdost: 5 – 7,5 podle Mohse 

• Teplotní roztažnost 

lkové roztažnosti: 0,55 – 12,8 . 10 -6 K -1 

teplotní součinitel dé 

- křemenné sklo 0,55 . 10 -6 K -1 

- tvrdá skla 3,0 – 5,0 . 10 -6 K -1 

- měkká skla 8,5 – 11,0 . 10 -6 K -1 

odolnost skel proti náhlým změnám teplot 

- křemenné sklo 1 200 K 

- boritokřemičitá skla 200 – 250 K 

- alkalická skla 150 K 

• Elektrické vlastnosti 

permitivita 

- dominantní polarizace: iontová relaxační 

- rozsah permitivit < 3,7; 35 > 

- ε´= 2,2 ρ (hustota) 

vnitřní rezistivita 

- iontový charakter vodivosti 

- rozsah vnitřních rezistivit 10 9 – 10 15 Ω m 

- Raschova – Hinrichsenova rovnice 

b 

T . Ae ρ = (5.32) 

v 

- bod TK 100: teplota, při níž ρv = 100 Ω m …10 6 Ω m 

(v rozmezí teplot 150 – 550 °C) 

povrchová rezistivita 

- vliv tenké povrchové vodní vrstvy 

ztrátový činitel 

- druhy ztrát 

· ztráty vodivostní (modifikátory) 

· ztráty relaxační (modifikátory) 

· ztráty vibrační (modifikátory) 

· ztráty deformační (skelná síť)


Obr. 5.9 Kmitočtová závislost tg δ (X) se složkou vodivostní (1), relaxační (2), vibrační (3) 

a deformační (4) 

- druhy iontů 

(Li + , Na + · lehce pohyblivé ionty ) 

· špatně pohyblivé (K + , Mg ++ ) 

· nepohyblivé ionty (Pb ++ , Ba ++ ) 

- přístupy ke snížení dielektrických ztrát 

· kombinace pohyblivých a nepohyblivých iontů 

· vzájemné působení dvou druhů pohyblivých iontů (Na + , Li + ) 

· částečná náhrada vazeb Si-O silnějšími vazbami B-O 

- nízkoztrátová skla 

· olovnatá skla (ε´ ∼ 7 – 8) 

· boritokřemičitá skla (ε´ ∼ 4 – 5) 

elektrická pevnost 

- převážně tepelný průraz 

• Optické vlastnosti 

křemičitá skla: propustnost ve viditelné části spektra 

křemenné sklo, fosfátové sklo: propustnost i v ultrafialové části spektra 

Klasifikace skel 

Hlediska klasifikace 

• poloha viskozitních bodů 

A. skla 

měkká 

středně tvrdá 

tvrdá 

B. skla 

dlouhá 

krátká 

• chemické složení 

alkalická 

alkalicko – olovnatá (vysoký index lomu světla) 

alkalicko – vápenatá (vysoký lesk) 

hlinito – vápenatá


boritá 

hlinito – boritá 

fosfátová 

• použití v elektrotechnice 

nízkoztrátová skla 

zátavová skla 

skla odolná proti kovovým parám 

skla eutektická 

Nízkoztrátová skla 

• křemenné sklo 

• vycor (96 % SiO2 + malé množství alkálií) 

• boritokřemičitá skla – eutal (sklo E) 

• olovnaté sklo 

Zátavová skla 

• tvrdá - MoKa (Mo-Kavalier) 

WoKa 

kovarové sklo 

Pyrex (obd. Simax) 

- v podstatě boritokřemičitan s malým obsahem alkálií 

• měkká - olovnatá 

5.4.2 Halogenidová a chalkogenidová skla 

Skla na bázi chalkogenidů 

V souladu s empirickými pravidly pro tvorbu skla byla prokázána sklotvornost sloučenin 

zejména v soustavách: 

• skupiny prvků dvojprvková skla v soustavě 

VI – VI Se – S 

V – VI P – Se, As – Se, As – S 

IV – VI Ge – Se 

III – VI Tl v soustavě As – Se – Tl 

Tato dvojprvková skla jsou základem pro další vícesložková skla s jinými sulfidy nebo pro 

směsná skla s oxidy nebo halogenidy. 

Mnohá skla v důsledku svých výhodných vlastností našla praktické uplatnění v optice. 

V elektronice se uplatňují jako pasivní, ale zejména jako aktivní komponenty. 

Příklady použití chalkogenidových skel 

• As – S 

skla složením blízká As2S3 jsou propustná pro infračervené záření 

slouží pro infračervenou optiku 

z tohoto skla lze připravit i vlákna pro infračervenou vláknovou optiku 

• As – S – Se 

sklo z této soustavy může sloužit jako nízkotající izolátor pro hermetizaci diod, které 

nesnášejí působení vyšších teplot 

• As – Te – J


skla jsou uvažována pro spínací a paměťové prvky 

• As – Se – Te 

sklo lze aplikovat pro fotovodivé prvky 

• As – Ge – Si – Te 

sklo je propustné pro infračervené záření a stálé za vysokých teplot. 

Na bázi chalkogenidů byla vypracována i skla pro elektroniku tenkých vrstev. Počet 

dvojprvkých chalkogenidových skel je v současnosti značný a přesahuje počet klasických 

dvojprvkových oxidových skel. Jejich příprava tavením v uzavřených trubicích je však velmi 

náročná s ohledem na nezbytnou čistotu. Skla jsou neklasická svým složením, jejich příprava 

je v podstatě klasická – tj. tavení, avšak za speciálních podmínek. 

5.4.3 Speciální skla 

Speciální skla pro elektrotechniku a elektroniku 

A. Křemenné sklo 

B. Skleněná vlákna 

C. Slinovaná skla 

D. Zátavová skla a skleněné průchodky 

E. Skelné pájky 

F. Skleněné průchodky 

G. Skla pro výrobu elektronek a obrazovek 

H. Skla pro výrobu polovodičových součástek 

I. Skleněná vlákna pro optické vlnovody 

Rozdělení slinovaných skel 

- skelné filtry 

- průlinčitá - pěnová skla 

- s kulatými dutinami 

- s hranatými dutinami (Cerkor) 

- skelné smalty 

Slinovaná skla - vakuově těsná - slinovaná nad horní 

slinovací teplotu - skelné pájky - neodskelňující 

- krystalizující 

- slinovaná skla jednoduchá 

- slinovaná na horní 

slinovací teplotu - slinovaná skla směsná 

- multiformová slinovaná skla 

- krystalická slinovaná skla


5.4.4 Skelně krystalické materiály 

Skelně krystalické materiály (sklokeramika) 

Polykrystalické látky se zbytkovou skelnou fází, připravené utavením skla a jeho 

vytvarováním do výrobků, které byly podrobeny řízené krystalizaci. Pojmem řízené 

krystalizace skla se označuje vylučování krystalické fáze z matečné sklovité fáze ve formě 

malých krystalků, kde jejich počet, rychlost růstu a tedy i jejich konečná velikost jsou řízeny 

vhodně zvoleným tepelným zpracováním. 

Úspěšná příprava skelně krystalických materiálů spočívá zejména v zajištění tvorby 

dostatečně velkého množství krystalizačních jader - nukleí, rovnoměrně rozdělených v 

objemu skla,která pokračují v růstu (zpravidla do velikosti 0,1 až 1,0 µm ) při zvýšené 

teplotě,dokud krystalická fáze nezaujímá objem mezi 50 až 100 % původního objemu skla. 

Výchozí skla pro přípravu skelně krystalických materiálů,tj.obvykle anorganická oxidová 

skla, jsou připravována nejběžnějším postupem, tj.zchlazením sklotvorné taveniny po 

předchozím vytvarování do požadovaného tvaru. Pro postup přípravy skelně krystalických 

materiálů je tedy charakteristické, že výchozím materiálem je sklo, které se při řízeném 

tepelném zpracování mění na jemnozrnný polykrystalický materiál požadovaných vlastností. 

První podmínkou pro přípravu skelně krystalických materiálů je sklotvornost taveniny. 

Sklotvornost stejně jako vlastní krystalizace podchlazené taveniny je kontrolována dvěma 

základními faktory. Prvním je nukleační rychlost, tj.počet nukleí vzniklých v jednotce objemu 

za jednotku času,a druhým rychlost krystalového růstu, tj.rychlost posunu fázového rozhraní 

krystalické fáze v tavenině. 

Dochází-li ke krystalizaci z nukleí rozptýlených uvnitř objemu skla,hovoří se o krystalizaci 

v objemu nebo objemové krystalizaci.Zajištění objemové krystalizace s vysokou hustotou 

nukleí je základním předpokladem pro přípravu skelně krystalických materiálů. Při objemové 

krystalizaci se mohou uplatnit tři typy nukleace : 

- homogenní nukleace, 

- heterogenní nukleace, 

- fotonukleace. 

Typy nukleací 

A. Homogenní nukleace 

Nukleace vyskytující se zcela nahodile v celém systému, kde se neuplatňují preferenční 

místa pro vznik nukleí. Pro mateřskou fázi je tedy nutným předpokladem její chemická, 

strukturní a energetická homogenita bez jakýchkoliv defektů. 

B. Heterogenní nukleace 

Nukleace, vznikají-li nuklea nové fáze na již vytvořených površích fázového rozhraní. Při 

bjemové krystalizaci je nutné, aby místa nukleace byla opět rozptýlena rovnoměrně 

v celém objemu výchozího skla. 

Poznámka: 

Uplatní-li se pro nukleaci fázové rozhraní mezi povrchem nádoby nebo vzduchem a sklem, 

postupuje krystalizace od povrchu do středu vzorku.Jde o povrchovou krystalizaci. 

C. Fotonukleace (nukleace vyvolaná zářením) 

Fotosensitivní skla, která obsahují rovnoměrně dispergované ionty Au, Ag nebo Cu spolu 

se sensibilisátory (Ce 3+ , Sn 4+ nebo soli Au,Cu) umožňují,po ozáření při určité vlnové 

délce (300 až 350 nm) a následujícím tepelném zpracování, vyloučení částeček kovu


rozptýlených v objemu skla,jichž lze využít k heterogenní nukleaci další hlavní krystalické 

fáze a k přeměně skla na skelně krystalickou látku. 

Doplněk: 

U některých složení skel je obtížné dosáhnout objemové krystalizace s vysokou nukleační 

rychlostí.V těchto případech jsou do výchozích skel zaváděny nukleátory,látky umožňující 

nebo urychlující objemovou krystalizaci. 

Hlavní typy technických skelně krystalických materiálů: 

1) Sklokeramické materiály s nízkou nebo nulovou teplotní roztažností. 

2) Mechanicky opracovatelné skelně krystalické materiály (fluoroslídy). 

3) Chemicky opracovatelné skelně krystalické materiály (Fotoform,Fotoceram). 

4) Slinované skelně krystalické materiály. 

5) Skelně krystalické materiály s orientovanou mikrostrukturou. 

6) Bioaktivní skelně krystalické materiály. 

Komerční označení významných skelně krystalických materiálů: 

Pyroceram, Fotoceram, Sitall, Schott-Glaskeramik, Neoceram, Kryston (ČR), Nukryst 

(ČR). 

Ske1ně krystalické materiály jsou svými vlastnostmi mechanickými, tepelnými, elektrickými, 

chemickými a optickými schopny nejen konkurovat tradičním materiálům, ale v mnohém je i 

předstihnout. Mohou nahradit deficitní materiály, jako jsou barevné kovy nebo speciální 

slitiny, v řadě oborů umožňují vývoj zcela nových nebo dokonalejších výrobků, případně 

umožňují i použití efektivnějších technologií. Rozmanitost v kombinaci vlastností umožňuje 

uplatnění skelně krystalických materiálů téměř ve všech průmyslových odvětvích, ve 

zdravotnictví i ve výrobcích pro domácnost. Příklady použití jsou ve vztahu k jejich 

vlastnostem jsou uvedeny v tabulce 5.1. 

Tabulka 5.1 Kombinace vlastností skelně krystalických materiálů a jejich aplikace 

Vlastnosti Příklady použití 

mechanická pevnost při vysoké teplotě, 

odolnost k teplotnímu rázu, optické vlastnosti 

(specifický spektrální prostup) 

mechanická pevnost, odolnost k teplotnímu 

rázu, speciální elektrické vlastnosti 

mechanická pevnost, oděruvzdornost, 

chemická odolnost 

mechanická opracovatelnost, dielektrické 

vlastnosti, vakuotěsnost, stálost při zvýšené 

teplotě 

tepelné výměníky, varné nádobí, vařidlové 

desky sporáků, okna pecí a konstrukční prvky 

vysokoteplotních zařízení, vodoznaky, pláště 

zdrojů vysoké světelné a tepelné intenzity, 

topné panely, samočistící okna tepelných 

zařízení, laboratorní nádobí 

kryty radiolokátorů, elektrické izolátory, 

vakuové obaly 

stavební materiál (obklady stěn pro zvýšený 

provoz podlahy, dlažba, sanitární výrobky), 

nádoby pro roztavené kovy nebo soli, součásti 

čerpadel pro agresivní kapaliny, trubky a 

potrubí pro chemický a petrochemický 

průmysl, kanalizační potrubí 

elektroizolační vakuové součástky 

komplikovaných tvarů, šablony, modely, 

lisovací nástroje, razidla pro plasty, pryž a 

kovy, formy


tvrdost, oděruvzdornost ložiska, ventily, břity, součástky textilních 

strojů, třecí misky, vrchní desky pracovních 

stolu 

nulová teplotní roztažnost (prostup světla) astronomická optika, zrcadla dalekohledů 

snášenlivost s kostí a tkání, mechanická 

pevnost 

speciá1ni elektrické vlastnosti, možnost 

spojení s jiným materiálem 

feromagnetismus nebo ferimagnetismus, 

nízká elektrická vodivost 

5.5 Keramické materiály 

biokeramika (zubní protézy a plomby, 

náhrada. kostí, např. endoprotézy kyčelního 

kloubu) 

mikroelektronika, izolační vrstvy pro křížení 

plošných spojů, povlaky pro podložky 

hybridních obvodů, pájky pro elektrotechniku 

a světelnou techniku 

vysokofrekvenční technika 

Keramika je anorganicky polykrystalický materiál, často se sklovitými, silikáty obsahujícími 

tavicími a vaznými látkami, vzniklý ze surovin vypálením za vhodné teploty. Směsi surovin 

jsou zpravidla po zformování plastické a svoje významné vlastnosti, zejména tuhost 

a pevnost, získávají výpalem. Teplota výpalu je ve výši cca 80 - 90 % teploty tavení směsi. 

5.5.1 Klasifikace keramiky 

A. Křemičitá (silikátová) keramika (x) 

1. porcelán 

1.1 tvrdý porcelán 

1.2 tvrdý porcelán se zvýšeným obsahem Al2O3 

1.3 zirkoničitý porcelán 

1.4 nízkoztrátový porcelán (porcelit) 

1.5 ultraporcelán 

2. kamenina 

2.1 kamenina 

2.2 hořečnatá kamenina - kerit 

3. hořečnatá keramika 

3.1 steatit 

3.2 stealit – nízkoztrátový steatit 

3.3 porolit – pórovitý steatit 

3.4 forsterit 

3.5 kordieritová keramika 

3.6 pyrostat – hořečnatá pórovina 

(hořečnatá kamenina – kerit: v podstatě kordieritová keramika silně křemičitá) 

4. lithná keramika 

4.1 lithná (spodumenová) keramika 

5. bezalkalické alumosilikáty 

5.1 celsiánová keramika 

5.2 korundová keramika 

5.3 mullitová keramika 

(nízkoztrátový porcelán – porcelit) 

(ultraporcelán) 

Poznámka 

(x) Nejdůležitější druhy pro elektrotechniku


B. Oxidová (kysličníková keramika) 

• slinutý korund (Al2O3) 

• periklasová keramika (MgO) 

• slinutý ZrO2 

• slinutý BeO 

• slinutý ThO2 

• keramika na podkladě TiO2 

stability, rutilit, negatit, permitity 

C. Bezkyslíkatá keramika 

• karbidy (SiC) 

• nitridy (BN) 

• boridy 

• silicidy 

• sulfidy 

• fluoridy 

Poznámka 

Keramické materiály skupiny A. a B. jsou izolanty – dielektriky. Keramika skupiny C. 

zahrnuje podle druhu materiály charakteru izolačního, polovodivého i vodivého. 

5.5.2 Křemičitá keramika 

Suroviny pro výrobu křemičité keramiky 

1. Hlavní suroviny – tvoří strukturu keramických materiálů 

2. Pomocné suroviny – vyžaduje technologický postup 

1. Hlavní suroviny 

Surové keramické látky i glazury se připravují vesměs z anorganických práškových materiálů 

- suroviny se jako práškové vyskytují 

- suroviny se na prášek potřebné jemnosti a čistoty teprve postupně připravují 

1.1 tvárlivé, plastické práškové suroviny 

- ve spojení s vodou poskytují tvárlivou látku 

- kaoliny a jíly, za určitých předpokladů (jemné mletí) i suroviny mastkové 

1.2 netvárlivé, neplastické práškové suroviny 

1.2.1 přírodní netvárlivé suroviny 

- živce, křemen, vápenec, magnezit, dolomit 

1.2.2 chemicky připravené suroviny 

- Al2O3, TiO2, MgO, ZnO, ZrO2, SnO2, CaCO3, BaCO3 

2. Pomocné suroviny 

- voda 

- organické plastifikační látky (škrob, dextrin, polyvinylalkohol) 

- lisovací oleje 

- paliva 

Poznámky: 

• kaoliny a jíly 

směsi různých minerálních surovin, velmi jemnozrnných, jejichž hlavní součástí jsou 

jílové minerály 

• jílové minerály 

hlinité hydrokřemičitany, vzniklé zvětráváním vyvřelých hornin, jejichž podstatnou 

součástí jsou živce (kaolinit, montmorillonit, illit)


• kaolin („porcelánová zemina“) 

hlavní součástí (jílovým minerálem) je kaolinit Al2O3 . 2SiO2 . 2H2O; pro výrobu 

elektrotechnické keramiky upravený, tzv. plavený kaolin (obsahuje asi 70 % jílových 

minerálů) 

• jíly 

více či méně znečistěny zrnky křemenného písku, sloučenin Fe, Mg, Ca; pro výrobu 

kameniny a póroviny 

- jíly bohaté na Fe2O3: pro obyčejné hrnčířské výrobky 

- jíly bohaté na Fe2O3 a na písek („cihlářská hlína“): cihly, krytiny 

- slíny (silné znečistění CaCO3 a MgCO3): nevhodné pro výrobu keramiky 

• mastek 

minerál steatit 3MgO . 4SiO2 . H2O; textura mastku je buď šupinkatá (talek) nebo 

zrnitá (mastek) 

• živce 

- ortoklas K2O . Al2O3 . 6SiO2 

- albit Na2O . Al2O3 . 6SiO2 

- živec draselný: důležitá složka při výrobě porcelánu, kde působí jako tavidlo (taví 

se při 1 150 – 1 200 °C) a spolupůsobí při tvorbě skelné fáze porcelánového střepu 

• křemen 

čistý křemenný písek (více než 99 % SiO2); v keramické směsi působí jako ostřivo, tj. 

látka zmenšující velkou smrštivost při sušení a výpalu 

Technologie výroby 

Sled výrobních operací: 

• úprava výchozích surovin 

• příprava surové keramické látky 

• tváření surové keramické látky 

• sušení polotovarů 

• vypalování vysušených (surových) výrobků 

• glazování polotovarů – alternativně 

• opracování a konečná úprava výrobků – alternativně 

• technická kontrola 

Úprava výchozích surovin 

• patří do oboru úpravárenské techniky 

• cíl operace 

dosažení stejnorodosti surovin 

zbavit je nečistot a nežádoucích příměsí 

• úpravárenské operace 

drcení a hrubé mletí 

mechanické čistění 

třídění proudem vzduchu 

magnetická separace, resp. kalcinace 

Příprava surové keramické látky 

• cíl operace: výroba surové keramické látky s vlastnostmi potřebnými k tváření 

• základní operace: jemné mletí (umletá vsázka, tzv. kal), vibrační prosévání, magnetická 

separace, filtrační lisování filtračními lisy, tzv. kalolisy (kalolisy nebo pásmové vakuové 

lisy) 

• mletí 

mletí za sucha, za mokra


bubnový (kulový), vibrační, koloidní mlýn, mikromlýn 

• kalolis: umožňuje vytlačení přebytečné vody tlakem (pod 1 MPa) přes hustou pevnou 

bavlněnou (kepr) nebo silonovou tkaninu 

• pásmový vakuový lis: přednosti – látka se důkladně prohněte, homogenizuje a odvzdušní 

• obsah tzv. plastifikační vody závisí na tvárlivosti látky, druhu výráběné keramiky, 

velikosti částic umleté vsázky a na zvolené technologii tváření 

Tváření surové keramické látky 

Technologické postupy 

• běžné způsoby 

lití do forem obsah plastifikační vody 15 - 40 % 

plastické tváření – točení, tažení 18 – 25 % 

vlhké lisování 15 – 20 % 

suché lisování 4 - 8 % 

• způsoby pro žáruvzdornou (nikoli elektrotechnickou) keramiku 

polosuché lisování 8 – 15 % 

• speciální způsoby, vyvinuté ke zpracování málo tvárlivých nebo netvárlivých 

keramických látek 

hydrostatické lisování 

vstřikové, tzv. horké lití 

kvaziplastické tváření 

lisování v žáru 

Plastické tváření 

- nejrozšířenější technologie při výrobě elektrotechnické keramiky (izolátory, průchodky) 

Vlhké lisování 

- vhodné pro výrobu značně členitých tvarů výrobků 

Suché lisování 

- vhodné pro hromadnou výrobu tvarově přesných výlisků jednoduchého tvaru (izolační a 

konstrukční součásti) 

Dosažitelná přesnost: točení a lití ± 3 – 5 % 

výtlačné a mokré lisování ± 2 – 3 % 

suché lisování ± 1 – 2 % 

Smrštění 2 ÷ 30 % 

Sušení polotovarů 

• cíl operace: odstranění přebytečné vody 

• surový výrobek se suší na konečnou vlhkost 1 – 2 % před výpalem, aby se zamezilo 

znehodnocení při výpalu (popraskání) 

Keramická látka 

kapilárně porézní 

Voda je vázána třemi způsoby: 

a) fyzikálně-mechanicky jako voda plastifikační, která vyplňuje kapilární prostory mezi 

tuhými částicemi, kde je vázána silami povrchového napětí 

b) fyzikálně-chemicky následkem adsorpce na povrchu i v objemu tuhé látky 

c) chemicky jako voda krystalová; vazba je nejpevnější (při sušení se nerozrušuje) 

Při sušení (teploty 800 – 900 °C) se nejprve odstraňuje voda plastifikační za smrštění 

předmětu, v dalším průběhu se odstraňuje voda adsorbovaná za nepatrné smrštivosti; voda 

krystalová se odstraňuje až při výpalu. 

Sušárny 

• periodický či kontinuální proces


• sušení: konvektivní – proudem horkého vzduchu (nejrozšířenější) 

radiační – sáláním zdroje infračervených paprsků 

dielektrické 

odporové 

Výpal vysušených výrobků 

Procesy probíhající při výpalu 

• odstranění krystalicky vázané vody (ztráta plasticity, smrštění, zpevnění) 

• vypálení uhlíku a síry 

• chemické reakce 

dehydratace 

rozklad uhličitanů 

vznik nových chemických sloučenin 

• fázové přeměny 

polymorfní přechody 

tavení složek, rozpouštění krystalů, krystalizace z taveniny 

• slinování 

za přítomnosti nebo bez přítomnosti taveniny 

Teploty výpalu 

• běžná elektrotechnická keramika 1 200 – 1 400 °C 

• speciální druhy keramik > 2 000 °C 

Technika výpalu 

• druhy pecí 

kulaté (zastaralý typ) 

komorové 

tunelové 

• předměty se vypalují 

volně uložené (v tunelových nebo komorových pecích) 

v šamotových pouzdrech ( v kulatých pecích – ochrana před pecní atmosférou 

a nečistotami z topeniště 

• měření teploty 

termočlánky 

radiační teploměry = optické pyrometry 

• indikace teploty 

žároměrky (Segerovy jehlance) 

• pecní atmosféra 

oxidační 

redukční 

neutrální 

Významné pojmy 

• přežah: první výpal surových výrobků – výrobek nabývá určité mechanické pevnosti, 

potřebné k manipulaci 

• ostrý výpal: druhý výpal – výrobek získává význačné technické vlastnosti 

• střep: stěna rozpracovaného nebo hotového keramického výrobku, na kterém se určuje 

barva, tloušťka, nasákavost, pevnost 

Glazování polotovarů 

• cíl operace: chránit keramický střep tím, že se na něm vytvoří hutnější a stálejší povrch 

dokonale hladký, který zabraňuje vnikání vlhkosti do střepu a tím snižuje nasákavost,


chrání povrch před usazováním nečistot a tak zabraňuje vzniku vodivých stop; vrstva 

zvyšuje mechanickou pevnost výrobků, zlepšuje jejich odolnost proti vlivům povětrnosti 

a účinkům chemických agresivních látek, zlepšuje elektrické vlastnosti a dodává 

výrobkům lepší vzhled 

Glazura 

• v podstatě tavenina; svojí povahou se blíží sklu 

• suroviny: jako pro přípravu keramiky, avšak vyšší požadavky na čistotu 

• obsah taviv v glazuře je větší než v látce střepové 

• důležitý požadavek: αg < αstřep, aby tenká vrstva glazury byla po ochlazení namáhána na 

tlak 

Příprava glazur 

• smíchání a rozemletí surovin nerozpustných ve vodě 

• vytvoření vodní suspenze 

Nanášení glazur 

▪ ponořením (máčením) do glazovací lázně 

▪ stříkáním pistolí (velké izolátory) 

Základní typy glazur pro elektrotechniku 

1. s dielektrickými vlastnostmi 

1.1 tvrdé (živcové) glazury – nanášejí se na surový nebo předžahnutý (800 – 900 °C) 

předmět (kapalná glazura se dobře nasazuje; po uschnutí glazury – ostrý výpal (i 

s výrobkem) 

1.2 měkké (olovnaté, boritoolovnaté) glazury – nanášejí se na ostře vypálený střep; 

vypalování glazury – při podstatně nižších teplotách (900 – 1 100 °C) 

2. s polovodivými vlastnostmi 

- glazura umožňuje řízení elektrického pole u izolátorů vn 

- ρp = 10 6 – 10 7 Ω (glazury typu 1 … 10 12 – 10 13 Ω) 

- základem polovodivé glazury je tvrdá živcová glazura; polovodivou složku tvoří směs 

oxidů, např. ZnO – Fe2O3 – Cr2O3; polovodivé oxidy vytvářejí v tavenině nevodivé 

skelné fáze polovodivou rekrystalizovanou spinelovou mříž 

Opracování a konečná úprava výrobků 

Opracování 

• broušení + řezání závitů (karborundové brusné nástroje; pro korundovou keramiku – 

diamantové nástroje) 

• vrtání děr (ultrazvuk) 

Pokovování 

• požadavky: kovová vrstva musí 

dobře lpět na keramickém podkladu 

být dobře vodivá 

být pájitelná (měkké a tvrdé pájky) 

• metody 

1) vypalování nánosů suspenze jemného kovového prášku v laku nebo sloučeniny kovu; 

vypalování při teplotách < teplota tavení kovu; používá se téměř výhradně Ag 

(výjimečně Au) – výpal na vzduchu, při případném použití neušlechtilých kovů (Mo, 

Fe) nutno vypalovat bez přístupu vzduchu 

2) nástřik roztaveného kovu – šopování (Cu, slitiny Al nebo Zn); nevýhoda – vzniklé 

povlaky jsou pórovité 

Spojování keramiky 

• mechanické spojení


• tmelení 

• lepení 

• pájení 

• zátavy keramiky 

Systematika keramických materiálů 

1. Křemičitá (silikonová) keramika 

2. Oxidová keramika 

3. Bezkyslíkatá keramika 

Tvrdý porcelán 

• soustava: K2O – Al2O3 – SiO2 

• obvyklé hmotnostní složení směsi surovin 

kaolin – 50 %, křemenný písek – 25 %, živec (ortoklas) – 25 % 

• vypalovací teploty: I. 900 – 1 000 °C 

II. 1 400 – 1 440 °C 

• hmotnostní složení vypáleného střepu 

skelná fáze ~ 2/3 

krystalická fáze ~ 1/3 

5.5.3 Jednokomponentní keramika 

A. Oxidová keramika 

Specifika technologického procesu 

• suroviny se připravují synteticky 

• plastifikace je obtížnější … mletí až na 5µm 

• teploty výpalu: 1 800 – 2 000 °C, výjimečně i 2 200 °C 

• možnost chemické reakce s vyzdívkou 

Druhy oxidové keramiky 

• slinutý korund (Al2O3) 

• periklasová keramika (MgO) 

• slinutý slinutý oxid zirkoničitý (ZrO2) 

• slinutý BeO 

• slinutý ThO2 

• keramika na podkladě TiO2 

stability, rutilit, negatit, permitity 

C. Bezkyslíkatá keramika 

• karbidy (SiC) 

• nitridy (BN) 

• boridy 

• silicidy 

• sulfidy 

• fluoridy


Tabulka 5.2 Vybrané vlastnosti jednokomponentních keramik 

vlastnost Al2O3 AIN BN(Hex) B4C BeO SiC Si3N4 SiO2 ZrO2 

Stab. 

5 % lab. 

hustota (kg m -3 ) 3 900 3 260 1 900 2 520 2 900 3 200 3 200 2 100 5 400 

bod tání (°C) 

teplotní součinitel 

délkové roztažnosti 

při 20 až 200 °C (K -1 ) 

součinitel tepelné 

vodivosti (W m -1 K -1 ) 

rezistivita (Ωm) 

modul pružnosti 

(MPa) 

2 030 

(5,5 až 

8,5).10 -6 

10 až 35 

> 10 12 

(300 až 

380).10 3 

2 300 

(5 až 6) 

.10 -6 

140 až 

170 

10 8 

(300 až 

310).10 3 

tvrdost (Mohs) 9 7 

* 

Při této teplotě dochází k rozkladu. 

5.6.4 Teplovzdorné plasty 

3 000 * 

(1 až 

10).10 -6 

15 až 20 

10 7 

(60 až 

80).10 3 

7 

2 450 

6.10 -6 

60 

4 

450.10 3 

9 

2 530 

(6,5 až 

6,8).10 -6 

150 až 

250 

10 11 až 

10 13 

(300 až 

350).10 3 

8 až 9 

2 700 

(4,4 až 

5).10 -6 

90 

> 5.10 -2 

390.10 3 

9 

1 900 * 

(3,1 až 

3,2).10 -6 

10 až 40 

10 7 

(280 až 

320).10 3 

- 

1 750 

0,5.10 -6 

0,1 

10 16 

(70 až 

72,5).10 3 

5,5 

2 700 

11.10 -6 

1 až 3 

10 11 

(1500 až 

200).10 3 

Tuto skupinu tvoří plasty - polymery s trvalou tepelnou odolností vyšší než 150 °C. Často 

bývají vyztuženy skleněnými, uhlíkovými nebo aramidovými vlákny. Přítomnost plniv přitom 

dodává materiálům specifické vlastnosti. Grafit vytváří elektricky vodivé polymery, případně 

zlepšuje kluzné vlastnosti jako sulfid molybdeničitý, bronzový prach, nebo prášek PTFE. 

Mezi hlavní představitele této skupiny patří: polysulfony (PSU), polyétersulfony (PES), 

polyfenylenoxid (PPO), polyfenylensulfid (PPS) , polyimidy (PI), polyéterimidy (PEl), 

polyamidimidy, polyéteréterketon (PEEK),polyaryléterketon (PAEK), polyftalamid (PPA), 

polyaryláty (PAR), polyesterkarbonát, aramidy. 

Materiály jsou využívány především pro mechanicky, tepelně a elektricky namáhané díly 

(ozubená kola, vačky, ložiska, hnací hřídelky, díly čerpadel, pístní kroužky, elektronářadí, 

letadlové díly, přesné díly elektronických a elektrotechnických přístrojů apod.). 

Vyšší tepelné odolnosti polymerů lze dosáhnout opatřeními, která vedou - 

• ke zvýšení krystalinity (pravidelným uspořádáním postranních řetězců, se silnými 

mezimolekulárními přitažlivými silami mezi segmenty řetězců) a 

• ke zvýšení tuhosti řetězců (následkem zabudování kruhových vazeb do fetězců 

makromolekul) 

Ke zvýšení chemické odolnosti za vysokých teplot vedou taková opatření, jimiž se zabrání 

vzniku volných radikálů následkem destrukce vazeb C - C nebo odštěpování H2 

z metylénových skupin:. 

• náhradou poměrně slabých vazeb C - H vazbami C - F, 

• částečnou nebo úplnou náhradou uhlíkatých atomu v řetězci jinými atomy nebo skupinami 

atomu (silikony), 

7


• zabudováním aromatických a heterocyklických kruhů do řetězce. 

POLYSULFON (PSU) 

Amorfní termoplast. Má velkou mechanickou pevnost od -100 do +150 °C, velkou tuhost, 

houževnatost, stálé elektrické vlastnosti do 175 °C. Je odolný proti anorganickým kyselinám, 

zásadám a roztokům solí. Vykazuje mírnou navlhavost, je nehořlavý a odolný proti záření 

beta a gama. Hodí se na tělesa a kryty domácích elektrických spotřebičů, izolační součásti 

v elektronice, součásti lékařských přístrojů (možnost sterilizace při 120 °C), součásti 

v potravinářském, farmaceutickém a chemickém průmyslu. 

Čirý, průzračný, tvrdý, houževnatý materiál; hustota (měrná hmotnost) 1 250 kg m -3 . 

Řetězce j sou tvořeny benzénovými kruhy, spojenými třemi druhy vazeb: izopropylidénovou, 

éterovou a sulfonovou. Strukturou vysvětlit dobrou odolnost proti oxidaci (atomy síry jsou 

obsazeny atomy kyslíku, přičemž sulfonová skupina při ti elektrony ze sousedních 

benzénových kruhů) a odolnost] vysokým teplotám (v důsledku přítomnosti fenylénsulforu 

a fenylénoxidových skupin). Dobré mechanické vlastnosti podmíněny přítomností éterových 

a propylidénových skupin. 

Praktické použití v rozmezí -100 až +150 °C. Měkne při 175 °C. Vyniká tvarovou stálostí. 

Nasákavost je 0,2 %. Je samozhášivý. Odolává kyselinám, zásadám, alifatickým uhlovodíkům 

a alkoholům. Je napadán chlorem a aromatickými uhlovodíky. 

Je slabě polární. Permitivita je 3,1 při 20 °C a v rozmezí 50 - 10 6 Hz. Ztrátový činitel je 8.10 -4 

(50 Hz), 6.10 -3 (10 6 Hz), vnitřní rezistivita – 10 14 Ω m. 

Zpracovává se vytlačováním a lisováním při 300 - 400 °C. Fólie, trubky, vodiče, kabely. 

POLYÉTERSULFON (PES) 

Amorfní termoplast. Mechanicky pevný od -100 do +200 °C, má velkou tuhost, dobrou 

kluznost a otěruvzdornost, stálé elektrické vlastnosti od 20 do 150 °C. Použití: na mechanicky 

a současně. tepelně namáhané součásti v automobilech a letadlech, isolační součásti 

velektrotechnice, osvětlovací tělesa, sterilisovatelné lékařské přístroje. 

POLYFENYLÉNSULFID (PPS) 

Semikrystalický termoplast. Pevný, tuhý a tvarově stálý za tepla. Trvalá teplotní odolnost 200 

°C. Velká chemická odolnost, velká odolnost proti záření a vlivům povětrnosti. Nehořlavý. 

Použití: v elektronice a v elektrotechnice, pro součásti počítačů, lékařské přístroje, tělesa a 

oběžná kola čerpadel, ložiska, součásti ventilů, kuchyňské nádobí. 

POLYIMIDY (PI) 

V polymerním řetězci jsou zabudována aromatická jádra a heterocyklické struktury. Vysoká 

teplotní odolnost, v inertní atmosféře stálé až do 500 °C, trvale snášejí teploty kolem 300 °C. 

Dobře odolávají běžným rozpouštědlům, tukům a olejům, a to až do vysokých teplot. Obecně 

jsou velmi odolné k různým druhům záření. 

• Dva základní typy polyimidů: 

kondenzační polymery, které tvoří lineární řetězce, 

adiční polymery, které vytvářejí trojrozměrné sítě. 

• Využití: 

v letectví a kosmonautice: konstrukční díly, 

v elektrotechnice a mikroelektronice: pasivační a ochranné vrstvy integrovaných 

obvodů, mezivrstvová dielektrika, lepidla, izolační vrstvy v nahrávacích hlavách,


desky plošných spojů, solární baterie, spojovací prvky světlovodů, materiály pro 

elektronovou litografii; laky, fólie, dielektrika kondenzátorů, izolace vodičů kabelů. 

• Nejznámější druh: 

Kapton 

Představuje vynikající kombinaci výborných tepelných, mechanických a elektrických 

vlastností. Trvale snášejí 260 °C, krátkodobě cca 500 °C. Jsou mrazuvzdorné do -269 °C. 

Taví se při 800 °C. 

Vynikají tvarovou stálostí za tepla, předčí i fluoroplasty. Odolávají většině chemikálií, 

neodolávají zásadám. Vzdorují vlivům povětrnosti, ozónu a ionizujícího záření (rychlým 

elektronům i gama záření): Jsou samozhášivé . 

Jsou slabě polární. Permitivita je 3,5 při 20 °C a kmitočtech až 10 6 Hz. Ztrátový činitel je 

3.10 -3 (50 Hz), vnitřní rezistivita 10 13 Ω m, elektrická pevnost (3 mm) = 20 kV mm -1 . 

Zpracování je obtížné. Přestože jde o termoplast (lineární struktura), nelze je zpracovat 

běžnými metodami s ohledem na vysokou teplotu měknutí. Proto se zpracovávají slinováním 

jako PTFE. Jsou proto drahé. 

Další teplovzdorné materiály se připravují tak, že se polyimidové vazby zabudovávají do 

jiných polymerních řetězců, zvl. polyesterů a polyamidů; vznikají polyesterimidy, 

polyamidimidy. 

POLYÉTERIMID (PEI) 

Amorfní temoplast. Má velkou pevnost a tuhost. Trvalá stálost za tepla 200°C, použitelnost 

trvale do 170°C. Konstantní dielektrické vlastnosti ve velkém rozsahu teplot a frekvencí. 

Velká odolnost proti záření a vlivům povětrnosti. Nehořlavý. Chemická odolnost proti 

anorganickým kyselinám a zásadám, olejům a pohonným směsím, alkoholům. Použití: v 

automobilovém, leteckém a raketovém průmyslu, na tělesa spínačů a isolátory, součásti 

mikrovlnných vařičů, součásti reflektorů, zámky bezpečnostních pásů, součásti 

velektrotechnice. 

POLYAMIDIMID (PAI) 

Modifikovaný reaktoplast. Pevný v rozmezí -190 až +260 °C, velmi ,houževnatý, tvarově 

stálý za tepla až 280 °C, má nízkou teplotní roztažnost, velkou odolnost proti gama a UV 

záření a proti vlivům povětrnosti. Použití: pro mechanicky a vysokoteplotně namáhané 

součásti, například dílce pro hydraulické a pneumatické motory, vývěvy, ložiska, kluzná 

uložení, vačky elektrických spínačů, ochranné kryty proti elektrickému průrazu těles cívek. 

POLYÉTERÉTERKETON (PEEK) 

Semikrystalický termoplast. Vysoká pevnost v tahu, tažnost 125%, teplotní odolnost 200 °C; 

nehořlavý. Dobrá kluznost a otěruvzdornost. Chemicky odolný proti pohonným hmotám, 

mazacím a hydraulickým olejům, alkoholům a rozpouštědlům. Použití: na mechanicky značně 

namáhané součásti při vysokých teplotách v tryskových motorech, izolační součásti v 

elektrotechnice a v telekomunikacích. 

POLYFENYLÉNOXID (PPO) 

Vyrábí se oxidací 2, 6 – dimetylfenolu. Lineární polymer - termoplast. Výborné mechanické 

vlastnosti, dobré elektrické vlastnosti, hustota (měrná hmotnost) je 1 060 kg m -3 .


Nepolární látka. Při 20 °C je permitivita 2,6 až do 10 6 Hz, ztrátový činitel 3.10 -4 (50 Hz), 

9.10 -4 (10 6 Hz), vnitřní rezistivita 10 15 Ω m, elektrická pevnost cca 20 kV mm -1 . Elektrické 

vlastnosti se nemění mezi -180 až +180 °C. 

Měkne při 190 °C. Trvalá odolnost je jen do 120 °C. Při vyšších teplotách poměrně brzy 

křehne následkem zesíťování (stává se reaktoplastem). Ke zvýšení tepelné odolnosti se 

přidávají stabilizátory. 

Výborná je odolnost proti kyselinám, zásadám a horké vodě. Rozpustný v alifatických, 

aromatických a Cl - uhlovodících. Samozhášivý - po oddálení plamene přestane hořet. 

Nepatrná propustnost pro plyny a páry. Nasákavost max.0,l %. Houževnatý materiál s malým 

studeným tokem. Zpracovatelný běžnými termoplastikářskými metodami (i fólie). Využití 

v elektrotechnice: izolační pláště, vodiče, výlisky pro radiotechniku. 

Modifikovaný PPO - Noryl (General Electric). Elektrické vlastností obdobné jako u PPO. 

Mechanické a tepelné vlastnosti poněkud horší (- 40 až +90 °C) . 

AROMATICKÉ POLYAMIDY 

Aromatické polyamidy (aramidy) - lineární polymery vzniklé spojením aromatických jader 

amidovými (případně také imidovými) vazbami. Makromolekulární řetězce se chovají jako 

tuhé tyčinky s nízkou ohebností a tendencí tvořit kapalně krystalické mezifáze. Z toho 

vyplývá značná odolnost aramidů proti teplotám. Většinou se netaví, ale rozkládají v 

teplotním intervalu 350 – 550 °C. Vysoká pevnost, tuhost, tepelná stálost, nízká hořlavost a 

chemická odolnost přibližuje tyto materiály anorganickým vláknům - skleněným, uhlíkovým, 

ocelovým. Příznivá je i jejich houževnatost, odolnost proti únavě a oděru. 

Nejznámější druhy: 

• vlákna Kevlar (Kevlar 29, Kevlar 49: výztuže v kompozitech, výztuže pneumatik, 

dopravních pásů, neprůstřelné neprůřezné rukavice, brzdová obložení), 

• vlákna Nomex (nehořlavé textilie, filtrační a izolační materiály, ochranné oděvy). 

SI1IKONY (SI ) 

Organokřemičité látky - syntetické sloučeniny Si,O a uhlovodíků. Vyznačují se velkou 

tepelnou stálostí, dobrými elektrickými, chemickými a mechanickými vlastnostmi. 

Všechny silikony mají za základ řetězec tvaru 

R R R 

׀ ׀ ׀ 

- Si – O – Si – O – Si – O - siloxanová skupina 

׀ ׀ ׀ 

R R R 

R - nejčastěji metylová skupina –CH3 a fenylová skupina –C6H5. 

Vazba Si - O je podstatou teplotní odolnosti a stálosti silikonů. Její výše je ovlivněna 

připojenými uhlovodíky (200 až 280 °C). Organické uhlovodíky, které obklopují základní 

řetězec, tvoří kolem něj parafinický obal, kterým lze vysvětlit nesmáčivost vodou i chemickou 

stálost. 

Výroba je náročná, silikony jsou tudíž drahé. Vychází se ze silanů (např. monosilanu SiH4 

nebo metylsilanu CH3 . SiH3, následně probíhá hydrolýza silanů na silanoly, poté se 

kondenzací silanolů získávají siloxany. 

Vlastnosti silikonů jsou podmíněny jejich polysiloxanovou strukturou, tj.volbou a smícháním 

výchozích silanů.


Silikonové oleje a pryže pozůstávají v podstatě z lineárních řetězců molekul. U olejů jsou to 

krátké řetězce s určitými konečnými skupinami, u pryží pak řetězce dlouhé. U silikonových 

pryskyřic jsou řetězce vzájemně propojeny vazbou O - můstků, takže vznikají vysoce 

polymerované sítě. 

R 

׀ 

… - Si - … 

׀ 

O 

׀ 

… - Si - … 

׀ 

R 

Silikonové látky mají vždy tyto vlastnosti: 

• velmi dobrou elektrickou pevnost v širokém rozmezí kmitočtů, 

• značné hydrofobizační účinky, 

• v rozmezí -90 až +300 °C se jejich vlastnosti téměř nemění, 

• chemicky jsou netečné, nejedovaté, 

• jsou stálé proti účinkům záření. 

5.6.7 Plastikářské technologie 

I. Procesy přípravy organických makromolekulárních látek 

Polyadice 

Reakce, při níž vzniká makromolekulární produkt adicí výchozích látek, které mají vhodné 

funkční skupiny, při čemž nevzniká vedlejší nízkomolekulární sloučenina. Příkladem je vznik 

PUR z diizokyanátů a glykolů. Složení konečného produktu se při polyadici neliší od výchozí 

směsi. Polyadiční reakce se podobají polymeračním v tom, že při nich rovněž nevzniká 

nízkomolekulární látka; jinak se tyto reakce více podobají polykondensačním. 

Polykondensace 

Reakce, při níž reagují molekuly jedné nebo několika různých nízkomolekulárních látek 

a vytvářejí makromolekulární produkt. Zároveň vznikají vedlejší jednoduché sloučeniny 

(voda, halogenvodíky). Podle počtu funkčních skupin výchozích látek mohou vznikat 

polykondensační produkty buď se strukturou lineární nebo prostorovou: 

• 2 funkční skupiny - látky s lineární strukturou (PA typu Nylon) 

• 3 funkční skupiny - látky s prostorovou strukturou (PF). 

Při polykondenzaci se chemické složení konečného produktu liší od složení výchozích látek. 

K nejdůležitějším polykondenzačním reakcím patří 

• polyesterifikace, tj. kondenzace dikarbonových kyselin a glykolů, 

• polyamidace, tj. kondenzace dikarbonových kyselin s diaminy, 

• kondenzace formaldehydu s fenoly nebo aminy, 

• vznik polykarbonátů - kondenzací dianů (skupiny dihydroxysloučenin) s fosgenem, 

• vznik epoxidových pryskyřic - kondensací epichlorhydrinu s diany. 

Hlavními činiteli, které mají vliv na konečný polykondenzační produkt, jsou:


• chemické složení a struktura výchozích látek, 

• reakční podmínky (teplota), 

• poměr výchozích složek, přítomnost a druh katalysátorů a způsob odstraňování vedlejších 

zplodin. 

Podle technologie výroby polykondenzačních produktů lze provádět 

• polykondenzaci v tavenině 

v tom případě, kdy výchozí látky jsou stálé při b( uskutečňuje se při 200 – 300 °C v inertní 

atmosféře s ním ve vakuu, aby bylo možno odstranit vznikající nízkomolekulární látku) 

• polykondensaci v roztoku 

(lze ji uskutečnit při nízkých teplotách, ale používá se zřídka) 

• polykondenzaci na mezifázovém rozhraní 

(podstata - výchozí látky se rozpustí v navzájem nemísitelných rozpouštědlech, takže se 

polykondenzát může tvořit jen na mezifázovém rozhraní). 

Průběh polykondenzace se podstatně odlišuje od polymerace. Při polykondenzaci narůstají 

makromolekuly postupně, tj. narůstá molekulová hmotnost. U polymerace jde o řetězovou 

reakci, molekulová hmotnost narůstá lavinovitě. Polykondenzace je reakce probíhající jen do 

určitého stavu rovnováhy mezi látkami, které do reakce vstupují a z ní vystupují. Při dosažení 

rovnováhy se reakce přeruší a růst řetězce se zastaví. 

Polymerace 

Reakce, při níž spojováním molekul vzniká polymerní produkt, který má stejné chemické 

složení jako monomer. Jde o řetězovou reakci, typickou pro sloučeniny, obsahující násobné 

vazby. Průběh polymerace lze rozdělit do jednotlivých dílčích reakcí: 

1. vznik řetězce - iniciace 

2. růst řetězce - propagace 

3. ukončení růstu řetězce - terminace 

Iniciace řetězce znamená otevření násobné vazby; iniciace může být vyvolána přítomností 

radikálů (polymerace radikálová) nebo iontů (polymerace iontová). Radikály mohou vznikat 

buď přímo z monomeru nebo jako radikály vystupují látky, které se k monomeru přidávají 

(chemická iniciace). Vznik radikálů z monomerů uskutečňuje buď působením tepla (termická 

polymerace) nebo působením světla (fotochemická polymerace) nebo ozářením o dostatečně 

vysokých energiích. Otevření násobné vazby bude tím snazší, čím bude tato vazba polárnější. 

Ježto je mírou polarity dipólový moment, lze podle velikosti tohoto momentu usuzovat na 

vhodnost pro tvorbu polymeru. Propagace probíhá tak, že se na vzniklý radikál připojují další 

molekuly monomeru. Tato reakce se velmi rychle opakuje. Terminace nastává nejčastěji tak, 

že se setkají dva radikály, které se spolu sloučí. 

Poznámka : 

Radikál - skupina atomů, z nichž jeden má jeden nespárovaný elektron. Elektricky je 

neutrální, neboť součet nábojů jadersouhlasí s počtem elektronů. 

Technologické procesy polymerace 

Bloková polymerace probíhá v prostředí samotného Výhodou je, že polymer neobsahuje 

žádné vedlejší příměsi; ovládání polymerace je však obtížnější, neboť reakční teplo, které se 

uvolňuje při polymeraci, se špatně odvádí. Prakticky se využívá při výrobě PS a PMMA. 

Suspenzní polymerace (perličková) probíhá ve vodní suspenzi s přídavkem iniciátorů 

rozpustných v monomeru. Polymer se získává ve formě hrubého prášku nebo perliček.


Výhodou je snadná ovladatelnost polymeračního pochodu a skutečnost, že neobsahuje zbytky 

emulgátorů. 

Emulzní polymerace se provádí ve vodném prostředí za přítomnosti emulgátoru. Jako 

emulgátory se používají látky, které s vodou vytvářejí koloidní roztoky. Polymerace je 

iniciátorem rozpustným ve vodě. Polymerace je dobře ovladatelná, avšak výsledné produkty 

obsahují zbytky emulgátoru, které způsobují mléčné zabarvení (PVC). 

Roztoková polymerace probíhá v prostředí rozpouštědla, v němž se rozpouští monomer a v 

němž zůstává rozpuštěn i polymer. Při tomto způsobu výroby se vytvářejí pouze látky o menší 

molekulové hmotnosti (v důsledku působení rozpouštědla jako přenašeče řetězce). 

Kopolymerace 

Pochod, při němž probíhá současně polymerace dvou nebo více monomerů. Složení 

kopolymeru závisí na reaktivitě jednotlivých monomerů, na jejich poměrném zastoupení a na 

mechanismu polymerace. Při výrobě mohou vzniknout 

1. kopolymery blokové 

- Ax – By – Az – Bq - 

2. kopolymery sledové 

a) se střídavým sledem 

- A – B – A – B - 

b) s náhodným sledem 

- A – B – B – A – A – A - 

3. kopolymery roubované - v tomto případě vytváří řetězec druhého polymeru větve, 

naroubované na kmen vytvořený základním polymerem 

- A – A – A – A - … 

׀ ׀ 

B B 

׀ ׀ 

B B 

׀ ׀ 

U roubovaných kopolymerů ovlivňuje vyšší stupeň strukturálního uspořádání jednotlivých 

složek charakter polymeru, takže vlastnosti výsledného polymeru jsou spíše součtem 

vlastností složek než jejich průměrem. 

Značná část metod příprav roubovaných polymerů spočívá ve vytváření volných radikálů na 

řetězci základního polymeru, se kterým se přitom nechá reagovat jiný monomer. Podmínky 

pro vznik roubovaných polymerů možno vyvolat např. 

• působením ionizačního záření na polymery, 

• intenzivním mechanickým mícháním směsi polymerů na hnětacím stroji za zvýšené 

teploty a za nepřítomnosti kyslíku nebo 

• rozkladem polymerních peroxidů. 

II. Plasty - zpracovatelské způsoby 

A. Úpravy plastů před zpracováním 

• Hnětení, míchání 

• Plastifikace


• Želatinace 

• Granulování 

• Tabletování 

• Aglomeráty a suché směsi 

• Dispergace 

B. Tvářecí technologie 

• Vstřikování 

• Lisování 

• Vytlačování 

• Vyfukování 

• Kalandrování (válcování) 

• Rotační tváření 

• Tvarování 

• Máčení 

• Potírání 

• Odlévání 

• Nanášení 

• Spojování 

• Obrábění 

5.9 KOMPOZITY 

Kompozity jsou složené materiály představující soustavu – složenou soustavu, směsnou 

soustavu – tvořenou makroskopickými útvary dvou či více materiálových složek. Složeným 

materiálem lze nazvat soustavu, která vyhovuje těmto kritériím: 

A) Složená soustava musí být tvořena člověkem. 

B) Soustavu tvoří spojení dvou či více materiálů rozdílného chemického složení se 

zřetelnou hranicí mezi geometrickými útvary jednotlivých složek. 

C) Geometrické útvary jednotlivých složek jsou v soustavě spojeny v celém, příp. téměř 

celém objemu. 

D) Složená soustava musí mít vlastnosti odlišné od vlastností složek. 

Ke složeným materiálům nepatří tedy přírodní materiály jako je např. dřevo, i když mají 

výrazně charakter složené soustavy. 

Použitím složených matriálů namísto jednoduchých se zpravidla sleduje některé z těchto 

hledisek: 

a) dosažení výhodnějších mechanických vlastností 

1. zvýšení pevnosti v tahu 

2. zvýšení pevnosti v ohybu 

3. zvýšení modulu pružnosti v tahu 

4. zvýšení pevnosti v ohybu rázem 

5. zvýšení tuhosti 

6. zvýšení tvrdosti 

b) dosažení vyšší tvarové stability 

c) dosažení výhodnějších tepelných vlastností


1. zvýšení tepelné vodivosti 

2. zvýšení trvalé tepelné odolnosti 

3. zvýšení odolnosti proti žáru 

4. zvýšení odolnosti proti tepelným rázům 

5. modifikace délkové a objemové roztažnosti 

d) omezení hořlavosti 

e) zvýšení chemické odolnosti 

f) zmenšení smrštění a zamezení vzniku dutin a prasklin 

g) zmenšení nasáklivosti 

h) zlepšení vzhledu povrchu, zejména u výlisků 

i) snížení výrobních nákladů 

j) modifikace elektrických (dielektrických) či magnetických vlastností. 

Míra požadovaných vlastností složených materiálů je v prvé řadě závislá na vlastnostech 

materiálů složek; výrazně je však ovlivňována množstvím jednotlivých složek v soustavě, 

geometrickým tvarem částic složek, jejich orientací, uspořádáním a rozložením v soustavě. 

Dále má podstatný vliv, zvláště na mechanické vlastnosti, otázka případných chemických či 

fyzikálních pochodů na hranicích složek, k nimž může docházet buď při výrobě složeného 

materiálu nebo při jeho využívání. 

5.9.1 Klasifikace kompozitů 

Matriční a statistické kompozity - složené soustavy 

V přístupu k teoretickému zkoumání složených materiálů hraje významnou úlohu způsob 

vzájemného uspořádání či rozdělení částic jednotlivých složek v soustavě. Z tohoto hlediska 

se rozlišují: 

a) matriční složené soustavy - kompozity matričního typu 

b) statistické složené soustavy - kompozity statistického typu 

a) b) 

Obr. 5.11 Matriční (a) a statistická (b) složená soustava (v řezu) 

Kompozity - složené materiály a geometrický tvar částic 

Podle převažujícího tvaru částic tvořících složenou soustavu je účelné rozlišovat: 

1. vrstevnaté kompozity 

a) s objemově uloženými vrstvami 

b) s povrchově uloženými vrstvami 

2. kompozity s vláknitými plnivy 

a) s nekonečnými (dlouhými) vlákny 

b) s přerušovanými (krátkými) vlákny 

3. kompozity tvořené, resp. plněné částicemi


a) s částicemi o velikosti řádu 1 µm a větší 

b) s částicemi o velikosti řádu 1 µm a menší 

Izotropní a anizotropní soustavy 

Směrovost vlastností složených soustav je nutno podle okolností buď zvýraznit nebo naopak 

potlačit. Je to možné volbou druhu soustavy, materiálů složek, geometrického tvaru částic 

v soustavě. 

Kompozity a zpevnění složené soustavy 

Jsou-li základním hlediskem při vytváření a využití kompozitů mechanické vlastnosti, je 

účelné rozlišovat tři základní typy kompozitů: 

a) disperzně zpevněné materiály 

b) materiály zpevněné částicemi a 

c) materiály zpevněné vlákny. 

Posledně uváděný typ zahrnuje ještě 

cc) materiály zpevněné vlákny a s mezivláknovým plnivem. 

a) b) c) 

Obr. 5.12 Kompozity s anizotropními vlastnostmi 

a) plátované materiály 

b) vrstvené materiály s rovnoměrně uspořádanými vlákny 

c) složené materiály plněné krátkými vlákny s přednostní orientací 

materiál (1) materiál (2) 

Zpevňující částice a vlákna, plniva 

Pojem plniv zahrnuje velmi jemné, jemnozrnné, hrubozrnné i vláknité částice materiálů 

o různých pravidelných či nepravidelných tvarech, které jako dispergovaná složka modifikují 

vlastnosti matrice v kompozitech. 

Plniva jsou připravována synteticky nebo úpravou přírodních surovin, jsou organického či 

anorganického původu. Z hlediska ovlivňování mechanických vlastností matrice soustavy se 

rozlišují: 

a) plniva vyztužující (zpevňující) a 

b) plniva nevyztužující. 

Plniva kaučuků se tradičně dělí na plniva aktivní a neaktivní.


5.10.1 Elektroizolační laky 

• Tvoří důležitý článek elektrické izolace nejrůznějších dílů a součástí elektrotechnických 

zařízení. Jejich úkolem je vyplnění všech volných (prázdných) míst v izolaci 

elektrotechnických zařízení při jejich impregnaci (tím se zvýší elektrická pevnost a zlepší 

tepelná vodivost izolace) a vytvoření suchého lakového povlaku, tzv. filmu na povrchu. 

• Izolační laky jsou v podstatě koloidní disperze tuhých i kapalných látek v rozpouštědlech 

a ředidlech. Z látek - přírodní a syntetické pryskyřice, termoplastické polymery, rostlinné 

oleje, asfalty. Po odstranění rozpouštědel a ředitel vytvářejí tzv. filmotvorné složky lakový 

film. Obsah filmotvorných složek v lacích charakterizuje jejich sušina. 

• Rozpouštědla a ředidla představují zpravidla jen neaktivní složky laků, jsou však důležité 

při jejich přípravě. 

• Z technologického hlediska je důležitá viskozita laků, jež je závislá na obsahu 

filmotvorných složek, molekulové hmotnosti, struktuře, povaze makromolekul a obsahu 

rozpouštědel a ředidel. 

• Přeměna tekutých laků v tuhé látky je podmíněna v prvé řadě odstraněním prchavých 

podílů laků - tedy rozpouštědel a ředidel. Na tuto prvou část přeměny navazuje část druhá, 

v níž filmotvorné složky mění svoji chemickou strukturu a pochody polymeračními, 

polykondenzačními, polyadičními a oxidací přecházejí v konečnou makromolekulární 

strukturu (schnutím, vypalováním). 

• V důsledku probíhajících strukturálních změn vytváří se na povrchu pevná, pružná vrstva, 

která má dobré elektroizolační vlastnosti při nepatrné hygroskopičnosti. 

• Elektroizolační laky možno z hlediska použití dělit na: 

1. impregnační laky (napouštěcí laky), 

2. laky na dráty, 

3. laky na tkaniny, izolační trubičky a papír, 

4. lepicí laky, 

5. povrchové laky. 

• Podle chemické povahy filmotvorných složek se člení laky na: 

A. laky na bázi přírodních pryskyřic (lihové laky), 

B. laky na bázi vysychavých olejů (olejové laky), 

C. C. laky na bázi syntetických pryskyřic a polymerů (čisté a modifikované syntetické 

laky). 

Lihové laky 

• Alkoholické roztoky přírodních polymerů (šelak, kopály). Používané přírodní pryskyřice 

mají většinou termoplastický charakter,takže laky nelze použít pro impregnaci vinutí. 

Olejové laky 

• Představují kombinaci vysychavých rostlinných olejů (lněného, ricinového nebo 

dřevného) s přírodními nebo syntetickými pryskyřicemi. Prosychání laku se neomezuje 

jen na odpaření rozpouštědel, nýbrž je závislé hlavně na vzdušné oxidaci, často i za 

zvýšených teplot. 

Laky na bázi syntetických pryskyřic a polymerů 

• Základní filmotvornou složkou jsou syntetické pryskyřice a vysokomolekulární polymery, 

často účelně modifikované (lakařské pryskyřice). 

• Používají se: 

bakelitové laky, 

laky na bázi modifikovaných fenolových pryskyřic,


laky na bázi termoplastických polymerů (polystyrénové l.), 

alkydové laky 

glyptály (glycerinftalátové polyestery), 

silikonové laky, 

bezrozpouštědlové laky - epoxidové,polyesterové, polyuretanové, silikonové. 

Poznámka: 

Sikativy či sušidla - látky, jež přidány v malém množství k laku zkracují doby schnutí 

6 - 10 násobně. Jde o katalyzátory, jejichž účinnou složkou jsou kovy (Co, Mn, Pb aj.). 

5.11.1 Kapalné izolanty 

Kapalné izolanty 

• Jejich použití v elektrotechnice je mnohostranné,ať pro jejich velkou elektrickou 

pevnost,nebo tekutost,která umožňuje chlazení v transformátorech, i proto, že chrání tuhé 

izolanty před vlhkostí a vzduchem. 

• Kapalné izolanty používané v elektrotechnice se obvykle rozdělují do tří skupin: 

1. minerální oleje, 

2. syntetické kapaliny, 

3. rostlinné oleje 

• Z prvé skupiny jsou v elektrotechnice používány pro transformátory a pro náplně 

spínacích přístrojů a jako kabelové a kondenzátorové oleje. 

• Jen hořlavost, zápalnost a i možnost výbuchů vzniklých plynů, např. v olejových 

vypínačích, jsou hlavní příčinou odklonu používání minerálních olejů v elektrických 

zařízeních a jejich nahrazování kapalnými izolanty druhé skupiny, tzv.syntetickými 

izolačními kapalinami. Ke skupině syntetických kapalin možno zahrnout i sloučeniny 

organokřemičité, tzv.silikony. 

• Ze třetí skupiny rostlinných olejů se někdy používá ricinový olej, lněný olej a dřevný olej. 

• Z hlediska použití se kapalné izolanty klasifikují na kapaliny pro: 

transformátory, 

spínače, 

kabely, 

kondenzátory, 

vývěvy, 

přípravu laků 

speciální použití.


Obsah: 

6. 1 Elektronové procesy 

6. 2 Iontové procesy 

6. 3 Rentgenové procesy 

6. 4 Jaderné procesy 

6. 5 Laserové procesy 

6. 6 Ultraakustické procesy 

6. 7 Elektroerozivní procesy 

6. 1. ELEKTRONOVÉ PROCESY 

6. 1. 1. Úvod 

Část 6. 

Speciální výrobní procesy 

Využití elektronů, resp. koordinovaného pohybu velkého počtu elektronů v tzv. 

elektronovém svazku má z hlediska historie techniky již dlouhou tradici. Elektronky, televizní 

obrazovky, rentgenky, elektronová mikroskopie, atd. to je jen nepatrná ukázka možností 

využití elektronového svazku v dnes již historických nebo zcela běžných aplikacích. V 

následujícím textu si všimneme dalších možností využití elektronového svazku – ve 

výrobních procesech. Elektronový svazek je schopen přenášet téměř libovolný požadovaný 

výkon v rozsahu řádů 10 -6 až 10 6 W, který lze soustředit na téměř libovolnou plochu 

ohraničenou nejmenším průměrem stopy řádově 10 -7 m. Zařízení jsou realizována pro práci 

ve vakuu, kde tlak v prostoru elektronové trysky bývá v rozmezí 10 -4 až 10 -2 Pa, v pracovní 

komoře řádově 10 -2 Pa, avšak v pracovním prostoru je možné používat tlak v širokém rozsahu 

1 až 10 5 Pa. Rovněž urychlovací systémy jsou realizovány pro široký rozsah energií elektronů 

od 10 2 eV do 10 6 eV. Uvedené vlastnosti elektronového svazku a pracovního prostředí 

umožňují realizovat celou řadu aplikací s využitím energie a možných elementárních procesů 

přeměny na jiné formy energie. Při tavení, svařování, odpařování a technickém obrábění se 

využívá přeměny kinetické energie elektronů na energii tepelnou. Při netermickém obrábění a 

procesech při chemicko-svazkových technologiích se využívá vzájemné interakce elektronů s 

atomy a molekulami látky, jejich vybuzení a ionizace s následnou chemickou reakcí. Využívá 

se i vliv urychlených elektronů na biologické systémy při průmyslové sterilizaci atp. 

6. 1. 2. Přeměna energie v místě působení svazku. 

Po emisi elektronu do prostoru mezi katodu a anodu bude na elektron působit 

elektrostatické pole, které jej urychlí na rychlost, kterou můžeme vyčíslit ze známého vztahu 

pro výpočet kinetické energie elektronu 

1 

W 2 

k = qU AK = m e0v 

e 

(6. 1) 

2 

Při použití urychlovacích napětí UAK v rozmezí 10 kV až 100 kV dosáhne rychlost 

elektronu hodnot asi 0,2 až 0,6 rychlosti světla a není nutné uvažovat relativistický přírůstek 

hmotnosti elektronu oproti klidové hmotnosti meo . 

V místě, kde elektronový svazek dopadne na objekt, dochází k interakci elektronů s 

atomy a molekulami látky a k přeměně kinetické energie elektronů na jiné formy energie. 

Schematicky je situace naznačena na obr. 6.1. 

Největší část kinetické energie elektronového svazku se v oblasti přeměny změní na energii 

tepelnou. Tato energie zahřívá povrchovou vrstvu látky o tloušťce dané hloubkou vniku 

elektronů. Z oblasti přeměny je teplo rozváděno do okolí mechanismem tepelné


Obr. 6. 1 Jevy v oblasti dopadu elektronového svazku na objekt 

vodivosti. Jistá část kinetické energie dopadajících elektronů je využita k vybuzení atomů a 

molekul látky v místě dopadu případně k vyražení tzv. sekundárních elektronů. Vybuzené 

částice se mohou zúčastnit buď chemických reakcí nebo po přechodu do rovnovážného stavu 

je energie vyzářena atomem buď ve formě tepelné energie nebo kvanta záření. 

Zasažená povrchová vrstva je zahřívána na vysokou teplotu (tavení, varu) a je tedy 

zdrojem záření světelného, tepelného a zdrojem tepelných elektronů. Oblast přeměny energie 

je zdrojem rentgenového záření se spektrem spojitým (brzdící záření dané zabržďováním 

elektronů při interakci s atomy látky) a spektrem čarovým (charakteristické záření dané 

přechodem vybuzeného atomu látky do rovnovážného stavu). Ne všechny elektrony 

dopadající na látku však do ní vniknou. Velká část elektronů se od. povrchu látky odráží, aniž 

by se podstatně zúčastnila procesu přeměny energie v látce. Z tohoto pohledu lze tedy hovořit 

o žádoucích mechanismech přeměny energií a mechanismech nežádoucích - ztrátových. 

Rentgenové záření nehraje z hlediska ztrát příliš významnou úlohu. Výkon 

rentgenového záření lze vypočítat ze vztahu 

P 

= 1,69.10−8 

I Z U1,75, 

(6. 2) 

r 

kde I je proud elektronového svazku, Z je atomové číslo kovu na který elektronový svazek 

dopadl a U je urychlovací napětí. Obvykle dosahuje tento výkon desetin procenta výkonu 

elektronového svazku a podstatněji se začíná zvyšovat až při použití urychlovacích napětí nad 

1 MV. Významný je však vliv na lidský organismus. Již při použití urychlovacích napětí 

řádově 10 3 V dosahuje energie kvanta rentgenového záření hodnot odpovídajících měkkému 

rentgenovému záření. Energii kvant rentgenového záření lze vyčíslit ze vztahu 

kde h je Planckova konstanta a νr max je maximální kmitočet záření. 

W r max = h í r max = q U AK 

(6. 3)


Rentgenové záření je pohlcováno látkami v závislosti na struktuře látky atomovém 

čísle a vlnové délce záření. Tyto skutečnosti jsou respektovány v tzv. absorpčním koeficientu 

µ(λ). Pokles intenzity záření po průchodu látkou o tloušťce x lze vypočítat ze vztahu 

I r = I r0 exp[ −ì(ë) 

x] , 

(6. 4) 

kde Iro je hodnota intenzity záření dopadající na látku a Ir je hodnota intenzity záření po 

průchodu látkou. 

Při použití urychlovacích napětí asi do 60 kV není nutné realizovat zvláštní 

bezpečnostní opatření vzhledem k tomu, že záření je pohlceno v plášti vakuové komory. U 

zařízení , která pracují s urychlovacími napětími asi do 300 kV, se ochrana před zářením 

doplňuje obklady z olověných desek. Při urychlovacích napětích nad 300 kV se zařízení 

obvykle instaluje do betonových krytů. 

j 

eT 

⎛ W ⎞ 

= A T 2 exp⎜− 

⎟, (6. 5) 

⎝ k T ⎠ 

Tepelné elektrony jsou emitovány z povrchu objektu, který je elektronovým svazkem 

zahříván na vysokou teplotu. Hustota toku emitovaných elektronů souvisí s výkonem 

elektronového svazku pouze přes teplotu povrchu objektu s je dána vztahem 

kde A je Richardsonova konstanta (A ≅ 6.10 5 Am -2 K -2 ), 

T je absolutní teplota povrchu objektu, 

W je výstupní práce elektronu z kovu 

k je Boltzmanova konstanta. 

Vztah (6. 5) popisuje Richardson-Dushmanův zákon pro termoemisi elektronů z kovů. 

Energie tepelných elektronů je velmi nízká a souvisí s teplotou povrchu katody. 

Sekundární elektrony jsou emitovány z povrchu objektu po interakci elektronového 

svazku s atomy kovu. Jejich energie je řádově 10 1 eV. Hustota toku sekundárních elektronů 

závisí na materiálu objektu a úhlu dopadu elektronového svazku na povrch objektu. 

Termoemise a emise sekundárních elektronů nehraje v technologických procesech 

významnou roli z hlediska ztrát, které nepřevyšují 1 % výkonu elektronového svazku. 

Odražené elektrony nesou energii ve velmi širokém rozsahu hodnot až do energie 

dopadajících elektronů. Množství odražených elektronů, spektrum energie a rozložení v 

prostoru závisí na atomovém čísle materiálu objektu a na úhlu dopadu elektronového svazku. 

Z hlediska ztrát hrají odražené elektrony nejvýznamnější úlohu. Na obr. 6. 2 je naznačena 

závislost poměru výkonu odražených elektronů k výkonu dopadajícího svazku na atomovém 

čísle materiálu objektu při kolmém dopadu svazku na povrch objektu. Z grafu plyne, že např. 

pro ocel činí ztráty asi 25 %. Při šikmém dopadu elektronového svazku ztráty dále narůstají 

až do hodnoty 100 % při rovnoběžném pohybu elektronů s povrchem objektu. 

Hloubka vniku elektronů. Po dopadu elektronového svazku vnikají elektrony do 

materiálu při mnohonásobných pružných a nepružných srážkách s atomy a molekulami látky 

a předávají jim svoji energii. Vzdálenost do které elektron vnikne (měřeno od povrchu 

objektu ve směru normály) a ztratí prakticky celou svoji kinetickou energii, nazýváme 

hloubkou vniku elektronů.


Obr. 6. 2 Závislost poměru výkonu odražených elektronů k výkonu dopadajícího svazku 

elektronů na atomovém čísle při kolmém dopadu svazku na povrch objektu. 

U kovů lze hloubku vniku elektronů stanovit dle vztahu: 

A U 2 

h 1,47.10 11 

e = − ⋅ , 

(6. 6) 

Z ñ 

kde A je atomová hmotnost kovu, U je urychlovací napětí, Z je atomové číslo kovu a ρ je 

měrná hmotnost kovu. 

V obecném případě můžeme říci, že hloubka vniku je funkcí energie elektronů 

a měrné hmotnosti látky. Tato závislost není lineární v širokém rozsahu energií elektronů 

a z toho důvodu je příslušné analytické vyjádření rozděleno do tří oblastí. S přesností 

dostačující pro použití v technologickém procesu lze hloubku vniku stanovit dle vztahů 

Předávání energie látce vnikajícími elektrony však není rovnoměrné v celém objemu 

daném průměrem elektronového svazku a hloubkou vniku elektronů. Výkon pohlcený 

v jednotce objemu látky je funkcí vzdálenosti od povrchu. 

h 

h 

h 

e 

e 

e 

U 2 

≈ 2,1.10− 

11 ⋅ , [10 kV ≤ U ≤100 

kV] 

(6. 7) 

ñ 

≈ 6,67.10− 

≈ 

10 

1 

(5,1.10 

ñ 

5 

3 

U 

⋅ 

ñ 

-6 

, 

U - 2,6) , 

[100 kV 

[U ≥1MV] 

≤ U ≤1 

MV] 

(6. 8) 

(6. 9) 

Tepelná vodivost látky a vyzařování. V termických procesech elektronové technologie 

má rozhodující úlohu energie elektronového svazku, která se mění v teplo. Ztráty tepla jsou 

podmíněny jednak tepelnou vodivostí látky a dále vyzařováním. Který mechanismus ztrát 

bude rozhodující, záleží na typu procesu. Např. při mikrosvařování a mikroobrábění není 

nutné uvažovat ztráty vyzařováním, ale rozhodující vliv bude mít tepelná vodivost látky. 

Naopak při tavení nebo odpařování, zejména těžko tavitelných materiálů, mohou ztráty tepla 

zářením z velké plochy převýšit ztráty způsobené tepelnou vodivostí. 

Výkon a hustota výkonu elektronového svazku. Důležité parametry, které ovlivňují 

daný technologický proces, jsou zejména výkon elektronového svazku N0, plošná hustota


výkonu NS, měrný objemový výkon NV, urychlující napětí U a průměr svazku v místě 

dopadu na materiál ds . Tyto veličiny lze vypočítat ze vztahů 

N 0 U Is 

, = (6. 10) 

Is je proud elektronového svazku 

N 0 U IS 

4 U IS 

S = = = = U j , 

(6. 11) 

2 

S S π d 

N e 

S S 

S 

kde Ss je průřez svazku v místě dopadu na materiál 

je je plošná hustota proudu elektronového svazku 

N 0 ça 

U je 

N V = = , 

(6. 12) 

V h e 

Dosadíme-li do (6. 12) za he např. vztah (6. 7), obdržíme 

je 

N V ≈ , 

(6. 13) 

U 

Ze vztahu (6.13) plyne, že zvýšení výkonu pohlceného v jednotce objemu je možné 

zvýšením plošné hustoty proudu elektronového svazku, ale ne zvýšením urychlovacího 

napětí. Tato skutečnost hraje důležitou roli v netermických procesech. Na obr. 6. 3 jsou 

naznačeny oblasti nejdůležitějších procesů elektronové technologie a jsou zde uvedeny i 

typické hodnoty urychlovacích napětí a průměru elektronového svazku. 

Obr. 6. 3 Nejdůležitější procesy elektronové technologie a jejich základní parametry 

6. 1. 3. Zdroje e1ektronového svazku 

Zdrojem elektronů pro potřeby elektronové technologie je tzv. elektronová tryska, což 

je zařízení, ve kterém získáváme volné elektrony, uskutečňujeme jejich základní urychlení a


tvarování do elektronového svazku. Existuje celá řada konstrukcí, které se odlišují zejména 

podle způsobu získání volných elektronů, výkonu a podle účelu, pro který jsou navrhovány. 

6. 1. 3. 1. Získávání volných elektronů 

Volné elektrony lze teoreticky získat z látek v libovolném skupenství. Pozornost se 

zaměřuje na získávání volných elektronů z tuhých látek při vysoké teplotě (termoemisní 

elektrony) a ze studených katod (sekundární elektrony) a dále z plynných látek při 

elektrickém výboji se studenou katodou a z nízkotlaké plazmy při nízkonapěťovém výboji 

ovlivněném magnetickým polem. 

Nejsnadnější získání volných elektronů je termoemisí. První vyhovující.teorie tepelné 

emise byla vypracována Richardsonem a později doplněna Dushmanem. Jimi formulovaný 

zákon umožňuje stanovit hustotu emisního toku elektronů ze vztahu 

⎛ B ⎞ 

j A T 2 

eT = exp⎜− 

⎟ , 

(6. 14) 

⎝ T ⎠ 

kde A je Richardsonova konstanta (A ≅ 6.10 5 A m -2 K -2 ) 

T je absolutní teplota 

B je materiálový parametr (B = W/k) 

W je výstupní práce elektronu z kovu 

k je Boltzmanova konstanta 

Vztah (6.14) platí jen pro čisté kovy za předpokladu, že veškeré emitované elektrony budou 

„odsáty“ od povrchu katody, aby vzniklý prostorový náboj nebránil výstupu dalších elektronů. 

Při praktických aplikacích je tato podmínka splněna tím, že v určité vzdálenosti od katody je 

umístěna anoda a elektrické pole mezi anodou a katodou, sloužící k urychlení elektronů, 

současně plní výše uvedenou podmínku. Vnější elektrické pole E při povrchu katody však 

současně ovlivňuje i hodnotu nutné výstupní práce elektronu z katody. Vztah (6.14) se změní 

j 

eTE 

⎛ W - ∆W 

⎞ 

= AT 2exp⎜− 

⎟ , 

(6. 15) 

⎝ kT ⎠ 

W W 0,44 E 

AT 2 

eTE exp exp j exp , 

kT kT 

T ⎟ ⎛ ⎞ ⎛ ∆ ⎞ ⎛ ⎞ 

= ⎜− 

⎟ ⎜ ⎟ = ⎜ 

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 

⎜ 

(6. 16) 

⎝ ⎠ 

j eT 

kde ∆W je změna výstupní práce elektronu z katody v důsledku působení vnějšího 

elektrického pole E 

Proud elektronového svazku, který lze získat z termokatody, lze vypočítat ze vztahu 

Is jeTE 

S , = kde S je účinná plocha katody. 

(6. 17) 

Pro konstrukci elektronových trysek se používají tři typy katod z hlediska tvaru: drátové 

páskové a kompaktní. Pro menší hodnoty emisního proudu v rozsahu 10 -5 až 10 -1 A se 

používají přímo žhavené katody z tenkého drátku nebo pásku. Základní uspořádání jsou na 

obr. 6. 4. Pro vyšší hodnoty proudu se používají nepřímo žhavené katody.


a) 

Obr. 6. 4 Základní konstrukce katod 

a) přímo žhavená katoda z wolframového drátu 

b) přímo žhavená katoda pásková 

Katody z tenkého drátku lze použít u systémů v rozsahu výkonů 10 -1 W až 10 3 W. Pro větší 

výkony od 10 3 W do 10 5 W se používají katody s větší emisní plochou, tedy páskové nebo 

kompaktní. Pro dosažení větších proudů v elektronovém svazku lze využít i další způsob 

získávání volných elektronů - ze studených katod. 

Realizace takových systémů přináší několik 

výhod. Elektronové trysky s termokatodami 

potřebují pro normální činnost vakuum o tlaku 

menším než 10 -2 Pa. Při některých operacích se 

tato podmínka obtížně splňuje, což má podstatný 

vliv m.j. na životnost katody. Perspektivní se 

ukazují systémy pro generování a formování tvaru 

elektronového svazku, pracující při vyšších tlacích 

s pomocným výbojem a studenou katodou. 

Schematicky je systém naznačen na obr.6. 5. 

Obr. 6. 5 Principiální schéma 

zdroje elektronového svazku se 

studenou katodou. 

1 - studená katoda, 2 - anoda, 

3 - pomocná elektroda, 

4 - plazma, 5 - elektronový svazek 

Takový zdroj může pracovat v rozsahu tlaků 10 0 

až 10 2 Pa. Při tomto tlaku vzniká vysokonapěťový 

doutnavý výboj mezi anodou a pomocnou 

elektrodou. V oblasti anody vzniká plazma, která 

je zdrojem kladně nabitých částic - iontů. Mezi 

anodou a katodou existuje elektrické pole dané 

urychlovacím napětím v rozmezí 10 3 do 10 5 V. Jelikož 

katoda je vůči anodě na záporném potenciálu, 

jsou ionty z povrchové oblasti plazmy urychlovány 

směrem ke katodě. Po dopadu na katodu jsou 

emitovány z chladné katody sekundární elektrony a ty jsou urychlovány směrem k anodě. V 

oblasti mezi anodou a katodou plazma neexistuje a v důsledku rozdílů rychlosti těžkých iontů 

a lehčích elektronů vzniká oblast kladného prostorového náboje a výrazným ohraničením v 

oblasti kontaktu s plazmou. Přes tuto hranici prochází elektrony emitované z katody a 

urychlené na dráze mezi katodou a oblastí kladného prostorového náboje. Potenciál plazy se 

jen nepatrně odlišuje od potenciálu anody, v důsledku čehož hranice plazmy a oblast 

prostorového náboje představuje anodu „průzračnou“ pro elektrony, kde konfigurace této 

oblasti mj. velmi závisí i na tvaru povrchu katody. Katody se realizují v různých tvarech a


jako materiál slouží většinou čisté kovy jako ocel, měď, nikl a hliník. Pracovním plynem bývá 

kyslík, vodík, dusík, helium, neon, argon nebo xenon s typickou hodnotou tlaku v rozsahu 0,1 

až 25 Pa. Proudová hustota na studené katodě dosahuje až 1 A cm -2 a emisní proud až 200 A. 

Životnost takových katod bývá 5 až 10 krát větší než u termokatod. Modifikací základního 

uspořádání lze realizovat zařízení a elektronovými svazky různých výkonů a tvarů (úzké 

svazky, široké svazky, obdélníkové svazky atd.), pomocí kterých lze uskutečnit různé 

termické operace v nízkém vakuu. Z hlediska výkonů lze realizovat zařízení v rozsahu 10 2 až 

10 5 W. Režim činnosti lze měnit buď změnou urychlovacího napětí, nebo změnou hustoty 

plazmy. Hustotu plazmy lze měnit buď změnou parametrů pomocného výboje (proudem v 

obvodu pomocné elektrody) nebo regulací tlaku plynu v pracovní komoře. 

6. 1. 3. 2. Konstrukce elektronových trysek 

Pod pojmem elektronová tryska budeme rozumět 

zařízení, které se skládá ze zdroje elektronového svazku, 

řídicího systému, který umožňuje měnit tok elektronového 

svazku, urychlovacího systému, fokuzačního systému a 

vychylovacího systému elektronového svazku. Jak 

vyplynulo již z úvodních částí, je možné realizovat zařízení 

využívající elektronové svazky pro nejrůznější použití s 

velmi širokými parametry výkonovými, parametry 

charakterizujícími tvar svazků atd. Většinou používáme 

elektronový svazek rotačně souměrný ve tvaru úzkého 

kužele. Pro ilustraci je na obr. 6. 6 naznačeno schematické 

uspořádání elektronové trysky se základními komponenty. 

Předmět, na který působíme elektronovým svazkem, je 

obvykle spojen s uzemněnou kostrou zařízení, a tedy je na 

stejném potenciálu jako anoda. Je tedy nutné odizolovat 

celý systém katody a řídicí elektrody, což bývá 

konstrukčně a technologicky náročné. Katoda je vůči anodě 

na záporném potenciálu daném urychlovacím napětím. 

Řídicí elektroda je na záporném potenciálu vůči katodě a 

elektrickým polem mezi katodou a řídicí elektrodou lze 

ovlivňovat velikost emisního proudu ve svazku, a tím 

výkon elektronového svazku. Toto elektrické pole však 

může sloužit i k prvotní fokusaci svazku, jak bude uvedeno 

dále. Nedílnou součástí elektronové trysky bývá 

magnetická čočka, která umožňuje převést koncentrovaný 

svazek na větší vzdálenosti a zaostřit svazek v místě 

dopadu na předmět do kruhové stopy o požadovaném 

průměru. Pro řízení místa dopadu elektronového svazku na 

povrchu obráběného předmětu slouží soustava 

vychylovacích cívek. Na obr. 6. 6 je naznačena katoda o 

Obr. 6. 6 Uspořádání 

elektronové trysky s termickou 

katodou. 

K - katoda, ŘE - řídicí 

elektroda, I - izolátor, 

A - Anoda, 

F - fokusační cívka, 

V - vychylovací cívka, 

P - předmět 

malé emisní ploše, tedy pro relativně malé výkony. U trysek a velkým výkonem, tedy a katodou 

s velkou emisní plochou, je nutné elektronový svazek před fokusací magnetickou 

čočkou vhodně upravit. Obvykle se volí katoda ve tvaru kulového vrchlíku, jako např. na obr. 

6. 5 a za spolupůsobení elektrického pole řídícího a urychlovacího systému jsou elektrony 

soustředěny do úzkého křížiště, které zobrazujeme fokusační cívkou na povrchu předmětu. 

Tato myšlenka je základem pro tzv. Pierceův systém. Z konstrukčního hlediska existuje řada 

možností návrhu řídicích a tvarovacích systémů.


6. 1. 4. Využití e1ektronových svazků v technologii 

6. 1. 4. 1. Odpařování materiálů 

Odpařování materiálů, resp. technologie vytvoření tenkých vrstev odpařením a 

následnou kondenzací par odpařeného materiálu na podložce ve vakuu, patří mezi velmi 

důležité technologie v celé řadě oblastí techniky. Při klasickém postupu byl základní materiál 

ohříván na teplotu varu přestupem tepla ze zdroje přes stěnu kelímku objemem materiálu až k 

povrchové vrstvě. Využití elektronového svazku k přímému ohřevu povrchové vrstvy na 

teplotu varu materiálu umožňuje dosáhnout řady specifických vlastností této technologie ve 

srovnání s tradičním uspořádáním. Přímý ohřev elektronovým svazkem umožňuje bodový 

ohřev definované oblasti na povrchu materiálu, kdy ostatní objem je intenzívně chlazen v 

kelímku s vodním chlazením. Takové uspořádání je nezbytné při odpařování chemicky 

vysoce aktivních látek, látek s vysokou teplotou varu atp. Chlazený kelímek umožňuje 

napařovat vrstvy s vysokou čistotou, 

nedochází k reakcím mezi odpařovaným 

materiálem a kelímkem, nedochází ke 

znečisťování prostoru emisí částic ze 

zahřátých komponentů zařízení atp. V 

dnešní době se používají zařízení pro 

odpařování materiálů v rozsahu výkonů 

od 250 W do 250 kW s rychlostí 

odpařování materiálu od 1 g do 100 kg 

za hodinu. Tyto vlastnosti zařízení 

odkrývají široké spektrum možností této 

technologie. Napařování vrstev se 

uskutečňuje ve vakuu, což je také 

podmínkou pro činnost elektronové 

trysky. Princip napařovací aparatury 

využívající elektronového svazku k Obr. 6. 7 Princip odpařovacího zařízení 

ohřevu materiálu je zřejmý z obr. 6. 7. elektronovým svazkem 

Elektronový svazek je přiveden do 1 - elektronová tryska se zaostřovacím sys- 

pracovní komory a v magnetickém poli témem, 2 - elektronový svazek, 3 - vodou 

je otočen o 90°. Tím se zabraňuje chlazený kelímek, 4 - mechanická uzávěrka 

přístupu par do prostoru trysky. par, 5 - tok par, 6 - podložka, 7 - zařízení pro 

Elektronový svazek je zaostřen na ohřev podložky, 8 - vývod pro vakuový systém 

povrch materiálu, který je umístěn v 

kelímku chlazeném vodou. Tok par lze 

přerušit mechanickou uzávěrkou. Páry kondenzují na podložce, která je vyhřátá na optimální 

kondenzační teplotu. Celý systém je napojen na vakuové zařízení. 

Elektronové napařovací systémy lze konstruovat různými způsoby. Nejčastěji 

používané uspořádání jsou na obr. 6. 8. 

Vhodným uspořádáním lze realizovat zařízení k napařování vrstev různého složení, k 

vytváření slitin kovů, k napařování velkoplošných materiálů atp. Některé možnosti jsou 

uvedeny na obr. 6. 9.


a) b) c) d) 

Obr. 6. 8 Odpařovací systémy. 

ET - elektronová tryska, ES - elektronový svazek a) přímé vedení svazku, 

b) vychýlení dvou svazků magnetickým polem, c) uspořádání pro velké výkony 

svazku, d) uspořádání pro napařování širokým svazkem par 

Obr. 6. 9 a) Uspořádání pro napařování slitin kovů 

b) Uspořádání vhodné pro napařování vrstev různého složení 

c) Uspořádání pro napařování velkoplošných materiálů s periodickým 

vychylováním elektronového svazku 

6. 1. 4. 2 Tavení materiálů 

Vlastnosti kovů jsou dány jak jejich základním složením, tak i obsahem příměsí s 

plynů. Pro rafinaci kovů se používá jejich přetavování. U vysoce čistých kovů je možné 

použít přetavování ve vakuu pomocí elektronového svazku. Mimo tento účel se tavení pomocí 

elektronového svazku používá pro tavení vysokoteplotních a chemicky aktivních kovů. 

Možnost řízení výkonu elektronového svazku V prostoru i v čase dovoluje realizovat řadu 

variant procesu, které se mohou jinými postupy vakuové metalurgie dosahovat jen obtížně 

nebo jsou nerealizovatelné. Základní uspořádání zařízení pro tavení materiálů pomocí 

elektronového svazku je zobrazeno na obr. 6. 10. Zařízení pracuje a rozostřeným svazkem 

nebo se svazkem rozmítaným. Svazek jednak odtavuje materiál, který odkapává do prostoru 

mezi chladiče. Zde je dále přetavován a řízeně chlazen mezi chladiči. Vznikající ingot je 

vytahován z prostoru chladiče. Rychlost tavení je dána výkonem svazku, který dopadá na 

přetavený materiál. Druhá část výkonu svazku slouží k přetavování materiálu mezi chladiči 

tzv. krystalizátoru. Jak bylo řečeno, lze realizovat řadu variant, z nichž některé typické jsou 

uvedeny na obr. 6. 11. Zařízení jsou realizována pro různé úrovně pracovních tlaků a s tím 

související typ elektronové trysky. Obvykle se tlak v pracovní komoře pohybuje v rozsahu 

10 -3 až 1 Pa. Z hlediska výkonu elektronových trysek jde o velmi široký rozsah od 10 2 W do


10 6 W. Jsou realizována metalurgická zařízení umožňující tavbu ingotů až do hmotnosti 20 t s 

elektronovými tryskami s výkonem od 5 do 10 MW. 

Obr. 6. 10 Princip zařízení pro 

tavení pomocí 

elektronového svazku. 

ET - elektronová tryska, PM - 

přetavovaný materiál 

CH - chladič, I – ingot 

6. 1. 4. 3 Svařování materiálů 

Při svařování pomocí elektronového svazku se 

využívá přeměna kinetické.energie elektronů na 

energii tepelnou v přesně ohraničeném prostoru s 

výsledným roztavením materiálu a spojením dvou k 

sobě přimykajících se částí: Zásadní výhodou této 

technologie je možnost dosáhnout extrémních hustot 

výkonu na povrchu materiálu při dostatečně velké 

celkové hodnotě výkonu svazku v definovaném 

prostoru. To umožňuje svařovat materiály s 

minimálním tepelným ovlivněním okolí svaru, je 

možné svařovat materiály s vysokou teplotou tavení a 

díky činnosti zařízení v prostředí vysokého vakua lze 

svařovat i materiály chemicky aktivní. Svařování 

pomocí elektronového svazku umožňuje dosáhnout 

velkého poměru mezi hloubkou svaru a jeho šířkou, 

což u jiných technologií je nerealizovatelné. 

Dopadne-li elektronový svazek na povrch kovu, 

začne se zvyšovat povrchová teplota. Je-li výkon 

svazku dostatečně velký nebo je-li svazek zaostřen 

na takový průměr, že plošná hustota výkonu 

dostačuje k dosaženi teploty tavení, začne se nad 

středem zasažené oblasti zvyšovat tlak par. 

Rovnováha tlaku par a hydrostatický tlak roztavené 

Obr. 6. 12 Protavování elektronového svazku do materiálu při různých hodnotách plošné 

hustoty výkonu 

oblasti způsobí vytváření prohlubně. Působení svazku elektronů se tedy posune na dno této 

prohlubně, tedy do nitra materiálu. Další zvyšování hustoty výkonu a teploty povrchu způsobí 

vznik kapiláry, jejíž stěny jsou tvořeny roztaveným kovem a prostor je vyplněn parami kovu. 

Pokud bude hustota výkonu svazku příliš vysoká, tlak par a rychlost odpařování dosáhne 

hodnoty, kdy roztavený kov bude vyvržen z kapiláry a takový režim se přiblíží režimu 

obrábění (vrtání).


Svařování elektronovým svazkem má řadu specifických vlastností mezi kterými lze jmenovat 

např.: 

- možnost vytvoření úzkých a hlubokých svarů s minimálním tepelným ovlivněním okolí a s 

minimálními deformacemi 

- možnost svařování vysokou rychlostí (až několik metrů za minutu) - možnost vedení 

elektronového svazku elektromagnetickým polem 

- možnost svařování materiálů téměř libovolné tloušťky (od setin mm do několika set mm) 

- možnost svařování kombinaci materiálů jinak nesvařitelných 

- možnost svařování několika vrstev materiálů i oddělených mezerou - možnost svařování 

materiálů malých rozměrů jinak nesvařitelných. 

6. 1. 4. 4 Obrábění materiálů 

Obráběním materiálů pomocí elektronového svazku rozumíme termické nebo netermické 

působení svazku na povrch materiálu s cílem změnit tvar nebo strukturu předmětu. 

U termického způsobu využíváme odběru materiálu roztavením nebo odpařením. U 

netermického způsobu využíváme chemických nebo fyzikálních změn v materiálu po dopadu 

elektronového svazku. Z hlediska odlišných technologických podmínek a uspořádání 

rozlišujeme tři technologické oblasti obrábění: 

- termické obrábění kompaktních materiálů 

- termické obrábění tenkých vrstev 

- netermické obrábění. 

Tabulka 6. 1 Příklady využití termického obrábění 

Tepelný jev Technologický jev Materiál 

Fázové přechody 

v tuhé látce 

Sublimace 

Rozložení na těkavé 

komponenty 

Rozložení na tuhé 

komponenty 

Tavení 

Vypařování 

kalení ocel schopná kalení 

odběr materiálu, rytí, 

řezání 


řezání 


řezání 

mikrosvařování, leštění, 

legování, odběr odtavením 


řezání 

diamant, grafit, křemenné 

sklo 

celulóza, syntetické materiály, 

keramika 

GaAs, GaP 

kovy, křemík, germanium, 

keramika 

kovy, dielektrika, syntetické 

materiály 

Rázová vlna rozrušování materiálu keramika, kámen


6. 1. 4. 5 Chemické svazkové procesy 

Při interakci elektronového svazku o dostatečně vysoké energii s látkou může dojít k 

celé řadě chemických reakcí, při kterých může dojít ke vzniku nových vazeb nebo ke změně 

molekulových vazeb, kdy daný materiál získá nové chemické a fyzikální vlastnosti. Reakce 

lze rozdělit do několika etap. 

Primární etapa reakcí 

- při interakci s rychlými elektrony může dojít k ionizaci, vybuzení molekul disociaci spojené 

s uvolněním elektronu 

Sekundární etapa reakcí 

- Jedná se o rekombinace iontů s elektrony, reakce iontů s molekulami, vznik volných 

radikálů a vznik stabilních molekul 

Další etapy reakcí - radikálové reakce - polymerizace, depolymerizace, atd. 

- Všechny tyto reakce úzce souvisejí s množstvím pohlcené energie, které je charakterizované 

tzv. dávkou D [J kg -l ], [Gy] (Gy - Gray). Pro tyto technologie je nutné používat zařízení, 

které umožní dosáhnout vysokých hodnot energií elektronů. Jednotlivá zařízení se rozlišují 

dle hodnoty urychlovacího napětí a dělí se do tří skupin. 

a) zařízení nízkého napětí pro rozsah urychlujícího napětí od 20 kV do 200 kV 

b) zařízení středního napětí pro rozsah urychlujícího napětí od 200 kV do 600 kV 

c) zařízení vysokého napětí pro rozsah urychlovacího napětí od 600 kV do 5 MV. 

Jako zdroje napětí se používají kaskádní usměrňovače a vlastní zařízení je realizováno 

pomocí stupňovitých urychlovačů. Urychlování elektronů se uskutečňuje pomocí systému s 

několika anodami umístěnými zasetou tak, že mezi katodou a první anodou je potenciální 

rozdíl asi 150 kV a postupně mezi dalšími anodami je potenciální rozdíl asi 30 až 50 kV. 

6. 2 I0NT0VÉ PR0CESY 

Tato kapitola je věnována některým možnostem využití ionizovaných látek v 

technologických procesech. Tyto procesy lze rozdělit do několika charakteristických skupin. 

- Iontové svazkové technologie které se vyznačují použitím samostatného iontového zdroje, 

systémů na úpravu tvaru a řízení iontového svazku a předpokládají činnost zařízení v 

prostředí vysokého vakua. 

- Iontově-chemické technologie, kde se využívá chemicky aktivních iontů zejména k 

obrábění materiálů. 

- Iontově-plazmatické technologie, u kterých je plazma realizována elektrickým výbojem v 

daném plynu při nízkém tlaku. Ionty jsou odčerpávány z plazmy a urychlovány extrakční 

elektrodou a zejména svým kinetickým účinkem narušují povrch materiálů, případně dochází 

k depozici vrstev materiálu. 

- Plazmo-chemické technologie, které využívají chemické reakce materiálů s chemicky 

aktivními ionty, atomy, molekulami a radikály. 

Zejména v poslední době jsou tyto technologie intenzívně propracovávány, vzhledem 

k tomu, že umožňují realizovat technologická zařízení vysoce univerzální. V těchto zařízeních 

lze obrábět široký okruh materiálů bez ohledu na jejich mechanické, elektrofyzikální a 

teplofyzikální vlastnosti. V jednom technologickém prostoru lze uskutečnit několik různých


operací (čistění, depozice, expozice, obrábění, leptání, pasivace atd.). Technologické operace 

lze uskutečnit od submikronových velikostí až po mnohatunové obrobky. Jedná se o "čisté" 

technologie uskutečnitelné i v nízkoteplotním režimu a konečně se jedná o technologie 

snadno automatizovatelné. 

6. 2. 1 Zdroje iontů 

6. 2. 1. 1 Penningův zdroj iontů 

Tento zdroj se řadí do skupiny zdrojů iontů se studenou katodou. Mezi anodu a katodu 

je přiloženo napětí 10 2 až 10 3 V. Elektrony v mezielektrodovém prostoru jsou urychlovány 

směrem k anodě a na své dráze po nepružných interakcích s molekulami plynu tento plyn 

ionizují. Aby se zvýšila pravděpodobnost srážky, prodlužuje se dráha elektronů přiloženým 

magnetickým polem. Penningův zdroj má velmi jednoduchou konstrukci a vyznačuje se 

vysokou životností. Používají se výlučně k ionizace plynů z plynných médií. Vzhledem k 

tomu, že používají studenou katodu, nejsou vhodné k ionizaci inertních plynů. Při vysokých 

napětích a proudech výboje až několik ampérů může dojít k odprášení katody a tím ke 

znečistění svazku. 

6. 2. 1. 2 Sideniův zdroj iontů 

Tento zdroj patří do skupiny zdrojů iontů se žhavenou katodou. Při tlaku pracovního 

plynu 1 až 10 -2 Pa hoří mezi anodou a katodou stabilní oblouk. Pro zvýšení pravděpodobnosti 

srážky elektronu s atomem (molekulou) plynu je dráha elektronů prodloužena magnetickým 

polem. Kladné ionty jsou z plazmy extrahovány pomocí extrakční elektrody. Pro tento zdroj 

je typické, že ionty jsou extrahovány axiálně k ose plazmy, jak je naznačeno na obr. 6. 13. 

Iontový svazek je relativně úzký (0.5 mm). Ionizovat lze plynovou směs získanou z plynných 

médií, ale i z tuhých látek po odpaření 

v pícce. 

6. 2. 1. 3 Freemanův zdroj iontů 

Obr. 6. 13 Sideniův zdroj iontů 

A - anoda, K - katoda, 

EE - extrakční elektrody, 

IS - iontový svazek, 

P – plazma 

Jeho konstrukce se liší od Sideniova zdroje 

tím, že k extrakci dochází ve směru kolmém k ose 

plazmy, jak je naznačeno na obr. 6. 14. Jedná se o 

relativně vysokoproudový zdroj se širokým 

svazkem, který 

lze upravit iontovou optikou. Může 

ionizovat i rozprášené 

látky z pomocné katody. 

Obr. 6. 14 Freemanův zdroj iontů 

A - anoda K - katoda, EE - extrakční elektrody, 

IS - iontový 

svazek, P - plazma


6. 2. 1. 4 Kaufmanův zdroj iontů 

Základními nevýhodami předchozích typů je, že při použití relativně vysokých napětí 

mezi anodou a katodou dochází k odprašování katody a tím ke kontaminaci svazku a dále 

změnou anodového napětí je ovlivňován nejen iontový proud, ale i energie iontů. Tyto 

nevýhody odstraňuje Kaufmanův zdroj. Zdrojem elektronů je termokatoda a k výboji dochází 

při tlaku asi 10 -1 Pa při velmi nízkém napětí (50 V). Tak nízké napětí zabezpečí minimální 

odprašování katody. Zvýšeni pravděpodobnosti ionizace je zajištěno prodloužením dráhy 

elektronu vhodným působením elektrického a magnetického pole, jak je naznačeno na obr. 

23. Elektron je urychlen směrem k anodě. Celkové urychlení se realizuje na krátké dráze 

mezi katodou a hranicí plazmy, která má potenciál anody. V plazmě se elektron pohybuje 

konstantní rychlostí (pokud nedojde ke srážce) směrem k anodě. V prostoru před anodou 

působí na elektron magnetické pole kolmé na pohyb elektronu a ten se začne pohybovat po 

kruhové dráze. V okamžiku, kdy opustí prostor ovlivněný magnetickým polem, se elektron 

pohybuje zpět ke katodě. Jakmile elektron vylétne z plazmy, dostane se do elektrického pole, 

které jej zabrzdí a urychlí zpět k anodě. Ionizace pracovního plynu dosahuje 50 až 75 %. 

Vytahování iontů z plazmy se uskutečňuje systémem stínící a extrakční elektrody. Vytahovací 

pole nemůže působit na ionty v plazmě, protože je vodivá. Do prostoru ovlivněného polem 

extrakční elektrody se ionty dostávají difúzí. Pokud bychom použili pouze extrakční 

elektrodu, ionty by byly z hranice plazmatu urychleny k záporně nabité elektrodě, část by jich 

prošla otvorem v elektrodě a vytvořila by iontový svazek ale další část by dopadla na 

extrakční elektrodu a mohla by způsobit její odprašování. Tomuto zabraňuje stínící elektroda, 

která je na potenciálu plazmy. Ionty se difúzí dostanou až do otvoru stínící elektrody a odtud 

jsou vytaženy a urychleny extrakční elektrodou. 

Pro vytváření svazků o velkém 

průměru se používají elektrody s 

hustou sítí malých otvorů nebo 

vytahovací mřížky. Například pro 

průměr svazku 10 cm se používá 

až 1 400 otvorů o průměru 2 mm. 

Vzdálenost mezi stínící a extrakční 

elektrodou se volí asi 1 mm. Aby 

se snížila rozbíhavost svazku 

vlivem vzájemného působení 

stejně nabitých iontů a dále aby se 

nenabíjel povrch nevodivého terče, 

Obr. 6. 15 Kaufmanův zdroj iontů. 

na který iontový svazek dopadá 

A – anoda, K - katoda, SE - stínící elektroda, 

provádí se tzv. neutralizace 

EE - extrakční elektroda, B - magnetické pole 

iontového svazku injekcí elektronů 

o indukci B, IS - iontový svazek 

do svazku zpravidla z 

přímožhavené pomocné katody. 

6. 2. 1. 5 Magnetronový zdroj iontů 

U tohoto typu zdroje iontů se pro prodloužení dráhy elektronů a tím zvýšení 

pravděpodobnosti ionizace využívá tzv. magnetronového způsobu řízení pohybu elektronů. 

Elektrony emitované z katody jsou urychleny elektrickým polem a jejich dráha je zakřivena 

magnetickým polem kolmým na pole elektrické. Vzhledem k tomu, že se elektron nepohybuje 

konstantní rychlostí, bude sledovat tzv. cykloidální dráhu nad povrchem katody. Tyto zdroje 

patří k nejvýkonnějším iontovým zdrojům.


6. 2. 2 Iontová imp1antace 

Iontovou implantací se nazývá technologie,při které dochází k zavádění urychlených 

atomů a molekul do struktury tuhých látek s cílem změnit jejich elektrické, případně 

mechanické vlastnosti. K urychlení těchto částic dochází v ionizovaném stavu. Princip 

iontové implantace byl patentován americkými vědci R. Ohlem (1956) W. Shockleyem 

(1957) a W. Moyerem (1958). Další práce zejména dánských vědců J.Lindharta, M. Scharffa 

a H. E. Shitta propracovaly teorie pronikání urychlených iontů do amorfních látek a umožnily 

i předpovědět rozložení implantovaných iontů v polykrystalických a krystalických látkách. Na 

jejich počest se tato teorie nazývá LSS teorií. 

K implantaci se používají iontové svazky s proudy od 10 µA až 100 mA s 

urychlovacími napětími 10 3 až 10 6 V. V polovodičové technice se pro ionizaci používají 

plyny BF3, AsF3 a PF5 pro implantaci bórem, arsenem a fosforem. Jako zdroj iontů se 

používá Penningův zdroj. Pro implantaci malých a středních dávek (10 14 až 10 19 m -2 ) z 

plynných medií, ale i z tuhých látek po jejich odpaření, se dále používá Sideniův zdroj. Pro 

implantaci velkých dávek (10 20 m -2 ) je vhodný zdroj Freemanův. 

6. 2. 3 Iontové naprašování 

Iontovým naprašováním nazýváme technologii vytváření tenkých vrstev na podložce, 

materiálem rozprášeným účinkem urychlených iontů. Dopadne-li urychlený iont na povrch 

tuhé látky (terče) může se od něj odrazit nebo vyrazí atom z povrchové vrstvy.nebo se může 

zabudovat - implantovat do krystalové mříže. Který z těchto mechanismů nastane záleží 

jednak na energii dopadajícího iontu dále na vlastnostech látky na kterou iont dopadl a rovněž 

na úhlu dopadu iontů. 

Odprašovací mechanismus se vysvětluje pomocí impulsní teorie odprašování tuhých látek. 

Podle této teorie dopadající iont předá impuls energie atomům terče. Jestliže tato energie 

je vyšší než vazební energie atomu v látce dojde k narušení rovnovážného stavu a k vybuzení 

sousedních atomů. Toto vybuzení je předáváno dále po uzlech mřížky různými směry. V 

procesu postupného předávání impulsu energie může nastat situace, že atom.na povrchu terče 

získá energii vyšší než je hodnota výstupní práce atomu z terče a opustí povrch terče. Povrch 

terče tedy opustí a je odprášen atom jiný, než na který dopadl urychlený iont. Naznačený 

mechanismus vysvětluje i skutečnost, že povrch terče může opustit i více atomů než je počet 

dopadajících iontů. Poměr mezi počtem odprášených atomů terče a počtem dopadajících iontů 

se nazývá odprašovací výtěžnost a je určena koeficientem iontového odprášení ko. Depozice 

odprášených atomů terče se obvykle uskutečňuje v prostředí, kde působí na substrát 

elektrony a kladné ionty plazmy. Vzhledem k tomu, že elektrony mají vyšší difúzní rychlost 

než ionty, v první fázi převyšuje tak elektronů na substrát tok iontů a substrát se nabíjí 

záporně. V tom okamžiku se zvýší tok kladných iontů na substrát a ten bude ionty intenzivně 

bombardován. Tento mechanismus může způsobit ohřev substrátu a částečné odprášení jeho 

povrchu a může se projevovat i v průběhu růstu vrstvy. Při vhodně zvolených podmínkách 

působí pozitivně na proces růstu vzhledem k tomu, že očistí povrch substrátu, snižuje výskyt 

nehomogenit, zvyšuje čistotu vrstvy, jelikož čistí neustále povrch narůstající vrstvy od atomů 

plynů a jiných adsorbovaných příměsí. 

Při dopadu odprášených atomů terče na povrch substrátu může dojít k několika 

procesům. Atomy se mohou od povrchu substrátu odrazit, adsorbovat nebo se začlení do 

struktury substrátu. Pravděpodobnost každého z těchto procesů závisí na energii a chemické 

aktivitě atomů a také na energetické struktuře povrchu substrátu. Energetické spektrum 

odprášených atomů je velmi široké od jednotek eV do stovek eV, přičemž množství rychlých 

atomů ve spektru roste s energií iontů.


6. 2. 4 Iontové 1eptání 

Leptacím procesem rozumíme řízený odběr materiálu z povrchu daného tělesa. Do 

takto obecně pojaté definice by bylo možné zařadit v podstatě jakýkoliv mechanismus odběru 

materiálu (chemický, elektrochemický, fyzikální atd.). Leptací způsoby používané v 

mikroelektronice, zejména při výrobě integrovaných obvodů vyšších integrací rozdělit do 

dvou základních. skupin - leptací způsoby mokré a leptací způsoby suché. Mokré leptací 

způsoby využívají chemického účinku látek v kapalném stavu a mají několik základních 

nevýhod. Leptací účinek je většinou selektivní a při změně leptané vrstvy je nutné zaměnit 

leptací látku po očištění vrstvy a neutralizaci předchozí chemikálie. Vzhledem k účinkům 

leptacích látek je nutné mnohdy maskovat povrch polovodičového materiálu různými krycími 

vrstvami atd. Zásadním nedostatkem však je izotropní leptací účinek tzn., že leptací rychlost 

je stejná ve všech směrech a výsledný profil leptané struktury vykazuje podleptání masky. 

Zejména v oblasti výroby integrovaných obvodů vyšších integrací je žádoucí dosáhnout 

anizotropního leptacího účinku, dobré ohraničení čáry, vysoce přesné leptání, dobrou 

selektivitu v neposlední řadě i možnost rychlé výměny leptacího média, tedy možnost řízen 

leptacího účinku na danou látku. Tyto podmínky splňují suché leptací způsoby, které se staly 

klíčovými technologiemi ve výrobě integrovaných obvodů. V současné době existuje celá 

řada zařízení, které využívají suché leptací způsoby, ale v zásadě lze všechny rozdělit podle 

leptacího účinku do čtyř skupin znázorněné na obr. 6. 16. 

Obr. 6. 16 Základní typy suchého leptání 

a) fyzikální, b) chemický, c) chemicko-fyzikální, d) fotochemický


6. 3 RENTGENOVÉ PROCESY 

6. 3. 1 Vznik a vlastnosti rentgenového záření 

Rentgenovým zářením nazýváme elektromagnetické záření o vlnových délkách od 10 -8 

do 10 -11 m. Za hranici mezi tzv. vakuovou ultrafialovou oblastí a měkkým dlouhovlnným 

rentgenovým zářením se považuje vlnová délka asi 50 nm. Rentgenové záření vzniká při 

interakci rychle se pohybujícího elektronu s atomem. Dopadne-li svazek elektronů na danou 

látku, dojde ke vzniku rentgenového záření, které lze rozdělit na dva druhy. Tím, že elektrony 

v látce ztrácejí svoji kinetickou energii - jsou bržděny, vzniká záření kterému se říká brzdící. 

Tento druh záření je charakterizován 

spojitým spektrem záření, u kterého jsou 

hodnoty intenzit záření pro širokou oblast 

vlnových délek srovnatelné. Druhý druh 

záření souvisí s vlastnostmi látky, na 

kterou dopadl elektronový svazek. Tomuto 

druhu záření se říká charakteristické a je 

pro něj typické čárové spektrum. Za jistých 

podmínek se tedy přes spojité spektrum 

překládá spektrum čárové, jak je to 

znázorněno na obr. 6. 17. 

Obr. 6. 17 Typická závislost intenzity 

rentgenového záření na vlnové délce 

U spojitého spektra je nejkratší vlnová délka obsažená ve spektru dána energií 

dopadajícího elektronu: 

ë 

min 

h c 1,239.10−6 

= = , 

(6. 18) 

q U U 

Maximální intenzita záření se ve spektru objeví asi při 60 % energie svazku 

−6 

h c 2,065.10 

λ Imax = = , 

0,6 q U U 

(6. 19) 

kde h je Planckova konstanta, c je rychlost světla, q je náboje elektronu, 

U je urychlovací napětí. 

Pro stanovení intenzity rentgenového záření při zvolené vlnové délce neexistuje 

matematické vyjádření a průběh dle obr. 6. 17 se stanovuje experimentálně. Existuje však 

P 

r 

−8 

1,75 

= 1,69.10 I Z U , 

(6. 20) 

Pr = 3.10 -6 I Z U 1,75 [W, mA, kV], (6. 21) 

kde I je proud elektronového svazku 

Z je atomové číslo látky na kterou dopadl elektronový svazek 

U je urychlovací napětí.


Prochází-li rentgenové záření látkou, dochází k absorpci záření. Intenzitu prošlého 

záření látkou určíme ze vztahu: 

I r = I0 

exp [ − α( 

λ) 

x], 

(6. 22) 

kde Io je intenzita rentgenového záření dopadající na povrch látky 

α(λ) je lineární absorpční koeficient závislý na vlnové délce záření 

x je souřadnice orientovaná od povrchu látky ve směru záření 

V literatuře jsou obvykle tabelovány hodnoty tzv. hmotového absorpčního koeficientu α(λ)/ρ, 

kde ρ je měrná hmotnost látky. 

6. 3. 2 Radiační technologie 

Obor radiační technologie vznikl v padesátých letech v souvislosti s rozvojem jaderné 

fyziky, jaderné energetiky s rozvojem využití umělých radionuklidů a urychlovačů částic. V 

této době začínají být využívány dva druhy velkých zdrojů ionizujícího záření, a to zdroje 

radioizotopové a zdroje elektrofyzikálni, tzv. urychlovače částic. Z hlediska zdrojů lze 

radiační technologie rozdělit do tří kategorií. 

a) Radiační technologie využívající elektronový svazek generovaný lineárními 

urychlovači s energií svazku do 10 MeV. 

b) Radiační technologie využívající rentgenové záření s energií fotonů do 5 MeV. 

c) Radiační technologie využívající gama záření z radionuklidů. Zejména se jedná o kobalt 60 

a cesium 137. Kobalt 60 má poločas rozpadu 5,3 roku a vysílá gama záření s energií fotonu 

1,17 MeV a 1,33 MeV. Cesium 137 má poločas rozpadu 30 let a vysílá gama záření s 

energií fotonu 0,66 MeV. 

Proti alternativním technologiím vykazují radiační technologie hlavně tyto přednosti: 

- radiační iniciace je univerzálnější než jiné používané metody 

- radiační procesy probíhají při normální nebo i snížené teplotě, lze tedy pracovat i se 

substráty teplotně labilními 

- není třeba používat chemických iniciátorů a katalyzátorů, které ovlivňují výsledné vlastnosti 

produktu 

- průběh reakce lze snadno a přesně řídit volbou ozařovacích podmínek 

- je možné homogenně ozařovat i materiály neprůhledné, vícevrstvé a uzavřené v 

obalech. 

Vzhledem k poměrně vysokým nákladům na ozařovací zařízení, uplatňují se radiační 

technologie zejména tam, kde se ozařují velké objemy materiálů, kde je podíl ceny za 

ozařování malý vzhledem k vysoké ceně ozařovaného materiálu, anebo kdy materiál získá 

vlastnosti jinými technologiemi nedosažitelné. 

Bezesporu nejúspěšnější technologií s využitím zdrojů záření je dnes radiační sterilizace 

lékařských potřeb a materiálů. Tato technologie dosáhla jako první průmyslového nasazení a 

dnes se využívá běžně. Další oblastí jsou procesy radiačního síťování plastů a výrobků z nich. 

Radiační síťování se na rozdíl od chemického síťování provádí bez přidávání iniciátorů při 

pokojové teplotě. Takto lze získat plasty se zlepšenými fyzikálními a mechanickými 

vlastnostmi. Lze jmenovat např. zlepšení tepelné odolnosti radiačně zesítěného polyetylénu, 

který má rovnocenné tepelné vlastnosti jako teflon. Navíc má takový materiál tvarovou 

paměť. Vyrábí se kabely s izolací ze silikonového kaučuku vulkanizovaného pomocí záření. 

Rychlý rozvoj zaznamenávají radiační technologie při vytvrzování tenkých vrstev.


6. 3. 3 Rentgenová litografie 

Stálé zvyšování hustoty integrace si vynutilo jednak zdokonalování optické litografie a 

dále vývoj nových litografických technologií, jak je litografie elektronová, iontová a 

rentgenová. Omezení optické litografie je dáno v podstatě dvěma důvody. Především je to 

difrakce použitého světelného záření na hranách struktury masky, které způsobuje vznik 

neostrosti kopírovaných obrazců. Cesta ke zlepšení rozlišovací schopnosti vedla k použití 

zdrojů světla s co nejkratší vlnovou délkou. Přecházelo se na výbojky pracující v ultrafialové 

oblasti na vlnových délkách 436 a 405 nm. Hovoří o možnostech použití výkonných 

excimerových laserů, kde např. systém ArF pracuje na vlnové délce 193 nm. Druhé omezení 

je dáno možností vytvořit co nejtenčí vrstvu rezistů, což je limitováno rovinností povrchu 

polovodičové desky. U nerovnoměrně tlusté vrstvy 

rezistů vznikají zkreslení, která limitují dosažitelné 

rozměry struktury. 

Snaha využít relativní jednoduchost optické 

litografie vedla ke zkoumání možného zdroje záření o 

velmi krátké vlnové délce. Takovým zářením se 

ukázalo záření rentgenové, které umožnilo vznik 

rentgenové litografie. 

Princip rentgenového litografu je uveden na 

obr. 42. Svazek elektronů je urychlen v elektronové 

trysce napětím od 4 do 10 kV. Toto urychlovací 

napětí určuje rozsah vlnových délek ve spektru 

rentgenového záření. Svazek dopadá na anodu a je 

zaostřen do stopy o průměru dr . Pro expozici rezistů 

je nutné dosáhnout jisté úrovně výkonu rentgenového 

záření. Vzhledem k tomu, že tento výkon nedosahuje 

ani l % výkonu elektronového svazku, je nutné téměř 

celý výkon svazku uchladit na anodě. Pevná anoda je 

schopna uchladit výkon svazku asi 500 W. Při použití 

rotující anody chlazené vodou je možné zvýšit výkon 

svazku až do 10 kW. Při použití pevné anody lze 

dosáhnout výkonu rentgenového záření řádově 10 -1 

W a při použití rotující anody 10 0 W. Pro optimální 

činnost elektronové trysky dosahuje tlak hodnoty až 

10 -4 Pa. Vlastní pracovní komora je naplněna heliem 

při běžném atmosférickém tlaku vzhledem k tomu, že 

helium minimálně pohlcuje měkké rentgenové záření. 

Prostor trysky a pracovní komora jsou odděleny 

okénkem z berylia. 

Vlnová délka rentgenového záření hraje nejen 

roli v otázce Kontrastu masky, ale i rozlišovací 

schopnosti rezistů. Nejčastěji se používají vlnové 

délky asi od 0,5 nm do 5 nm. O tom jak náročná je 

Obr. 6. 18 

Principiální schéma rentgenového 

litografu. 

ET - elektronová tryska, Be - beryliové 

okénko 

výroba masky pro jemné struktury, si lze učinit představu z obr. 6. 18. Malé tloušťky 

membrán o extrémních hodnotách 0,1 až 0,4 µm lze realizovat odleptáním základního nosiče 

na malých ploškách asi 2x2 mm.


Rezisty pro rentgenovou litografii 

jsou svoji podstatou organické 

polymery, u nichž se ozářením 

výrazně změní jejich rozpustnost. 

Podobně jako u optické litografie lze 

hovořit o rezistu pozitivním, u něhož 

se ozáře ním rozpustnost zvětší, resp. 

rezistu negativním, u něhož se rozpustnos 

t ozářením zmenší. Po 

dopadu rentgenového záření na rezist 

a absorpci fotonů dojde k emisi 

sekundárních elektronů, které jsou 

zdrojem chemických změn v rezistů 

6. 4 JADERNÉ PROCESY 

Obr. 6. 19 

Při výrobě polovodičových součástek je 

nutné měnit vlastnosti materiálu metodou 

dotování základního materiálu příměsemi v definovaných 

koncentracích. Nejpoužívanější metody 

dotování jsou slinování, difúze a iontová 

implantace. V oblasti výroby prvků výkonové elektroniky je kladen důraz zejména na hodnotu 

průrazného napětí a úbytek napětí v propustném 

směru, což je podmíněno homogenitou měrného 

odporu materiálu. Stávající technologie mnohdy 

neumožňují dosahovat požadované výsledky a z 

toho důvodu byl zaveden principiálně nový 

způsob dotování pomocí jaderných transmutací. 

Dotování pomocí jaderných transmutací je 

typické tím, že dotující příměs se nevnáší do 

materiálu z vnějšku, ale vzniká v procesu ozáření 

materiálu z atomů základního polovodiče. 

Jadernými reakcemi se 

Typická konstrukce masky pro rentgenovou litografii 

nazývají děje, při 

kterých urychlená částice (střela) zasáhne jádro 

(terčík) a po splnění určitých podmínek může 

způsobit jeho změnu. Vzniká nové jádro 

(produkt) a obecně jiná částice. Při vniknutí ne- 

utronu do jádra přináší každý neutron do jádra 

energii rovnou své kinetické energii a vazbové 

energii. Jádro, které zachytilo neutron, bude 

Obr. 6. 20 Rezisty pro rentgenovou a 

elektronovou litografii. 

PMMA - polymetylmetakrylát, P(MMA- 

MA) - kopolymer metylmetakrylátu a 

kyseliny metakrylátové, FBM -1 – poly 

(2,3,3,3-tetrafluorpropyImetakrylát), 

PGMA - polyglycidylmetakrylát, 

P(GMA-EA) - kopolymer glycidylu 

metakrylátu a etylakrylátu, EPB - 

epoxidizovaný polybutadien 

vybuzeno, přičemž se nějak změní. Reakce, které mohou 

nastat, lze schematicky zapsat (n,n), 

(n,p), (n,α ), (n,γ), kde např. (n,γ) znamená, že po zachycení neutronu dojde k jeho 

zabudování do jádra za současného vyzáření fotonu záření γ. Zachycený neutron vytvoří 

izotop výchozího jádra. 

U polovodičových materiálů lze využít tří typů jaderných reakcí. Jsou to reakce 

způsobené vlivem nabitých částic, dále reakce způsobené γ zářením (tzv. fotojaderné reakce) 

a reakce podmíněné tepelnými neutrony.


Vlivem nabitých částic s dostatečně velkou energií (10° až 10 1 MeV) mohou probíhat 

jaderné reakce následujících typů: 

(α, p) , (α, n) , (α, γ) , (α, 2p) , (α, np) , (d, p) , (d, n) 

Tyto reakce jsou podmíněny tím, že energie dopadající částice 

je vyšší než tzv. coulombovská 

bariéra, daná odpuzováním částice a jádra. 

Fotojaderné reakce zahrnují skupinu reakcí přeměny jader γ-zářením, a to: 

( γ , p ), ( γ, n), ( γ,α 

) 

Pomocí fotojaderných reakcí lze získat příměsi v celé řadě materiálů, Z toho důvodu 

jsou tyto reakce předmětem zájmu v oblasti dotování polovodičů. Oproti reakcím s nabitými 

částicemi lze fotojaderné reakce uplatnit ve větších objemech materiálu vzhledem k tomu,že 

záření γ proniká do podstatně větší hloubky než nabité a urychlené částice. Perspektiva tohoto 

směru je dána i tím, že lze relativně snadno získat γ-záření s libovolnou energií pomocí 

urychlených elektronů. 

Reakce s pomalými neutrony, lze schematicky zapsat (n,n), (n,p), (n,α), (n,γ), kde 

např. (n,γ) znamená, že po zachycení neutronu dojde k jeho zabudování do jádra za 

současného vyzáření fotonu záření γ. Zachycený neutron vytvoří izotop výchozího jádra. 

Výše uvedené poznatky si můžeme blíže objasnit na příkladu konkrétního využití 

jaderných transmutací. Pro výrobu výkonových polovodičových prvků se využívá křemík Ntypu 

vodivosti. V přírodním křemíku jsou obsaženy celkem 3 izotopy 

14 

Si 

28 

- 

92,21 % , 

14 

Si 

29 

- 

4,70 % 

, 

14 

Si 

30 

- 

3,09 % 

Pro transmutaci lze využít izotop 14Si í 

30 , a to jadernou reakc s tepelnými neutrony 

získanými 

v jaderném reaktoru. Reakce probíhá dle vztahu 

30 1 

31 0 

14Si 

+ 0n 

→ 14Si 

+ 0γ 

(6. 23) 

31 

Radioaktivní izotop křemíku 14Si se dále rozpadá za vzniku stabilního fosforu při emisi 

elektronu 

14 

Si 

31 

τ 104 

s 

⎯ ⎯ 

≈ 

⎯ → 

15 

P 

31 

+ 

-1 

Vzniklý fosfor je však elektricky neutrální a podobně jako při iontové implantaci je nutné 

dotační prvek nejprve elektricky aktivovat (ionizovat). Aktivace se provádí tepelným 

zpracováním monokrystalu při teplotě T ≥. 890 K. Vzhledem k charakteru tepelných neutronů 

probíhá reakce dle (6. 23) prakticky beze ztrát a uvážíme-li, že rozložení izotopu 14Si 30 

monokrystalu je vysoce homogenní, lze očekávat i vysoce homogenní rozložení fosforu a tedy 

i měrného vnitřního odporu. 

6. 5 LASEROVÉ PROCESY 

6. 5. 1 Úvod 

e 

0 

(6. 24) 

Laserem označujeme druh kvantového generátoru koherentních elektromagnetických 

vln v širokém rozsahu vlnových délek od oblasti ultrafialové přes viditelné světlo, dále oblast 

infračervenou až k hranici milimetrových vln. Vlastní název LASER vznikl spojením prvních 

písmen anglických slov Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zesilování 

světla stimulovanou emisí záření). Teoretické základy v této oblasti byly položeny v letech 

1953-1958 pracemi Basová, Prochorova a Townese. Prakticky využitelný laser byl realizován 

začátkem šedesátých let, kdy Maiman realizoval rubínový laser a Javan laser helium-neonový. 

V dnešní době existuje celá řada laserů, které se odlišují fází aktivního media, způsobem


buzení, resp. druhem děje, při kterém je umožněno tzv. čerpání laseru. Druh aktivního media 

a jemu odpovídající způsob čerpání určuje i oblast vlnové délky, na které dojde k vyzáření 

elektromagnetického vlnění. 

Podle druhu aktivního media rozlišujeme lasery na: 

- Pevnolátkové - krystalické - dielektrické (např. rubín, YAG) 

- polovodičové (např. GaAs) 

- amorfní (např. sklo dotované neodymem) 

- Kapalinové - barvivové roztoky (např. rhodanin) 

- Plynové - atomární (např. He-Ne) 

- iontové (např. Ar + , Kr + ) 

- molekulové (např. CO2) 

Dle typu buzení rozeznáváme lasery buzené: 

- optickým zářením (např. výbojkou, jiným laserem, sluncem) 

- elektrony (výbojem mezi anodou a katodou, elektronovým svazkem) 

- chemickou reakcí 

- teplem 

Podle režimu činnosti hovoříme o laserech, které pracují 

- kontinuálně 

- pulsně 

Z hlediska výkonu hovoříme o malovýkonových laserech, kde dopadající záření na 

látku nezpůsobí v látce žádné chemické a fyzikální změny. Využití takových laserů lze hledat 

v oblasti měřicí a diagnostické techniky. V případě, že dopadající záření způsobí v látce 

fyzikální, resp. chemické změny, hovoříme o výkonových nebo technologických laserech. 

Výkonový rozsah laserů je velmi široký od oblasti µW do desítek kW v kontinuálním režimu 

a v pulsním režimu dosahuje výkon řádu 10 13 W. 

Lasery nalezly využití v celé řadě aplikací - od sdělovací techniky, měřicí techniky, 

diagnostiky, přes lékařství, strojírenskou technologii, 

elektroniku, mikroelektroniku až po 

využití v oblasti termojaderné syntézy, ale také v oblasti vojenské 

6. 5. 2 Teoretické základy činnosti laserů 

6. 5. 2. 1 Kvantové jevy v látce 

Lasery řadíme mezi tzv. kvantové generátory elektromagnetického záření. Jejich 

specifickou vlastností je, že změny energie částic látky mají diskrétní charakter a tyto částice 

absorbují nebo vyzařují energii v kvantech. 

Energie kvanta je dána vztahem 

E = h ν 

(6. 25) 

kde h je Planckova konstanta 

ν je kmitočet fotonu pohlceného nebo vyzářeného látkou. 

Při pohlcení energie látkou přechází částice ze základního stavu 

na stav s vyšší energií, 

ve kterém setrvají pouze určitý čas. Střední doba, po kterou zůstane 

částice ve vybuzeném 

stavu, se nazývá dobou života energetické hladiny. Pro většinu vybuzených stavů je tato doba 

10 -9 až 10 -6 s. Existují ale hladiny s dobou života 10 -3 s i delší. Takové hladiny se nazývají 

metastabilní. Na takových hladinách je možné, aby populace byla mnohem vyšší než


odpovídá rovnovážnému stavu. Existence metastabilních hladin umožňuje uvést kvantovou 

soustavu do nerovnovážného stavu a může dokonce nastat stav, kdy určitá hladina bude mít 

vyšší populaci než hladina s nižší energií. V takovém případě hovoříme o inverzní populaci 

hladin, což je základní předpoklad pro realizaci laseru. Činnost laseru je založena na principu 

zesilování elektromagnetického záření při stimulované emisi záření při přechodu z horní 

metastabilní hladiny na některou hladinu s nižší energií, přičemž mezi těmito hladinami 

existuje inverzní populace. 

Nejjednodušší kvantový systém, u kterého můžeme dosáhnout inverzní populaci 

pomocí vnějšího pole, je systém tříhladinový. Schematicky je zobrazen na obr. 6. 21. 

Představitelem tříhladinového laseru je laser rubínový, kde jako aktivní prostředí je použit 

monokrystal rubínu Al2O3 : Cr 3+ , u kterého je část iontů Al 3+ nahrazena ionty chrómu Cr 3+ . 

Ionty chrómu absorbují záření v zelené a modré části spektra po ozáření světelným výbojem. 

Dojde k tzv. čerpání laseru a vybuzení částic na 

hladinu E3. Tato hladina má velice krátkou dobu 

života, dojde k rychlému nezářivému přechodu na 

metastabilní hladinu E2 . Mezi touto hladinou a 

základní hladinou E1 dojde k inverzní populaci a 

Obr. 6. 21 Tříhladinový laserový systém . 

6. 5. 2. 2 Vznik a vlastnosti laserového záření 

6. 5. 2. 2. 1 Čerpání laseru 

tedy po přechodu na základní hladinu 

dojde k 

vyzáření kvanta záření. U rubínového laseru 

využíváme spektrální čáru A = 694,3 nm, což 

odpovídá červené barvě světelného záření 

Čerpáním laseru rozumíme vybuzení systému vnějším polem na vyšší energetický stav 

s cílem dosažení inverzní populace hladin. Vybuzení se dosahuje absorpcí energie z vnějšího 

pole. Důležitou roli zde hraje schopnost látky absorbovat dostatečné množství energie o 

vhodné vlnové délce. Lasery s aktivním prostředím v tuhé fázi mají dostatečně široké 

Obr. 6. 22 Čerpání laseru s aktivním prostředím v tuhé fázi


absorpční spektrum a z tohoto důvodu se k čerpání používají výbojky rovněž se širokým 

spektrem záření. Hovoříme o tzv. optickém čerpání. Aby se maximální množství energie 

výboje mohlo absorbovat v aktivním prostředí laseru, realizují se různé typy odražečů záření. 

V nejjednodušším případě se výbojová trubice umísťuje do jednoho ohniska elipsoidu a 

aktivní prostředí laseru ve formě tyčky do ohniska druhého. Je možné volit i systémy se 

dvěma, případně čtyřmi výbojovými trubicemi v systému dvou, resp. čtyř elipsoidů, jak je 

naznačeno na obr. 6. 22. 

Lasery s aktivním prostředím v plynné fázi mají absorpční spektrum mnohem užší a 

optické čerpání u nich není možné. K vybuzení systému se využívá srážek molekul plynu s 

elektrony nebo s vybuzenými 

molekulami jiného plynu. Elektrony 

se do systému mohou zavádět z 

vnějšku - např. elektronovým svazkem 

nebo se využívá toku elektronů mezi 

anodou a katodou, jak je 

naznačeno na 

obr. 6. 23. 

Obr. 6. 23 Čerpání laseru s aktivním prostředím 

v plynné fázi 

Další možnost čerpání 

využívá 

energetického přínosu z chemické 

reakce a tzv. chemických laserů. 

Např. u chemického laseru HF 

dochází k čerpání 

při reakci molekul 

vodíku a fluoru. 

U tzv. excimerových laserů dochází po dopad u elektronového svazku na látku k 

ionizaci, vzniku excimerové molekuly a při rozpadu této molekuly ke vzniku záření. Název 

EXCIMER vznikl spojením slov EXCItovaný diMER. 

6. 5. 2. 2. 2 Zesilování záření v aktivní látce 

V předchozí části jsme hovořili o vzniku kvanta indukovaného záření - fotonu. Letící 

foton aktivní látkou může dále stimulovat následné emise. Dochází k procesu zesilování 

záření v aktivní látce. 

Budeme-li sledovat intenzitu toku fotonů I po průchodu aktivním prostředím o délce L , 

můžeme psát 

I = I0 exp (α-β) L , (6. 26) 

kde I0 je intenzita záření vstupující do systému 

α je koeficient charakterizující zesílení na jednotkové 

délce 

β je koeficient charakterizující ztráty na jednotkové délce 

L je délka sledovaného úseku aktivního prostředí. 

Zesílení intenzity záření rovno 

I 

Z = = exp(α − β) L > 1, 

(6. 27) 

I 0 

Jak plyne z (6. 27), je intenzita záření, resp. zesílení intenzity záření, úměrné délce 

aktivního prostředí. V praxi se většinou délka průchodu fotonů, aktivním prostředím 

prodlužuje použitím rezonančních systémů. Nejjednodušším rezonančním systémem, u 

kterého vlastně změníme kvantový zesilovač v oscilátor-laser, je systém, u kterého zavádíme 

kladnou zpětnou vazbu uzavřením aktivního prostředí mezi dvě zrcadla. Nejjednodušší


systém je tzv. Fabry-Perotův interferometr s rovinnými zrcadly, jak je naznačeno na obr. 6. 

24. Jedno zrcadlo má mít 100 % odrazivost a druhé má jistou propustnost zajišťující 

maximální výstupní výkon záření opouštějící rezonátor. Odrazné plochy se obvykle realizují 

z napařených mnohonásobných 

dielektrických, vrstev o tloušťce - λ/4. 

Obvykle to bývá 13 až 23 vrstev z ZnS. 

nebo MgF nanesených na křemennou 

nebo skleněnou podložku. Odrazivost 

dosahuje až 99,9 %. 

6. 5. 2. 2. 3 Charakteristika laserového 

svazku 

Důležitým parametrem laserového 

zářeni je monochromatičnost, která je 

určena šířkou spektrální čáry laseru. U 

Obr. 6. 24 Rezonanční systém laseru 

jednofrekvenčního laseru za běžných 

podmínek lže naměřit šířku čáry asi 10 

kHz. Ve speciálním případě byla naměřena 

šířka čáry He-Ne laseru na vlnové délce 

633 nm 

l Hz. U klasického světelného zdroje lze v nejlepším 

případě u speciální výbojové trubice 

naměřit šířku čáry kolem l 000 MHz. 

Dalším parametrem, který charakterizuje laserové záření, je koherence. Koherencí 

rozumíme vzájemnou souvislost vlnění 

vycházejících buď ze dvou různých míst na povrchu 

zářícího tělesa (koherence prostorová) nebo vlnění vycházejícího z jednoho místa, avšak s 

určitým časovým odstupem (koherence časová). 

Pro laserové záření je charakteristická velká směrovost, resp. malá rozbíhavost 

světelných paprsků. Úhel rozbíhavosti laserového svazku je asi dvakrát menší než nejmenší 

možná teoretická rozbíhavost záření z klasických zdrojů světla. 

6. 5. 3 Některé aplikace laserů 

6. 5. 3. 1 Úvod 

Laserová technika zasahuje prakticky do většiny oborů lidské činnosti a řadí se svým 

významem a perspektivou ke světově sledovaným progresivním směrům. Laserová technika 

se rozvíjí zejména ve strojírenství, elektrotechnice a elektronice, telekomunikační technice, 

informatice, výzkumu kosmu, jaderném výzkumu, zemědělství, biologii, chemii, 

meteorologii, metrologii, lékařství, lehkém průmyslu, v základním i aplikovaném výzkumu. 

Další rozvoj a nasazení laserů úzce souvisí se zlepšováním technicko-ekonomických parametrů, 

provozními vlastnostmi laserů, jejich životností, spolehlivostí, účinností a 

efektivností. Objevují se stále nové druhy laserových zdrojů a příslušných doplňujících 

komponentů a zařízení, které umožňují další rozšířeni aplikací. Z uvedeného je zřejmé, že v 

následujícím textu se nelze zmínit o všech možnostech laserové techniky, ale budou uvedeny 

jen omezené informace o možnostech laserové technologie zejména v elektrotechnice. 

6. 5. 3. 2 Laserová metrologie 

Specifické vlastnosti laserového záření umožňují realizovat speciální měřicí systémy 

založené především na interferometrických měřicích metodách. Laserové interferometry se 

používají k měření délky, úhlů, přímosti a rovinnosti i ve více osách současně. Nasazení 

těchto systémů je možné jak ve strojírenství, tak i např. v mikroelektronice v optických a


elektronových litografech pro výrobu a nastavování polohy masek. Zvláštní význam pro praxi 

mají i měřicí metody pro analýzu kmitů. Lasery umožňují konstruovat bezdotykové snímače 

vibrací k přesnému měření dynamiky vibrací se zvláště malými amplitudami. K analýze 

kmitů se dnes využívá laserová interferometrie, holometrie (holografická interferometrie), 

laserová difraktografie. 

6. 5. 3. 3 Laserové metody analýzy materiálů 

Laserové metody pro analýzu prvků nebo chemickou analýzu materiálů pro elektroniku 

lze rozdělit do dvou skupin. V prvé skupině se k identifikaci látek používá hmotová 

spektrometrie a laser slouží pouze k ohřevu a odpaření analyzovaného vzorku. U metod druhé 

skupiny je látka analyzována pomocí optické spektroskopie a laser slouží jednak k ohřevu a 

odpaření analyzované látky a déle se používá jako zdroj monochromatického záření. Většinou 

se dané zařízení skládá z několika laserů. Jeden slouží k odpaření vzorku a další jako 

monochromatické zdroje světla. Nejčastěji jsou používány čtyři metody - laserová hmotová 

spektroskopie, laserová emisní spektroskopie, laserová atomová fluorescenční spektroskopie a 

selektivní laserová ionizační spektroskopie. Lasery zde umožňují jednak definovaný ohřev na 

velmi malé ploše, termické vybuzení atomů látky, dále laser umožňuje ionizaci par 

odpařeného materiálu, a to selektivně podle nastaveného kmitočtu laseru. 

6. 5. 3. 4 Laserové leptací a depoziční procesy 

Specifické vlastnosti laserového záření umožňují realizovat nové tzv. suché leptací 

procesy využitelné v mikroelektronice při výrobě integrovaných obvodu. Možnost využití 

definované vlnové délky laserového záření, relativně velké energie fotonů při použití laserů v 

UV oblasti a možnost dosažení vysoké hustoty energie v definovaném prostoru umožňuje 

realizovat i specifické chemické reakce. Záření laseru může iniciovat chemické reakce na 

povrchu substrátu s následným odběrem materiálů (leptání) nebo je možná iniciace nad 

povrchem substrátu s následnou depozicí produktů chemické reakce na povrch substrátu. 

Tabulka 6. 2 Laserové leptací technologie 

Mechanismus Materiál Leptací plyn Laser 

Fotochemický Si SF6XeF2 CO2, Ar + 

Ge Br2 Ar 

poly-Si Cl2, F2 CO XeCl, ArF 

GaAs CF3Br, CH3Br, HBr ArF 

SiO2 CF3Br 

C2H3F, NF3+H2 

Ar 

ArF 

CC12F2 KrF 

Tepelný Si C12/HC1 Ar + , XeF 

GaAs Cl2 Ar 

Si02 HF CO2 

keramika Cl2 Ar 

ferit CF4, SF6 Ar + 

Uvedené proces ožné realizova okojové teplotě trátu, tak i při ohřevu 

y je m t jak při p subs 

substrátu laserem. Pro realizaci se využívají lasery pracující od IR oblasti (CO2, λ = 10,6 µm), 

přes viditelnou oblast, UV oblast až do VUV oblast zastoupenou excimerovým laserem ArF 

(λ = 193 nm).


6. 5. 3. 5 Další možnosti využití laserů v elektronice 

V polovodičové technice a mikroelektronice lze využít laserů v řadě technologických operací 

- Žíhání polovodičových materiálů, rekrystalizace a poimplantační žíhání - poimplantační 

aktivace. 

- Expozice rezistů, odstraňování rezistů a leptání v litografii. 

- Maskované dotování, nanášení a leptání tenkých vrstev. Zde se používají dříve popsané 

technologie. Princip dotování plyne z následující rovnice SiH4 + PH3 → Si + P + H2 , kde 

dotujícím prvkem je fosfor. Při dotování borem se používá BCl3. 

- Kontaktování. Kontakty lze vytvářet laserovým svařováním nebo laserovým rozkladem 

WF6 dle rovnice WF6 + H2 → W + HF. Kontaktním materiálem je v tomto případě 

wolfram. 

- Pájení a přepájení hradlových polí, odstranění vadných paměťových 

buněk. 

- Obrábění tenkých vrstev, dostavování tenkovrstvových rezistorů, spiralizace rezistorů. 

- Značení spojů, popisování součástí a dekorační technologie 

- Řezání polovodičových destiček, 

substrátů pro HIO, vrtání mikrootvorů a další. 

6. 5. 3. 6 Výkonové technologické lasery 

Doposud uváděné aplikace využívaly lasery s výstupním výkonem relativně malým v 

rozsahu mW až jednotek W. Pro průmyslové aplikace se však používají lasery výkonem až 

desítek kW v kontinuálním provozu. Prozatím jsou vhodné dva typy laserů. V pevné fázi je to 

laser YAG: Nd 3+ a z plynových laser CO2. 

Lasery YAG: Nd 3+ pracují na vlnové délce 1,06 µm s relativně malou účinnost 0,1 až 

3,5 %. Ve srovnání s CO2 laserem je možné zaostření svazku na menší průměr a je možné 

lépe obrábět kovové materiály vzhledem k menší reflexi na povrchu materiálů. Z hlediska 

konstrukčního uspořádání je aktivní materiál laseru vybroušen do tvaru válce a umístěn ve 

společném ohnisku dvojeliptické dutiny. V ohnisku jednotlivých polovin dutin jsou umístěny 

budicí kryptonová výbojky. Celý systém je chlazen deionizovanou vodou. Největší 

dosahované výkony jsou několik set W v kontinuálním režimu a až 100 kW v pulsním 

režimu. 

CO2 lasery dosahují absolutně největších kontinuálních výkonů při účinnosti až 10 %. 

Pracovní směs tvoří CO2, N2, He, je buzena vysokonapěťovým doutnavým výbojem. Vysoká 

účinnost je způsobena příznivou 

účinností 

buzení horní laserové 

hladiny molekuly CO2 s rychlou 

výměnou energie s excitovanou 

molekulou N2. Přenos tepelné 

energie zvyšuje He. 

Podélně čerpané (axial flow) 

systémy, u kterých výboj i tok 

plynné směsi je rovnoběžný s osou 

trubice, dosahují kontinuálních 

výkonů do l kW při 60 W/m délky 

výboje. Požadovaný výkon se 

dosahuje zvětšováním délky 

výbojových trubic, který je 

limitován rozměry systému. 

Obr. 6. 25 Systém GTL laseru s předionizací - 

metoda SAGE


Rychle podélně čerpané (fast axial flow) systémy se používají pro rozsah výkonů v 

kontinuálním režimu od 500 W do 6 kW při 600 W/m délky výboje. Po vyzáření fotonu se 

molekula CO2 odčerpá z prostoru optického rezonátoru do prostoru chladiče a do rezonátoru 

se přivede nový plyn. 

Příčně čerpané lasery - GTL (Gas-Transport-Laser) dosahují kontinuálních výkonů od 

l kW do 20 kW. Rychlé proudění plynu napříč přes optický systém umožňuje dosáhnout 

výkonu více než l kW/m délky výboje. 

Zvýšení výkonu u GTL systémů lze tzv. předionizací označovanou jako metoda SAGE 

(Silent Discharge Assisted Glow Excitation). Předionizace se uskutečňuje pomocí vložené 

elektrody do prostoru mezi anodu a katodu, na kterou je přivedeno napětí o kmitočtu asi 

25 kHz. Takové uspořádání umožňuje zvýšit výkon dva až třikrát. Uspořádání je naznačeno 

na obr. 6. 25. 

Zvyšování výkonů laserů lze posuzovat i z ekonomických hledisek. Cena laserového 

zařízení roste s výkonem exponenciálně a mnohdy je levnější pro dosažení potřebného 

výkonu použít metodu skládání svazků zobrazené na obr. 6. 26. 

Obr. 6. 26 Metoda skládání svazků tří laserů k dosažení velkého výkonu. 

L1 , L2 , L3 - 3 ks laserů s prstencovým tvarem svazku, OBJ. - 

objektiv, Z1 - zrcadlo, Z2 , Z3 - zrcadla ve tvaru mezikruží, Z4 - 

zrcadlový systém k rozšíření průměru svazku 

Vzhledem k vysokým výkonům technologických laserů je nutné řešit systém zrcadel 

rezonátoru odlišně než u malovýkonových laserů. Nelze zde použít polopropustné zrcadlo 

vzhledem k tomu, že absorbovaný výkon by toto zrcadlo zničil. Z toho důvodu se používají 

systémy zrcadel se 100% odrazivostí, jak je naznačeno na obr. 6. 27. Typické pro takové 

uspořádání je svazek, jehož řez má tvar prstence.


Obr. 6. 27 Používané systémy zrcadel v rezonátoru výkonových laserů 

Současné zkušenosti ukazují, že při nasazení 

technologických laserů ve strojírenství nutno uvažovat 

výkony laserů pro řezání v rozsahu 500 až l 500 W, pro 

svařování v rozsahu 2 kW až 5 kW a pro tepelné 

zpracování materiálů v rozsahu 5 kW až 10 kW. 

Při řezání se souose s paprskem přivádí do prostoru 

řezu aktivní nebo inertní plyn pomoci laserové hlavice 

dle obr. 6. 28. Rozlišujeme tři způsoby řezání. 

- Laserové sublimační řezání - proudící inertní plyn 

odfukuje vzniklé páry z prostoru řezu. 

- Laserové tavné řezání - silný proud inertního plynu 

vyfukuje roztavený materiál z řezu. Není nutné zahřát 

materiál na teplotu varu. 

- Laserové řezání s aktivním plynem - používá se kyslík, 

který vyvolává exotermickou reakci při spalování 

materiálu. 

Obr. 6. 28 Laserová hlavice 

Při svařování hovoříme o bodovém svařování nebo vrtání, kdy používáme půlení režim 

laseru, a dále svařování podélných a rotačních svarů, kdy používáme kontinuální režim laseru. 

Laserová hlavice umožňuje svařování v inertní atmosféře. 

Tepelné povrchové zpracování materiálů je ve stadiu zkoušek vzhledem k extremním 

požadavkům na výkon laseru. Používá se rozmítá-ní svazku po povrchu materiálu nebo 

úprava svazku do čtvercového tvaru s rovnoměrným rozložením výkonu. 

Důležitou součástí všech typů laserů jsou optické systémy. Jak vyplynulo z předchozího 

textu, pracují lasery ve velmi široké oblasti vlnových délek od ultrafialové až po 

dlouhovlnnou infračervenou oblast. Je zřejmé, že v tomto rozsahu vlnových délek 

nevystačíme s klasickými optickými materiály. 

- Pro oblast ultrafialovou se používá nejčastěji křemenné sklo, případně KBr nebo NaCl v 

monokrystalické fázi. U posledně jmenovaného materiálu je použití omezeno vzhledem k 

jeho navlhavosti a dále rozpadu při vyšších teplotách. 

- Pro viditelnou oblast lze použít klasické skleněné optické materiály. 

- Pro infračervenou oblast nutno rozlišit tzv. blízkou IR oblast a vzdálenou IR oblast 

(dlouhovlnnou). Do vlnové délky asi 2 µm lze použít optiku z křemenného skla. Pro delší 

vlnové délky se využívá monokrystalů germania nebo křemíku, které jsou transparentní do 

vlnové délky 20 µm, resp. 15 µm. V současné době jsou vyvíjeny nové materiály zejména 

pro výkonové CO2 lasery. Používají se monokrystaly KCl, Ge, GaAs a ZnSe. Ge lze 

použít do hustoty výkonu asi 100 Wcm -2 , GaAs až do 200 Wcm -2 .


Pro snížení ztrát odrazem se vyráběné čočky opatřují antireflexní vrstvou nejčastěji 

z PbF2. Používá se i kombinace Ge a ZnS. 

Uvedené informace jen velmi stručně ukázaly na možnosti nasazení laserů v různých 

oblastech techniky. Zdaleka nebylo možné popsat všechny možnosti. Nebylo ani možné 

popsat podrobněji další důležité komponenty laserových zařízení jako optické systémy, 

systémy vedení a manipulace se svazkem nebo materiálem, řízení laserového komplexu 

počítačem atd. 

6. 6. ULTRAAKUSTICKÉ PROCESY 

6. 6. 1 Úvod 

V současné době se velmi rychle rozvíjí obor ultraakustika - nauka o fyzice 

ultrazvukového vlnění. Ultrazvuk se uplatňuje v mnoha přírodních vědách, odvětvích 

techniky i v lékařství. Jeho uplatnění lze nalézt jak v oblasti výzkumu, tak i v průmyslové 

aplikaci v moderních výrobních procesech. Podle účinků lze aplikační oblast ultraakustiky 

rozdělit na využívání tzv. aktivního ultrazvuku, který pracuje s vysokými intenzitami 

akustického pole a dále ultrazvuku pasivního, který pracuje s malými intenzitami akustického 

pole, vhodnými pro měřicí a diagnostické účely. 

V dnešní době se běžně provádí zkoušení kvality materiálu ultrazvukem (defektoskopie) 

, ve stavebnictví a geofyzice podává ultrazvuk informace o stavu materiálu a 

prostředí, využívá se k měření tlouštěk, výšky hladiny kapalin v nepřístupných prostředích, 

rychlosti proudění kapalin a plynů v potrubí přes stěnu nádoby nebo potrubí bezkontaktně atd. 

Propracovávají se nové metody ultrazvukové defektoskopie založené na vyhodnocování 

akustické emise, které umožňují sledovat růst trhlin a předvídat životnost vysoce namáhaných 

součástí, v chemickém průmyslu slouží ultrazvuk k laboratorní i provozní analýze vlastností 

kapalin, jako je koncentrace látek, hustota a viskozita. Ultrazvukem lze zjišťovat elastické 

vlastnosti látek, mechanická napětí i statické tlaky. Veškerá měření lze uskutečnit 

nedestruktivně i ve složitých prostředích. Aktivní ultrazvuk nachází uplatnění v celé řadě 

technologických procesů jako je cínování, pájení hliníku, obrábění, svařování kovů i plášťů, 

ale i při kontaktování v mikroelektronice. Uplatnění nachází i v chemickém průmyslu, kde se 

využívá jeho vlivu při urychlování chemických reakcí. Známé je využití ultrazvuku při 

vytváření stabilních emulzí a při čištění součástí. Ve výzkumu látek nalézá uplatnění studium 

hyperzvukového vlnění (nad 10 9 Hz), zaměřené na kvantovou akustiku v oblasti fononelektronové 

interakce. 

6. 6. 2 Fyzikální základy ultraakustiky 

6. 6. 2. 1 Základní pojmy 

6. 6. 2. 1. 1 Kmitání prostředí 

Ultrazvukem nazýváme mechanické kmity částic prostředí kolem rovnovážné klidové 

polohy s kmitočtem vyšším než 20 kHz. Z hlediska kmitočtového rozdělení mechanických 

kmitů prostředí zpravidla uvažujeme následující rozdělení: 

kmitočet nižší než 20 Hz - infrazvuk 

kmitočet od 20 Hz do 20 kHz - akustické pásmo (slyšitelné) 

kmitočet nad 20 kHz do l GHz - ultrazvuk 

kmitočet vyšší než l GHz - hyperzvuk


Mechanické kmity se šíří prostředím charakteristickou rychlostí v a přenáší energii 

šířící se stejnou rychlostí jako uvažované vlnění. Podle velikosti přenášené energie můžeme 

ultrazvuk rozdělit na aktivní a pasivní. Aktivním lze nazvat takové vlnění, které se projevuje 

fyzikálními nebo chemickými účinky. Pasivní ultrazvuk má naopak velmi malý výkon a jeho 

využití lze hledat v oblasti měřicí techniky a diagnostiky. 

Budeme-li uvažovat, že částice prostředí kmitají s malými amplitudami a jejich pohyb 

nemá větší odchylky od sinusového průběhu, lze takový druh kmitání popsat vlnovou rovnicí 

2 

2 

∂ u(t, x) ∂ u(t, x) 

= v , 

2 

2 

∂t 

∂x 

jejíž partikulární řešení pro rovinnou vlnu je rovnice pro harmonický pohyb 

resp. 

kde u je okamžitá výchylka (posunutí), 

Y je amplituda výchylky, 

ω = 2 π f je kruhový kmitočet, 

v je rychlost šíření vlny, 

x je souřadnice polohy, 

φ = ω (x/v) je fázový úhel. 

(6. 28) 

⎛ x ⎞ 

u(t, x) = Y sin ω ⎜ t − ⎟ 

(6. 29) 

⎝ v ⎠ 

u(t, x) = Y sin ( ω t -ϕ 

), 

(6. 30) 

Rychlost kmitání částice kolem rovnovážné polohy nazýváme akustickou rychlostí a můžeme 

ji stanovit derivováním průběhu posunutí u(t,x) podle času 

v a 

du(t, x) 

= = ω Y cos ( ω t -ϕ 

), 

(6. 31) 

dt 

Dopadá-li ultrazvukové vlnění na určité prostředí, potom každý bod se vychyluje ze své 

rovnovážné polohy. Velikost výchylky označujeme jako akustickou výchylku, která je dána 

polohovým vektorem bodu, ve kterém je v daném okamžiku vychýlená částice vzhledem ke 

své rovnovážné poloze. Amplituda rychlosti kmitavého pohybu je 

V = ωY = 2 π fY , 

(6. 32) 

Doba, po které se okamžité hodnoty výchylek částic opakují, se nazývá periodou T. Platí 

1 

T = , 

(6. 33) 

f 

Jestliže se akustická vlna šíří prostředím rychlostí v , platí mezi délkou vlny λ, periodou T a 

kmitočtem f vztah 

v 

λ = v T = , 

(6. 34) 

f 

Délku vlny můžeme definovat vždy jak při spojitém vlnění, tak i pro impulsy, kdy se v 

určitém časovém intervalu opakuje alespoň několik period kmitů.


6. 6. 2. 1. 2 Akustický tlak a intenzita 

Při průchodu ultrazvukové vlny daným prostředím, dochází k jeho zahušťování a 

zřeďování. S tím souvisí i změny tlaku, které mají harmonický charakter. Celkový tlak v 

daném prostředí bude 

∂u(t, 

x) 

K ⎛ x ⎞ 

p c = ps 

± p a = ps 

+ K = ps 

± ω Y cos ω ⎜ t − ⎟ , (6. 35) 

∂x 

v ⎝ v ⎠ 

kde ps je statický tlak v prostředí, 

pa je akustický tlak, 

K = v 2 ρ je modul objemové pružnosti prostředí, 

ρ je hustota prostředí. 

Pro akustický tlak můžeme tedy psát 

p a 

a jeho amplitudu 

⎛ x ⎞ 

= ω Y ρ v cos ω ⎜ t − ⎟ , 

(6. 36) 

⎝ v ⎠ 

Pa = ω Y ρ v , 

(6. 37) 

Vztah (6. 37) můžeme přepsat do tvaru 

kde 

Pa a 

= ω Y Z = V Z , 

(6. 38) 

Za = ρ v , 

(6. 39) 

je měrný akustický vlnový odpor. 

Šířící se vlnění v obecném prostředí přenáší energii, kde měřítkem přenosu za určitý čas 

je přenesený výkon. Při popisu prostorového vlnění je nutné hovořit o plošné hustotě 

přenášeného výkonu NS, jako podílu výkonu a plochy kolmé na směr šíření. Intenzita vlnění I, 

tj. střední hodnota měrného výkonu, je číselně dána střední hodnotou energie, která projde za 

jednotku času jednotkovou plochou S, orientovanou kolmo na směr šíření vlnění 

T 

1 

I = N s dt , 

T ∫ 

(6. 40) 

Za předpokladu platnosti vztahu 

obdržíme 

resp. 

N 

s 

0 

F v a S v a 

2 2 ⎛ x ⎞ 

= = p a = p a vs 

= Za 

ω Y cos ω ⎜ t - ⎟ , 

(6. 41) 

S S 

⎝ v ⎠ 

1 2 2 

I = ρ v ω Y , 

(6. 42) 

2 

2 

1 2 2 1 2 1 Pa 

1 

= Z a Y ω = Za 

V = = P V , 

(6. 43) 

T 

2 2 Z 2 

I a 

a


Z elektromechanických analogií odpovídá amplitudě akustického tlaku Pa amplituda 

elektrického napětí a amplitudě akustické rychlosti V amplituda intenzity střídavého proudu. 

Obdobně jako v elektrotechnice lze zavést efektivní hodnoty těchto veličin. 

P 

V 

= , V = 

(6. 44) 

2 

2 

Pef ef 

a jejich použitím lze upravit vztahy (6. 43) nebo zavést pojem výkon ultrazvukové vlny 

vztahem 

N ef ef 

= P V S , 

(6. 45) 

6. 6. 2. 1. 3 Odraz a lom ultrazvukových vln 

V homogenním prostředí se ultrazvukové vlnění šíří přímočaře. Dopadne-li na rozhraní 

dvou prostředí, a toto rozhraní má mnohem větší rozměry než je vlnová délka vlnění, dojde 

jednak k odrazu vlnění a jednak k lomu. Předpokládáme, že daná prostředí jsou 

charakterizována měrnými akustickými vlnovými odpory Zal a Za2 , které jsou různé. V 

případě rovnosti měrných akustických vlnových odporů k odrazu nedojde. Pro případ, že 

vlnová délka dopadajícího vlnění je řádově stejná s rozměry rozhraní, dojde k ohybu vlnění. 

V obecném případě může nastat celá řada kombinací různých faktorů (úhel dopadu - Šikmý 

dopad, kolmý dopad, velikost akustických vlnových odporů, z jakého prostředí do jakého se 

vlnění šíří atp.), které ovlivní směr a charakter výsledné akustické vlny. Na obr. 6. 29 jsou 

znázorněny dva případy šíření akustické vlny. 

Obr. 6. 29 Odraz a lom akustické vlny na rozhraní různých látek 

Na obr. 6. 29 a) je znázorněn případ, kdy akustická vlna přichází z kapalného (plynného) 

prostředí, které je charakterizováno měrným akustickým vlnovým odporem Za1. Budeme 

předpokládat, že se daným prostředím šíří čistě podélná (longitudinální) vlna L rychlostí v1 . 

Po dopadu na rozhraní kapalina (plyn) - tuhá látka pod úhlem α L dojde k odrazu vlny a tato 

odražená vlna bude mít charakter čistě podélné vlny L (příčné vlny nemohou v kapalném 

nebo plynném prostředí vzniknout). V daném případě se úhel dopadu bude rovnat úhlu 

odrazu. Po splnění jistých podmínek, které si uvedeme déle, přejde část energie akustické 

vlny do tuhé látky, kde se budou šířit dvě vlny. Jednak vlna podélná L pod úhlem β L a dále


vlna příčná (transverzální) T pod úhlem βT. Na obr. 6. 29 b) je naznačena situace, kdy podélná 

vlna L přichází z prostředí tuhé látky. Zpět do tohoto prostředí se odráží dvě vlny, a to 

podélní L a příčná T, zatímco lomem přešla do kapaliny(plynu) pouze vlna podélná L . 

Pro výpočet příslušných úhlů lomu lze použít vztah 

resp. 

sin α L v1L 

LL 

= = n12 

sin β L v 2L 

, 

(6. 46) 

sin α L v1L 

LT 

= = n12 

, 

(6. 47) 

sin β T v 2T 

kde v1L je rychlost šíření podélné vlny v prostředí l , 

v2T je rychlost šíření příčné viny v prostředí 2 , 

n12 je index lomu (indexy LL , resp. LT naznačují o jaký typ vlnění se jedná). 

Je-li v1 > v2 , potom je n12 > l a úhel dopadu může nabýt všech hodnot mezi 0° a 90°, ale úhel 

lomu je omezen mezním úhlem β m , který určíme ze vztahu 

1 

in m , 

n 

= β s (6. 48) 

12 

Je-li v1 < v2 , potom je n12 < l a úhel lomu může nabýt všech hodnot mezi 0° a 90°, ale úhel 

dopadu je omezen mezním úhlem αm , který určíme ze vztahu 

n , α s (6. 49) 

in m 12 = 

Dopadne-li vlnění pod větším úhlem než je mezní úhel α m , nedojde k lomu, ale k úplnému 

odrazu. Ze vztahu (6. 47) lze určit podmínku pro velikost úhlu dopadu α L , aby v pevné látce 

vzniklo nebo nevzniklo vlnění příčné T . V případě, že se šíří ultrazvukové vlnění pevnou 

látkou a dopadne na rozhraní s jinou pevnou látkou, mohou v obou prostředích vzniknout i 

příčné vlny a vzájemný vztah úhlů všech složek je dán Snellovým zákonem 

sin α 

v 

1L 

L 

sin β T sin α T sin β L 

= = = , 

(6. 50) 

v v v 

kde symbolika je obdobná jako na obr. 6. 29. 

2T 

Svým způsobem zvláštní je kolmý dopad na 

rozhraní, pomocí kterého si můžeme definovat 

tzv. součinitel odrazu, součinitel průchodu a vznik 

tzv. stojatých vln jako specifický výsledek 

interference vlnění. Kolmý dopad ultrazvukové 

vlny na rozhraní dvou prostředí je znázorněn na 

obr. 6. 30. Předpokládáme, že vlnění se šíří ve 

směru dráhy ℓ a je charakterizováno akustickým 

tlakem pa . Na rozhraní dojde jednak k odrazu, 

kdy část vlnění se vrací s akustickým tlakem pal a 

k průchodu, kdy část projde do druhého prostředí 

s akustickým tlakem pa2. Budeme-li uvažovat 

rovinnou vlnu v prostředí bez útlumu, bude platit: 

1T 

2L 

Obr. 6. 30 Kolmý dopad 

ultrazvukové vlny na rozhraní dvou 

prostředí


⎛ ⎞ 

p a = Pa 

sin ω 

⎜ t - = ρ1 

v1 

v a , 

v ⎟ 

⎝ 1 ⎠ 

⎛ ⎞ 

p a1 = Pa1 

sin ω 

⎜ t - = - ρ1 

v1 

v a1 , 

v ⎟ 

⎝ 1 ⎠ 

⎛ ⎞ 

p a2 = Pa2 

sin ω 

⎜ t - = - ρ 2 v 2 v a2 , 

v ⎟ 

⎝ 2 ⎠ 

(6. 51) 

(6. 52) 

(6. 53) 

S přihlédnutím k obr. 6.30 a ke skutečnosti kontinuity akustických tlaků a akustických 

rychlostí na rozhraní obou prostředí můžeme definovat součinitel odrazu R jako poměr 

odraženého akustického tlaku ke tlaku dopadajícímu 

kde 

P 

R = 

P 

a1 

a 

ρ 2 v 2 - ρ1 

v1 

= 

ρ v + ρ v 

1 

1 

2 

2 

1- 

m 

= 

1+ 

m 

, 

(6. 54) 

ρ1 

v1 

m = , 

(6. 55) 

ρ v 

2 

2 

Část vlnění současně projde do druhého prostředí a tato skutečnost je charakterizována 

součinitelem průchodu D 

Pa2 

2 ρ1 

v1 

D = = 

Pa 

ρ1 

v1 

+ ρ 2 v 2 

2 

= 

1+ 

m 

, 

Mezi součinitelem odrazu a průchodu akustických tlaků platí vztah 

(6. 56) 

D = 1 - R , 

(6. 57) 

6. 6. 2. 2 Šíření ultrazvuku v různých skupenských stavech 

6. 6. 2. 2. 1 Šíření ultrazvuku v plynech 

V plynech i kapalinách se mohou šířit pouze podélné akustické vlny. Rovnice pro 

rychlost šíření ultrazvuku lze odvodit z rovnic hydrodynamiky, Tyto rovnice přesněji popisují 

fyzikální děje v daném prostředí zvláště u intenzivních ultrazvukových polí. Pro první názor 

lze rychlost šíření ultrazvuku v ideálním plynu popsat vztahem 

v p = 

K 

= 

ρ 

χ p 

ρ 

, 

(6. 58) 

kde K je modul objemové pružnosti, 

ρ je hustota, 

p je tlak, 

χ je poměr měrných tepel (Poissonova konstanta) 

Při nevelkých změnách teplot a tlaků lze vyjádřit závislost šíření ultrazvukové vlny v plynu 

jako funkci teploty vztahem 

χ p 0 

= + bϑ 

= v p0 + bϑ 

= v (1+ 

b′ 

ϑ) 

, 

(6. 59) 

ρ 

v p 

p0 

0 

kde po je počáteční tlak při 0 °C,


b,b´ je absolutní, resp. relativní teplotní součinitel, 

ρo je počáteční hustota při 0 °C, 

ϑ je teplota ve °C. 

Uvedený vztah platí pro suchý plyn bez vodních par. V případě přítomnosti vodních 

par lze vztah (6. 59) upravit do tvaru 

= v (1+ 

b′ 

ϑ )(1+ 

a′ 

ϕ) 

, 

(6. 60) 

v p p0 

kde a` je konstanta, 

ϕ je poměrná vlhkost vzduchu v %. 

Například pro vzduch můžeme vztah (6. 60) psát ve tvaru 

v 

p 

-3 

-4 

= 331,82(1+ 

1,83.10 ϑ )(1+ 

2.10 ϕ) 

, 

(6. 61) 

Pro suchý vzduch při teplotě 20 °C obdržíme v = 343,96 ms -1 . Pro stejné podmínky, ale 

relativní vlhkost vzduchu 50 % , obdržíme vp = 347,4 m s -1 . 

6. 6. 2. 2. 2 Šíření ultrazvuku v kapalinách 

Rychlost šíření ultrazvukové vlny v kapalině je daná vztahem 

v 

k 

χ 1 

= = , 

(6. 62) 

γ ρ γ ρ 

kde γi je izotermická stlačitelnost, 

γa je adiabatická stlačitelnost, 

χ je Poissonova konstanta, 

i 

a 

Při zjednodušení a při nevelkých nárocích na přesnost lze vyjádřit důležitou závislost 

rychlosti šíření ultrazvukové vlny na teplotě empirickým vztahem, který vyhovuje pro většinu 

aplikací: 

[ 1+ 

b′ 

( ϑ ϑ ) ] , 

v k ≅ v k0 + b( ϑ-ϑ0) = v k0 − 0 

(6. 63) 

kde ϑo je referenční teplota, 

b, b ´ je absolutní, resp. relativní teplotní součinitel 

6. 6. 2. 2. 3 Šíření ultrazvuku v tuhých látkách 

Na rozdíl od plynů a kapalin existují v tuhých látkách mnohem větší meziatomární 

vazební síly, a proto mohou přenášet všechny druhy ultrazvukových vln. Při vyšetřování 

rychlosti šíření ultrazvukových vln v tuhých látkách je nutné rozlišovat zda se jedné o látky 

izotropní či anizotropní, tedy zda bude sledovaná rychlost závislá na orientaci a dále je nutné 

uvažovat tvar a rozměry tělesa vzhledem k vlnové délce ultrazvukového vlnění. V 

neohraničeném prostředí se šíří podélné vlny rychlostí 

E ⎡ ( 1− 

µ) ⎤ 

v L = , 

ρ 

⎢ 

( 1 µ) ( 1- 

2µ ) ⎥⎦ 

(6. 64) 

⎣ + 

kde E je Youngův modul pružnosti v tahu, 

µ je Poissonovo číslo. 

V prostředí, kde jsou jeden nebo dva rozměry ohraničeny (např. deska), platí:


v L = 

Pro tyč platí: 

E ⎡ 1 ⎤ 

2 ⎥ 

ρ 

⎢ 

⎣1- 

µ ⎦ 

, 

(6. 65) 

E 

v L = . 

(6. 66) 

ρ 

6. 6. 2. 3 Útlum ultrazvukového vlnění 

Útlumem ultrazvukového vlnění rozumíme pokles jeho energie, resp. akustického 

tlaku při průchodu daným prostředím. Útlum je dán jednak odrazem, lomem, ohybem a 

rozptylem zejména na nehomogenitách a rozhraních a jednak je dán absorpcí ultrazvukových 

vln, kdy se mechanická energie vlny mění v tepelnou. Budeme-li uvažovat, že v jistém místě 

x bude mít intenzita ultrazvuku,hodnotu I , potom úbytek intenzity ve směru vlnění dx bude 

dI = - βI . dx (6.67) 

a po integraci po celé dráze dostaneme 

I = I0 exp(-β x) = I0 exp(-2 α x) (6.68) 

kde β je koeficient absorpce vlnění, 

α je činitel útlumu prostředí. 

Pokles energie ultrazvukového vlnění při průchodu danou látkou lze studovat z několika 

hledisek. Jednak jako negativní jev, který je spojen se ztrátami intenzity akustického pole, 

jednak jako jev pozitivní, kdy danému prostředí předáváme část energie v podobě tepla atp., 

nebo můžeme poznatky využít, chceme-li zabránit šíření ultrazvuku do jistého prostoru 

realizací akustických clon nebo absorbérů ultrazvukového vlnění. 

6. 6. 3 Zdroje ultrazvuku 

Rozvoj ultraakustiky a zejména její aplikace v průmyslu vyžaduje široký výběr 

vhodných ultrazvukových zdrojů, jak z hlediska výkonového, kmitočtového rozsahu, tak i z 

hlediska provedení pro dané prostředí. Vlastní zdroj ultrazvukových kmitů se nazývá 

ultrazvukový měnič, který může pracovat na různých principech. Základní přehled 

ultrazvukových měničů je uveden v tabulce 6.3. V oblasti výkonových měničů používaných 

ve výrobních procesech jsou nejrozšířenější měniče magnetostrikční a piezoelektrické. 

Tabulka. 6. 3 Přehled ultrazvukových měničů 

Druh měniče 

Kmitočtový rozsah 

Aerodynamické generátory píšťaly 

10 až 20 kHz 

sirény 

16 až 100 kHz 

Hydrodynamické generátory 12 až 100 kHz 

Elektromagnetické 

Elektrodynamické 

Elektrostatické 

Magnetostrikční 

Elektrostrikční 

Piezoelektrické 

6. 6. 3. 1 Magnetostrikční ultrazvukové měniče 

do 24 kHz 

do 40 kHz 

do 70 kHz 

16 až 100 kHz 

20 až 100 kHz 

100 kHz až 10 10 Hz


Magnetostrikce je jev při kterém 

dochází k deformaci feromagnetických 

materiálů vložených do magnetického pole. 

Nejčastěji používané materiály využívající 

magnetostrikce jsou nikl, kobalt, permalloy 

(Fe + Ni) a ferity. Změna deformace daného 

materiálu při působení proměnné intenzity 

magnetického pole je naznačena na obr. 90a. 

Jak plyne z obr. 90b, je deformace mnohem 

větší u předmagnetovaného měniče a 

kmitočet je shodný s kmitočtem budicím. U 

nepředmagnetováného měniče je kmitočet 

mechanických kmitů dvojnásobný. 

Předmagnetizace se vytváří buď zvláštním 

vinutím na měniči nebo častěji pomocí 

permanentního magnetu. Uspořádání tzv. 

okénkového měniče je na obr. 6. 31. 

Obr. 6. 32 Průběh deformace v magnetostrikčním měniči 

a) bez předmagnetizace 

b) s předmagnetizací 

6. 6. 3. 2 Piezoelektrické ultrazvukové měniče 

Obr. 6. 31 Okénkový magnetostrikční 

měnič 

Piezoelektrické ultrazvukové měniče patří mezi nejčastěji používané zdroje, ale i 

snímače ultrazvukové energie. Pracují na principu přímého, resp. převráceného 

piezoelektrického jevu. Piezoelektrický jev můžeme definovat jako elektrickou polarizaci 

krystalů náležejících do určitých tříd,vyvolanou mechanickou deformací, která je úměrná 

deformaci a mění s ní shodně znaménko. Převrácený piezoelektrický jev je charakterizován 

deformací krystalů působením přiloženého elektrického pole. Je třeba říci, že polarizace 

jakéhokoliv dielektrika je spojena s určitou deformací. Tento jev se nazývá elektrostrikce. 

Elektrostrikce je obecnou vlastností látek a není podmíněna žádnou zvláštní strukturou 

dielektrika. Převrácený jev k elektrostrikci neexistuje. Deformace při elektrostrikci souvisí s 

energií elektrického pole a je tedy s určitým přiblížením úměrná čtverci intenzity elektrického


pole. Závislost deformace na intenzitě elektrického pole při elektrostrikci a při 

piezoelektrickém jevu je naznačena na obr. 6. 33 a) , resp. 6. 33 b). 

Obr. 6. 33 Závislost deformace látky na intenzitě elektrického pole 

a) při elektrostrikci 

b) při piezoelektrickém jevu 

Látky, které vykazují piezoelektrický jev musí splňovat jisté strukturální podmínky a lze 

je rozdělit do tří skupin. 

1. Látky s přirozenými piezoelektrickými vlastnostmi vyskytující se ve formě 

monokrystalů (křemen, turmalín, vínany a další). 

2. Monokrystalické látky uměle vytvořené (lithium niobát, lithium tantalát, germanium 

bizmut). 

3. Polykrystalické 

keramické materiály (bariumtitanáty, niobáty, tuhé roztoky 

zirkoničitanu-titaničitanu olovnatého). 

Z hlediska materiálového se v současné 

době dává v technické praxi přednost 

piezokeramice zejména na bázi tuhých roztoků PbZrO3-PbTiO3. Pouze pro vyšší kmitočty než 

15 MHz se stále používá křemenných měničů. Piezokeramika mé velmi výhodné vlastnosti 

zpracovatelské, kde se běžnými technologiemi dá vyrobit měnič libovolného tvaru a rozměru, 

ale i vlastnosti elektrické, kdy díky vysoké hodnotě relativní permitivity se dosahuje 

podstatně menší impedance a potřebné budicí napětí tak bylo sníženo až o dva řády (na 

hodnotu desítek až stovek voltů) oproti měničům křemenným. Nevýhodou keramických 

měničů oproti křemenným jsou vyšší dielektrické i mechanické ztráty, což spolu s nižšími 

hodnotami Curieovy teploty (při této teplotě zanikají piezoelektrické vlastnosti) omezuje 

pracovní teplotu vyzářený výkon měniče. Měniče, které pracují s trvalým výkonem nad 3 W 

cm -2 , musí být intenzívně chlazeny. Maximální výkon je omezen hodnotou 10 W cm -2 . 

Vlastní měnič je sestaven z keramické destičky vhodného tvaru,na jejímž povrchu jsou 

naneseny elektrody vytvořené nejčastěji vpalováním vhodného kovu. Různé typy jsou 

zobrazeny na obr. 6. 34.


Obr. 6. 34 Piezoelektrické ultrazvukové měniče 

a) půlvlnný měnič 

b) čtvrtvlnný měnič 

c) složený měnič 

Pro kmitočtový rozsah 200 kHz až 5 MHz se nejčastěji používá módu tlouštkově-podélných 

kmitů. Tvarově se volí měniče kruhové, čtvercové nebo obdélníkové desky, prstence, trubice 

a pro fokuzaci měniče vybroušené do kovexních 

tvarů. Podle způsobu vyzařování hovoříme o měniči 

oboustranně vyzařujícím nebo jednostranně vyzařujícím. 

Principiální uspořádání oboustranně 

vyzařujícího měniče je na obr. 6.35. 

Obr. 6. 35 Oboustranně vyzařující měnič 

Je třeba říci, že takové uspořádání se používá jen 

výjimečně a častěji se používá jednostranně vyzařujícího měniče, jehož principiální 

uspořádání je na obr. 6. 36. Jedna plocha keramické destičky 

(výbrusu) je v přímém kontaktu 

s prostředím, do kterého má 

vyzařovat a druhá plocha je od tohoto 

prostředí oddělena vzduchovým 

polštáře m. Vzhledem k tomu, 

že 

Obr. 6. 36 Jednostranně vyzařující měnič 

vyzářený akustický 

výkon je přímo 

úměrný impedanci prostředí, bude 

výkon vyzářený do vzduchového 

polštáře řádově menš í než výkon 

vyzářený např. do kapaliny. Na 

rozhraní vzduch-výbrus dojde téměř k 

úplnému odrazu akustické vlny 

a z 

toho důvodu bude akustická rychlost 

na vyzařující straně dvojnásobná než 

u oboustranně vyzařujícího měniče. 

Negativně se uplatňuje popsaný mechanismus při přiložení měniče na pevné prostředí, 

vznikne-li mezi měničem a tímto prostředím vzduchová mezera. Snížení vyzářeného výkonu 

se omezuje vyplněním této mezery olejem nebo vazelínou. 

Pro kmitočtové pásmo 10 kHz až 100 kHz je typické uspořádání měniče typu 

"sandwiche" naznačené na obr. 6. 37. Vlastní měnič je složen ze dvou částí zapojených 

paralelně a je sevřen svorníkem mezi dva kovové bloky. Takové uspořádání jednak snižuje 

rezonanční kmitočet celé soustavy a jednak umožňuje vytvořit v keramickém měniči tlakové


předpětí, což dovoluje zvýšení výkonu vyzářeného měničem. Při činnosti měniče je keramický 

materiál namáhán střídavě tahovým a tlakovým pnutím. Amplituda kmitů je omezena 

pevností daného materiálu v tahu vzhledem k tomu, že pevnost v tahu je několikrát nižší než 

pevnost v tlaku. Zavedením tlakové předpětí lze podstatně zvýšit amplitudu kmitů, jak je 

zřejmé z obr. 6. 38. 

Obr. 6. 37 Měnič typu "sandwiche" 

6. 6. 4 Akustické transformátory 

Ultrazvukové měniče popsané v 

předchozí části se jen výjimečně hodí k 

přímé aplikaci v konkrétním prostředí. 

Většinou je třeba realizovat další 

doplňkové části, které slouží 

k přímému 

navázání měniče na dané prostředí, k 

zavedení ultrazvukové energie do daného 

místa, ke koncentrování energie, zvýšení 

amplitudy kmitů, k přizpůsobení měniče 

atp. Důležitým prvkem, který plní dané 

požadavky, je tzv. akustický 

transformátor ( vlnovod). Nejjednodušší provedení je naznačeno na obr. 6. 39. 

Obr. 6. 38 Průběh deformace v keramice namáhané střídavým elastickým napětím 

a) bez předpětí b) s tlakovým předpětím


odkud 

Obr. 6. 39 Nejjednodušší provedení 

akustického 

transformátoru 

Toto provedení slouží pouze k 

navázání měniče s daným 

prostředím, když není možný 

přímý styk měniče Vlastní 

vlnovod je ve tvaru válce, jehož 

délka ℓ se vypočítá ze vztahu 

1 E v 

f = = , 

(6. 69) 

2 

ρ 2 

v 

= . 

(6. 70) 

2f 

kde E je modul pružnosti materiálu válce, 

ρ je hustota materiálu válce, 

v je rychlost objemového vlnění, 

f je vlastní kmitočet měniče. 

Je-li nutné transformovat výchylku vlnění k vyšším hodnotám, používají se 

transformátory (vlnovody) různých tvarů. Vlnovod je navržen tak, aby rezonoval na shodném 

kmitočtu jako měnič. Volba vhodného vlnovodu souvisí přímo se způsobem aplikace. 

6. 6. 5 Využití účinků ultrazvuku 

Ultrazvuk se využívá v měřicí technice k měření fyzikálních vlastností plynů a 

kapalin, ultrazvukem lze vyhodnocovat koncentraci směsí kapalin, kde se využívá závislosti 

rychlosti šíření ultrazvuku na koncentraci, ultrazvukem lze měřit i viskozitu kapaliny, 

ultrazvukem lze měřit např. elastické vlastnosti tuhých látek, měřit výšku hladiny a průtok 

kapalin. Použití ultrazvuku v defektoskopii je jednou z velmi progresivních aplikací 

ultraakustiky v technické praxi. Oblast využití ultrazvuku v praxi je v současné době již 

natolik rozsáhlá, že nelze s ohledem na vymezený rozsah předloženého textu postihnout 

celou problematiku. 

6. 6. 5. 1 Využití intenzivních ultrazvukových polí 

6. 6. 5. 1. 1 Chemické a fyzikální účinky ultrazvuku 

U intenzivního ultrazvukového pole byly pozorovány zejména jeho oxidační účinky a 

účinky urychlující chemické reakce. Oxidační účinky jsou způsobovány kavitací, kdy se 

uplatňuje elektrické pole, resp. elektrické mikrovýboje při vzniku kavitační kaverny. Byl 

pozorován vliv ultrazvuku na změnu elektromotorické síly galvanického článku, na snížení 

napětí při elektrolytickém vylučování kovů, urychluje se vylučování kovů při galvanickém 

pokovování atp. Intenzívní ultrazvuk mé v plynném prostředí obsahujícím pevné částice 

koagulační účinky, využívané v odprašovacích zařízeních. Naopak v kapalinách má význačné 

účinky disperzní. Těchto účinků se využívá k vytváření emulzí a suspenzí. Intenzivního


kavitačního pole se využívá např. v papírenském průmyslu při rozvláčňování buničiny. V 

potravinářském průmyslu se ultrazvuku používá k extrakci aromatických látek atp. Využití 

lze nalézt i v metalurgii, kde lze dosáhnout zjemnění zrna, vytvářet slitiny nemísitelných 

kovů, odplyňovat taveniny, urychlovat rozpouštění jednoho kovu ve druhém atp. 

6. 6. 5. 1. 2 Některé další příklady využití ultrazvuku ve výrobních procesech 

Intenzívní ultrazvukové pole lze využít k pájení hliníku a jeho slitin. V roztavené pájce 

vytvoří kavitační oblasti, které naruší oxid hliníku, zabraňující přilnutí pájky k vlastnímu 

kovu. Obnažený kov je před oxidací chráněn roztavenou pájkou, která přilne ke kovu. 

Uvedená metoda je použitelná jak pro vlastní pájení, kdy vyhřívaný hrot pájedla je 

rozkmitáván přes převodní člen magnetostrikčním měničem, tak i při pocínovávání 

hliníkového plechu, kdy se do lázně pájky umísťuje větší počet měničů vytvářející 

rovnoměrné ultrazvukové pole po celé šíři plechu. Při odstraňování okují ultrazvukem se po 

moření daná součást ponoří do vody, kde se okuje odstraní kavitačním účinkem. Dosahuje se 

až 50 % úspory času a 30 % úspory kyseliny oproti normálnímu postupu. Kavitačních účinků 

intenzivního ultrazvuku se využívá při čištění a 

odmašťování strojních součástí. Podle rozměrů 

součástí se volí pracovní kmitočet měniče od 

20 kHz až do l MHz při čištění malých otvorů. 

Současně se využívá chemických účinků 

vhodných kapalin. 

Obr. 6. 40 Princip ultrazvukového vrtání 

Při opracovávání tvrdých materiálů se 

používá obrábění ultrazvukovými vibracemi. 

Podstata vrtání je zobrazena na obr. 6. 40. 

Podélně kmitající trn je v kontaktu s obráběným 

materiálem v prostředí suspenze brusného prachu 

a vody. Vlastní vrtací proces uskutečňují částice 

brusiva. Vrtací nástroj je konstruován z pevného 

kovu a jeho tvar je vypočítán z hlediska jeho 

funkce jako akustický transformátor. 

Intenzívní ultrazvukové pole lze využít i v 

ík a jeho slitiny. Značné rozšíření této metody je 

zejména u svařování plastů, ale i textilu, 

obsahujícího větší procento plastů. Tímto 

způsobem lze svařovat všechny termoplasty i 

takové, u kterých nelze použít metodu 

vysokofrekvenčního ohřevu. Do 

místa styku 

dvou plastů se zavede intenzívní ultrazvukové 

pole za současného působení malého tlaku. 

Vzniklé teplo materiály nataví a tyto se spojí. 

Pevnost sváru dosahuje až 95 % pevnosti 

vlastního svařovaného materiálu. Intenzita 

ultrazvukového pole dosahuje hodnot až 

200 W/cm 2 

oblasti svařování. Z kovů jde zejména o hlin 

při kmitočtu kolem 20 kHz. 

Obr. 6. 41 Princip svařování plastů


Spojování dvou kovů pomocí ultrazvuku našlo uplatnění i v mikroelektronice při tzv. 

kontaktování. Používají se dvě metody, a to "Thermosonic" (TS) a "Ultrasonic" (US). 

Obr. 6. 42 Ultrazvukové kontaktování a) uspořádání pro metodu "Thermosonic" 

b) zvětšený detail sonotrody 

Obr. 6. 43 Ultrazvukové kontaktování a) uspořádání pro metodu "Ultrasonic" 

b) zvětšený detail sonotrody 

V této kapitole jsme jmenovali jen základní možnosti využití ultrazvuku v technice. V 

souvislosti s laserovou technikou jsou využívány účinky ultrazvuku v součinnosti s 

elektrickým polem k buzení tzv. chemických laserů. Akustické vlny v tuhých látkách mohou 

být využity k rozkladu světelného záření na tzv. akustických mřížkách atp. V oblasti filtrové 

techniky je rozpracována široká oblast filtrů s tzv. povrchovou akustickou vlnou (PAV), kde 

se využívá kmitání tenké povrchové vrstvy materiálů. Jistě by bylo možné jmenovat celou 

řadu dalších aplikací ultrazvuku v různých oblastech lidské činnosti.


6. 7. ELEKTROEROZÍVNÍ PROCESY 

6. 7. 1 Úvod 

Při elektroerozivních procesech využíváme tepelných účinků elektrického výboje 

vznikajícího mezi povrchem obráběné součásti a elektrodou použitou ve funkci pracovního 

nástroje. Počátky elektroerozivního opracování materiálů se datují rokem 1943, kdy byla 

rozpracována elektrojiskrová metoda obrábění vodivých materiálů. V současné době se 

používají tři základní technologie: elektrojiskrové, elektroimpulsní a elektrokontaktní. V 

prvém případě dochází k roztavení a odpaření mikroskopického objemu kovu v důsledku 

vysoké teploty elektrické jiskry, resp. teploty výbojového kanálu. Ve druhém případě je 

zdrojem tepla obloukový výboj. U elektrokontaktního způsobu je ohřev kovu způsoben 

teplem vzniklým průchodem proudu o vysoké proudové hustotě malou plochou dotýkajících 

se nerovností povrchu nástroje a obráběného materiálu. 

Elektroerozívní obrábění nachází široké uplatnění v průmyslu při obrábění těžko 

obrobitelných kovů, dále u komplikovaných tvarů obrobků, lisovacích forem, forem na 

odlévání, tvarově komplikovaných otvorů atp. Elektroerozívní proces lze mnohdy použít při 

náhradě klasického soustružení, frézování, broušení a vrtání. Mnohé tyto aplikace umožní 

nejen časové zkrácení výrobního procesu, ale umožní i výrobu takových součástí, které 

klasickými metodami vyrobit nelze. 

6. 7. 2 Proces elektroeroze 

Proces elektroeroze spočívá v roztavení, případně v odpaření, mikroskopického objemu 

kovu v důsledku vysoké teploty povrchu kovu v místě kde došlo k elektrickému výboji mezi 

dvěma elektrodami (opracovávanou součástí a pracovním nástrojem). Přivedeme-li na tyto 

elektrody impuls dostatečně vysokého elektrického napětí, dojde k elektrickému průrazu 

prostředí mezi elektrodami, což je buď to vzduch nebo častěji vhodná elektricky nevodivá 

kapalina. Na počátku výboje se elektrony pohybují mezielektrodovým prostředím od katody 

k anodě. Jejich existence je daná jednak vlastním mezielektrodovým prostředím a dále 

mohou vystupovat z povrchu katody (studená emise), kde na mikroskopických nerovnostech 

povrchu se vytvoří dostatečně vysoká intenzita elektrického pole pro vznik studené emise. Na 

své cestě k anodě způsobují elektrony nárazovou ionizaci. Dochází tak k lavinovitému vzniku 

nosičů proudu až se vytvoří vodivý kanál mezi anodou a katodou - elektrický výboj. Při 

nárazové ionizaci a vzniku elektrického výboje dochází k uvolňování energie ve formě tepla, 

světla a mechanické rázové vlny. Teplota kanálu výboje dosahuje až 40 000 °C. Laviny 

elektronů a iontů nesoucí jistě množství energie dopadají na elektrody a předávají jejich 

povrchu kinetickou energii, které se přemění v teplo. Přeměnou kinetické energie nosičů 

proudu v teplo na elektrodě a ohřevem povrchu elektrody teplem výbojového kanálu 

dosahuje teplota povrchu elektrody v místě výboje až 10 000 °C. Při tak vysoké teplotě se 

roztaví a odpaří mikroskopické množství kovu, a tak dochází k erozi povrchu obráběného 

materiálu. Proces eroze se podstatně zvyšuje, je-li mezi elektrodami kapalné prostředí. 

Použitá kapalina v procesu elektroeroze plní čtyři základní funkce. 

1) Zachycuje částice roztaveného kovu i kovové páry, které byly vyvrženy z povrchu 

elektrody při výboji. Dochází k jejich prudkému ochlazení, a tak se vytvoří disperze 

granulí. Nedojde tedy ke zpětnému usazení kovu na elektrodách, což by snižovalo 

kvantitativně proces eroze. 

2) Kapalina umožní odstranění produktů eroze z obráběné zóny, čistí tedy mezielektrodový 

prostor a tak stabilizuje celý proces. 

3) Zvyšuje elektrickou pevnost prostředí mezi elektrodami.


4) Ochlazuje elektrody. 

Proces eroze si můžeme znázornit pomocí obr. 6. 44, kde je nakreslen mikrorelief 

povrchu elektrod a schéma výboje. Při elektrickém průrazu kapalného prostředí mezi 

elektrodami se vytvoří ionizovaný kanál, kterým projde celá energie impulsu. Část energie se 

ztrácí v kapalině ve formě tepelných ztrát, rázové mechanické vlny, akustických ztrát, 

optickým zářením a 30 - 40 % energie elektrického impulsu způsobí vlastní ohřev elektrod. 

Po skončení výboje dochází k deionizaci prostředí mezi elektrodami. Následující výboj se 

obvykle realizuje na jiném místě povrchu elektrody mezi dalšími dvěma nejbližšími body 

elektrod. Takto dochází k erozi po celém 

povrchu elektrod až do okamžiku, kdy 

vzdálenost elektrod bude natolik velká, že k 

výboji již nedojde. Pokračování procesu je 

možné po dalším přiblížení elektrod, což se u 

skutečných zařízeni děje automaticky pomocí 

speciálního regulačního systému. 

Obr. 6. 44 Charakteristika elektrických 

impulsů 

l - výbojový kanál, 2 - plynová zóna, 

3 - roztavená oblast na elektrodách, 

4 - roztavené částice kovu, 

5 6. - 7. částice 2. 1 Charakteristika 

ochlazeného kovu v kapalině 

V procesu elektroeroze hraje velmi důležitou roli 

charakter elektrických impulsů. Z 

toho důvodu je nutné definovat si některé základní pojmy. Na obr. 68 jsou naznačeny tvary 

několika impulsů. Daný impuls je charakterizován polaritou, amplitudou Um, délkou τ a 

délkou periody T. Je zřejmé, že tvar impulsů může být mnohdy velmi komplikovaný. Délka 

impulsu τ je definována od počátku do konce impulsu, což mnohdy u komplikovaných tvarů 

nelze jednoznačně určit. 

V takových případech se 

za počátek a konec 

impulsu volí okamžik, 

kdy napětí impulsu 

dosáhlo 5 % nebo 10 % 

maximální amplitudy 

Um. U některých tvarů 

impulsů hovoříme o 

délce přímého impulsu 

τp a o délce obráceného 

impulsu τo. 

Obr. 6. 45 Tvary elektrických impulsů 

U elektroerozivních procesů se používá délka impulsů v rozsahu od 10 -7 do 10 -1 s. Důležitou 

-4 -4 

hodnotou je délka impulsu 10 s. Impulsy s délkou τ < 10 s se používají při elektrojiskrovém 

obrábění - hovoříme tedy o jiskrovém výboji a impulsy s délkou τ > 10 -4 s se používají 

při elektroimpulsním obrábění - hovoříme o obloukovém výboji. Velmi důležitou veličinou je 

dále poměr


T 

q = , 

(6. 71) 

ô 

Při elektroerozívním obrábění leží v rozmezí hodnot l až 30. Při elektrojiskrovém obrábění se 

používá hodnota q > 5 až 10. Při elektroimpulsním obrábění je hodnota q < 5. Amplituda 

proudu při výboji v elektroerozívních procesech leží ve velmi širokém rozsahu od jednotek 

ampérů do desítek tisíc ampérů. 

Kmitočet elektrických impulsů f můžeme vypočítat jednak z délky periody T nebo z 

poměru q a délky impulsu τ. 

1 1 

f = = 

(6. 72) 

T q ô 

Při elektroerozívním obrábění se používá kmitočet impulsů v rozsahu 100 Hz až 2 MHz. 

Důležitou charakteristikou elektrických impulsů používaných při elektroerozi je jejich 

forma. Obvykle se používají čtyři základní formy: unipolární se stejnosměrnou složkou, 

unipolární bez stejnosměrné složky, střídavé symetrické, střídavé nesymetrické. Při 

elektrojiskrové technologii se používají impulsy střídavé nesymetrické, při elektroimpulsní 

unipolární s i bez stejnosměrné složky, při elektrokontaktní střídavé symetrické i unipolární 

bez stejnosměrné složky. 

6. 7. 2. 2 Elektrodový systém 

Jak již bylo řečeno, elektrické výboje umožňující vlastní elektroerozívní proces 

vznikají mezi dvojicí elektrod, z nichž jedna je tvořena obráběnou součástí a druhá je použita 

ve funkci pracovního nástroje. Jak bylo naznačeno v předchozích částech, dochází k erozi na 

obou elektrodách. Je snahou, aby maximální kvantitativní efekt eroze probíhal na povrchu 

obráběné součásti. Tento požadavek je ale podmíněn celou řadou podmínek. 

Při použití unipolárních impulsů a stejného materiálu elektrod bylo zjištěno, že efekt 

eroze neprobíhá na obou elektrodách stejně, ale je ovlivněn délkou impulsů. U impulsů s 

malou délkou τ je větší eroze anody než katody. U impulsů s velkou délkou τ je tomu naopak. 

Tomuto jevu se říká polární efekt. Mechanismus polárního efektu není přesně vysvětlen. 

Uplatňují se zde složité procesy nerovnoměrného rozložení teploty na elektrodách, interakce 

částic s elektrodami, mechanické vlivy rázové vlny, kavitační vliv při vzniku a zániku 

kavitačních kaveren, složité mechanismy v plazmě atp. Z uvedených skutečností vyplývá 

první důležitý závěr, že při elektrojiskrovém obrábění je obráběné součást anodou a pracovní 

nástroj katodou. Při elektroimpulsním obrábění je tomu naopak. 

Použijeme-li na elektrody různé materiály, bude efekt eroze, při stejném charakteru 

impulsů, dán tepelněfyzikálními vlastnostmi použitých kovů, jako jsou teplota tavení TL, 

měrná hmotnost ρ, tepelné kapacita C a součinitel tepelné vodivosti λ. Tyto veličiny určují 

tzv. kriterium Palatnika 

Pk L 

= T ρ C λ . 

(6. 73) 

Podle velikosti hodnoty P k dle (6. 73) můžeme usoudit, který z kovů dříve dosáhne teploty 

tavení. Čím vyšší bude hodnota Pk, tím nižší bude tzv. elektroerozívní obrobitelnost. 

Názornější srovnání elektroerozívní obrobitelnosti lze ukázat pomocí tabulky 6. 3. 

Jestliže vezmeme za základ elektroerozívní obrobitelnost oceli, bude poměrná obrobitelnost 

ostatních kovů dle zmíněné tabulky.


Tabulka 6.3 

Kov 

Poměrná 

obrobitelnost 

Kov 

hořčík 6,0 nikl 0,8 

hliník 4,0 titan 0,6 

měď 1,1 molybden 0,5 

ocel 1,0 wolfram 0,3 

Poměrná 

obrobitelnost 

Elektroda pro funkci pracovního nástroje se vyrábí různými technologiemi jako je 

soustružení, frézování, broušení, odlévání do fore m atp. 

Pro výrobu nepravidelných tvarů lze 

použít i galvanoplastickou metodu. V poslední době se 

vyrábí některé elektrody pro funkci 

pracovního nástroje technologiemi užívanými v práškové metalurgii. Vzhledem k relativně 

vysoké pórovitosti těchto materiálů vniká do pórů použitá pracovní kapalina, které se vlivem 

vysoké teploty výbojů rozkládá a vytváří na povrchu nástroje grafitovou vrstvu. Při volbě 

vhodných parametrů impulsů je elektroeroze takových nástrojů prakticky nulová. 

6. 7. 3 Metody generování elektrických impulsů 

Různé tvary elektrických impulsů o daných parametrech, používané v elektroerozívních 

procesech, se generují v podstatě třemi metodami - elektricky, mechanicky nebo 

kombinovaným způsobem. 

Elektrický nebo kombinovaný způsob se používá při elektrojiskrové nebo 

elektroimpulsní technologii. Jedná se o speciální generátory proudových elektrických impulsů 

regulovaných v širokém rozsahu amplitudy proudu, frekvence, délky impulsů a jejich 

polarity. 

Při mechanické metodě generování periodických impulsů proudu do obráběné zóny se 

využívá mechanického přibližování a vzdalování elektrod napájených stejnosměrným nebo 

střídavým proudem ze speciálního usměrňovače nebo přímo z transformátoru. Tato metoda se 

využívá při elektrokontaktní technologii. 

Generátory pro elektrojiskrovou nebo elektroimpulsní technologii se dělí na tzv. 

nezávislé a závislé. U závislých generátorů jsou parametry impulsů ovlivněny vzdáleností 

elektrod a vlastnostmi prostředí mezi nimi. U nezávislých generátorů jsou parametry impulsů 

dány vlastnostmi generátoru. Blokové schéma nezávislého generátoru je na obr. 6. 46. 

Obr. 6. 46 Blokové schéma 

nezávislého generátoru impulsů 

l - zdroj, 2 - proudový regulátor, 

3 - akumulátor energie, 

4 - spínací obvod, 

5 - elektrodový systém 

Závislé generátory se mohou realizovat buď jako relaxační 

s prvky RC nebo RLC, 

dále 

tyristorové s prvky RLC, generátory s usměrňovači atp. Některé typy jsou pro ilustraci 

uvedeny na obr. 6. 47 a, b, c, d. Generátory zobrazené na obr. 6. 47 a, b mohou mít ještě 

celou 

řadu modifikací podle kombinace prvků RLC jako např. RLCL, RCR, RCL, LRC, LC atp.


Obr. 6. 47 Některé typy impulsních generátorů 

a) typ RC, b) typ RLC, c) typ CC, d) typ s usměrňovačem 

l - zdroj stejnosměrného proudu, 2 - zdroj střídavého proudu 

6. 7. 4 Použití elektroerozivních procesů 

6. 7. 4. 1 Elektrojiskrové technologie 

Elektrojiskrové technologie se používá při obrábění materiálů z tvrdých slitin a z 

těžkoobrob itelných materiálů. Používá se pro zhotovení nejrůznějších výrobků složitých 

tvarů, povrchů různých profilů, drážek, precizních otvorů, sítek, membrán atp., v různých 

odvětvích strojírenství, přístrojové technice, mikroelektronice atd. 

Elektrojiskrová technologie je charakterizována výbojem o krátké délce τ = 10 -4 až 

10 -7 s, koeficientem q > 5 až 10 a relativně nevelkou energii impulsů do 5 J. Uskutečňuje se 

při tzv. přímé polaritě elektrod - nástroj je katodou, obrobek anodou. Zvolený režim ovlivňuje 

i přesnost s jakou můžeme daný výrobek opracovat. U elektrojiskrového obrábění dosahujeme 

přesnosti 0,2 až 0,005 mm. 

U elektrojiskrové technologie se často používá postup řezání materiálů pomocí drátové 

elektrody. Princip metody je zřejmý z obr. 6. 48. Jako elektroda se používá napínaný drát a 

příslušný tvar řezné dráhy se dosahuje vzájemným posuvem drátu a obrobku. Pracovní 

prostor, tj. prostor mezi drátovou elektrodou a obrobkem bývá obdobně jako v předchozích 

případech zaplněn vhodným dielektrickým materiálem, nejčastěji deionizovanou vodou. V 

zásadě jsou možné tři způsoby pohybu: 

a) Osa drátu se nepohybuje a pohyb vykonává pouze obrobek ve dvou směrech X a Y. 

b) Osa drátu se pohybuje v jednom směru a obrobek se pohybuje ve směru kolmém na 

směr pohybu drátu. 

c) Obrobek je pevně upevněn a pohyb vykonává osa drátu ve směrech X a Y. 

Drát elektrody mívá průměr 0,02 až 0,3 mm a zhotovuje se z mědi, mosazi, molybdenu nebo z 

oceli. Drát se odvíjí ze zásobní cívky, aby v místě řezu byla zabezpečena konstantní tloušťka 

nového 

drátu, jelikož eroze drátové elektrody je značná.


Obr. 6. 48 Princip metody elektrojiskrového řezáni materiálu pomocí drátové elektrody 

ZC - zásobní cívka s drátem, D – drát, NZ - napínací zařízení, NC – navíjecí 

cívka, 

PS - pracovní stůl a obrobkem 

Moderní vyřezávačky jsou plně řízeny číslicovou technikou (NC), (CNC). Řídicí 

systém ovládá směr a rychlost pohybu drátu, resp. obrobku, řídí generátor impulsů, jeho 

výkon, kmitočet impulsů atp. Vlastní proces je obvykle časově rozčleněn do tří režimů, a to 

tzv. hrubé opracováni, jemné opracování a dokončovací opracování. Každý z těchto režimů se 

liší zejména parametry výboje a tím i množstvím rozrušeného materiálu. Typické hodnoty 

jsou pro hrubé opracování více než 3 mm 3 s -1 , pro jemné opracováni od 0,5 do 3 mm 3 s -1 a 

pro dokončovací opracování méně než 0,5 mm 3 s -1 . 

Výho dy elektrojiskrové technologie jsou vysoká přesnost obrábění, relativně velká 

obráběná plocha, malá hloubka poškození 

povrchu výboji, snadná automatizovatelnost 

procesu a snadná změna režimu obrábění v širokém rozsahu. 

Mezi nevýhodnými vlastnostmi lze jmenovat relativně nízkou produktivitu a vysoké 

opotřebování elektrody - nástroje. 

6. 7. 4. 2 Elektroimpulsní technologie 

Elektroimpulsní technologie se používá obdobně jako technologie elektrojiskrová 

všude tam, kde potřebujeme vysokou produktivitu při menších nárocích na přesnost 

obrábění. Používá se při výrobě lisovacích forem, forem pro odlévání složitých tvarů, 

výrobků z tvrdých slitin atd. 

Elektroimpulsní technologie je charakterizovaná obloukovým výbojem o dlouhé délce 

τ = 10 -4 až 10 -1 s, koeficientem q < 5 a energií impulsů několik desítek J. Polarita elektrod je 

nepřímá, tj. nástroj je anodou a obrobek katodou. 

Produktivita obrábění závisí zejména na středním výkonu impulsů, resp. na energii 

3 

impulsu 

a použitém kmitočtu f. Lze dosáhnout hodnot až 500 mm s -1 odběru materiálu. 

Výhody elektroimpulsní metody jsou vysoká produktivita, široký rozsah změny režimů, 

možnost automatizace procesu a malé opotřebování elektrody - nástroje. 

Mezi nevýhodnými vlastnostmi lze jmenovat nevelkou přesnost obrábění, relativně 

malou obráběnou plochu a velkou hloubku poškození povrchu výboji.


Pro ilustraci jsou na obr. 6. 49 schematicky znázorněny některé operace při použití výše 

uvedených technologiích. 

Obr. 6. 49 Příklady elektroerozívního opracování materiálů 

6. 7. 4. 3 Elektrokontaktní technologie 

Elektrokontaktní technologie se používá pro obrábění těžkoobrobitelných vodivých 

materiálů, kde může nahradit "klasické" operace soustružení, frézování, broušení, řezání atp. 

Vlastní elektroerozívni proces je dán dvěma jevy. V prvém případě dochází k taven 

odběru materiálu teplem vzniklým průchodem proudu o vysoké proudové hustotě dané ma 

plochou dotýkajících se mikronerovností povrchu nástroje a obráběného materiálu. Plošné 

hustota proudu může dosahovat hodnot až řádově 10 6 A mm -2 í a 

lou 

. Druhý jev, který urychluje 

erozi, je vznik obloukového výboje, který vzniká již při napětí mezi elektrodami 10 až 20 V. 

Elektrokontaktní technologie se používá ve dvou modifikacích. V prvním případě jsou 

elektrody umístěny ve vzduchu a do styčného místa lze přivést výkon až 500 kW při 

proudech do 20 000 A. Ve druhém případě jsou elektrody ponořeny v kapalině (obvykle ve 

vodě) a pracuje se s výkonem do 70 kW při proudech do 3 000 A. Při práci ve vzduchu tato 

technologie vykazuje vysokou produktivitu, ale poškození povrchu obrobku dosahuje značné 

hloubky. Při použití kapaliny je toto poškození podstatně menší, lépe se chladí elektrody, 

snadněji se odstraňuje (vyplavuje) kov z místa dotyku, ovšem za cenu snížení produktivity. 

Aby se snížilo opotřebení elektrody - nástroje, používají se elektrody rotačních tvarů. 

Při činnosti se elektroda - nástroj otáčí a rychlost pohybu v místě styku dosahuje až 60 m s -1 . 

Podle režimu činnosti, typu elektrod atp., se pohybuje opotřebení elektrody nástroje do 5 %, 

vztaženo na odběr materiálu z obrobku.


Výhody elektrokontaktní metody je vysoké produktivita a možnost jejího dalšího 

zvyšování při zvyšování výkonu zdrojů proudu, možnost činnosti jak při stejnosměrném, tak i 

při střídavém proudu, činnost ve vzduchu i v kapalině atp. 

Jako nevýhodné se ukazuje relativně malá obráběná plocha, velká zóna teplotního vlivu 

(velký ohřev celého obrobku) a rozstřik roztaveného kovu.

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy Garant předmětu

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?