Beispiele für die Verwendung keramischer Werkstoffe in der Elektrotechnik und der Elektroindustrie

Keramik - gemischte und speziell behandelte fein gemahlene anorganische Substanzen - ist in der modernen Elektrotechnik weit verbreitet. Die allerersten Keramikmaterialien wurden genau durch Sinterpulver erhalten, aufgrund derer ein starkes, hitzebeständiges, gegenüber den meisten Medien inertes Produkt mit geringen dielektrischen Verlusten, beständig gegen Strahlung, das unter Bedingungen variabler Feuchtigkeit, Temperatur und Druck der Keramik langfristig arbeiten kann. Und dies ist nur ein Teil der bemerkenswerten Eigenschaften von Keramik.

In den 50er Jahren begann die Verwendung von Ferriten (komplexe Oxide auf Eisenoxidbasis) aktiv zu wachsen. Dann versuchten sie, speziell vorbereitete Keramiken in Kondensatoren, Widerständen, Hochtemperaturelementen für die Herstellung von Mikroschaltungssubstraten und ab Ende der 80er Jahre in Hochtemperatursupraleitern zu verwenden . Später wurden Keramikmaterialien mit den erforderlichen Eigenschaften speziell entwickelt und hergestellt - eine neue wissenschaftliche Richtung in der Materialwissenschaft hat sich entwickelt.

Die dreiphasige Struktur von Keramik besteht aus: kristallinen, glasartigen und Gasphasen. Die Hauptphase ist kristallin, es sind feste Lösungen oder chemische Verbindungen, die die Haupteigenschaften des resultierenden Materials spezifizieren.

Die Glasphase ist eine Schicht zwischen den Kristallen oder einzelnen Mikropartikeln, die als Bindemittel dienen. Die Gasphase befindet sich in den Poren des Materials. Das Vorhandensein von Poren unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt die Qualität der Keramik.

1. Thermistoren

Gemischte Übergangsmetalloxidthermistoren werden als Thermistoren bezeichnet. Sie haben einen positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten und einen negativen Temperaturwiderstandskoeffizienten (PTC oder NTC).

Das Herzstück eines solchen Details ist ein keramischer Halbleiter, der durch Sintern einer Mehrphasenstruktur aus körnigen Nitriden und Metalloxiden in Luft hergestellt wird.

Das Sintern wird bei einer Temperatur von ca. 1200 ° C durchgeführt. In diesem Fall sind die Übergangsmetalle: Nickel, Magnesium, Kobalt.

Die spezifische Leitfähigkeit eines Thermistors hängt hauptsächlich vom Oxidationsgrad und von der aktuellen Temperatur der resultierenden Keramik ab, und eine zusätzliche Änderung der Leitfähigkeit in die eine oder andere Richtung wird durch Einbringen einer kleinen Menge von Additiven in Form von Lithium oder Natrium erreicht.

Thermistoren sind winzig, sie bestehen aus Perlen, Scheiben oder Zylindern mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 4 cm und Drahtleitungen. Eine Perle wird an den Platindrähten befestigt, dann wird die Perle mit Glas bedeckt, das bei 300 ° C gesintert wird, oder die Perle wird innerhalb des Glasrohrs versiegelt.

Bei Scheiben wird von beiden Seiten eine Metallbeschichtung auf die Scheibe aufgebracht, auf die die Schlussfolgerungen gelötet werden. Diese Keramikteile finden sich häufig auf Leiterplatten sehr vieler elektrischer Geräte sowie in Wärmesensoren.

Siehe auch auf unserer Website:

Verwendung von Thermistoren in Temperatursensoren

So wählen Sie den richtigen Temperatursensor

Gerät und Funktionsprinzip von Thermistor-Feuchtesensoren

2. Heizelemente

Keramische Heizelemente sind ein Widerstandsdraht (Wolframdraht), der von einem Mantel aus Keramikmaterial umgeben ist. Insbesondere werden industrielle Infrarotstrahler hergestellt, die gegenüber extremen Temperaturen beständig und gegenüber chemisch aggressiven Umgebungen inert sind.

Da in diesen Elementen der Zugang von Sauerstoff zur Spirale ausgeschlossen ist, oxidiert das Metall der Spirale während des Betriebs nicht.Solche Heizungen können jahrzehntelang arbeiten, und die Spirale im Inneren bleibt intakt.

Siehe dieses Thema:

Wie sind moderne Heizelemente angeordnet?

Vergleich von Heizelementen und Keramikheizungen

Ein weiteres Beispiel für den erfolgreichen Einsatz eines keramischen Heizelements in der Elektrotechnik ist ein Lötkolben. Hier wird die Keramikheizung in Form einer Rolle hergestellt, in der fein dispergiertes Wolframpulver spiralförmig auf ein keramisches dünnes Substrat aufgebracht wird, das in ein Rohr um einen Aluminiumoxidstab gewalzt und in einem Wasserstoffmedium bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1500 ° C eingebrannt wird.

Das Element ist langlebig, seine Isolierung ist von hoher Qualität und seine Lebensdauer ist lang. Das Element hat eine charakteristische technologische Rille.

Weitere Informationen zu Keramikklammern finden Sie hier - Entwürfe moderner elektrischer Lötkolben

Heizrate des Keramiklötkolbens:

3. Varistoren

Der Varistor hat einen nichtlinearen Widerstand, der mit der an seine Anschlüsse angelegten Spannung verbunden ist. In dieser I-V-Charakteristik des Varistors ähnelt er einem Halbleiterbauelement - einer bidirektionalen Zenerdiode.

Keramischer kristalliner Halbleiter für einen Varistor wird auf der Basis von Zinkoxid unter Zusatz von Wismut, Magnesium, Kobalt usw. durch Sintern hergestellt. Es ist in der Lage, im Moment des Schutzes des Stromkreises vor einem Stromstoß viel Energie abzuleiten, selbst wenn sich herausstellt, dass ein Blitz oder eine scharf getrennte induktive Last die Quelle des Stoßes ist.

Keramikvaristoren verschiedener Formen und Größen - dienen in Wechsel- und Gleichspannungsnetzen, in Niederspannungsnetzteilen und in anderen angewandten Bereichen der Elektrotechnik. Am häufigsten findet man Varistoren auf Leiterplatten, wo sie traditionell in Form von Scheiben mit Drahtleitungen dargestellt werden.

Beispiele für die Verwendung von Keramikvaristoren in der Technologie:

Modulare Überspannungsableiter zum Schutz der Verkabelung

Überspannungsschutz für Haushaltsgeräte

Überspannungsschutz für Leistungshalbleiterbauelemente

4. Keramische Substrate für integrierte Schaltkreise

Isolierende wärmeleitende Substrate für Transistoren bestehen nicht nur aus Silikon, sondern auch aus Keramik. Am beliebtesten sind keramische Aluminiumoxidsubstrate, die sich durch hohe Festigkeit, gute Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegen mechanischen Abrieb und geringe dielektrische Verluste auszeichnen.

Aluminiumnitridsubstrate weisen eine 8-mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid auf. Und Zirkonoxid zeichnet sich durch eine noch höhere mechanische Festigkeit aus.

5. Keramikisolatoren

Keramikisolatoren aus elektrotechnischem Porzellan sind in der Elektrotechnik traditionell weit verbreitet. Hochspannungsgeräte sind ohne sie nicht denkbar. Die Besonderheit dieser Art von Keramik besteht darin, dass Sie aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften Produkte mit komplexen Formen und nahezu jeder Größe herstellen können. Gleichzeitig ist der Sintertemperaturbereich von Porzellan breit genug, um beim Brennen des Isolators über das gesamte Volumen des Produkts eine ausreichend gute Gleichmäßigkeit zu erzielen.

Mit zunehmenden Beanspruchungen besteht die Notwendigkeit, die Größe von Isolatoren aus elektrotechnischem Porzellan zu erhöhen, und die Festigkeit und Ausfällungsbeständigkeit machen die Porzellanmasse nur für die Hochspannungselektrotechnik unverzichtbar. 50% - Ton und Kaoline, sie bieten die Duktilität von elektrischem Porzellan sowie dessen Formbarkeit und Festigkeit im gehärteten Zustand. Der Mischung zugesetzte Feldspatmaterialien erweitern den Temperaturbereich des Sinterns.

Obwohl viele moderne Keramikmaterialien in gewisser Hinsicht das elektrotechnische Porzellan übertreffen, erfordert technologisches Porzellan keine teuren Rohstoffe, es besteht keine Notwendigkeit, die Brenntemperatur zu erhöhen, und seine Duktilität ist anfangs ausgezeichnet.

6. Supraleiter

Das Supraleitungsphänomen, das zur Erzeugung der stärksten Magnetfelder verwendet wird (insbesondere wird es in Zyklotrons verwendet), wird realisiert, indem Strom ohne Wärmeverlust durch einen Supraleiter geleitet wird. Um das obige Ergebnis zu erzielen, werden Supraleiter vom Typ II verwendet, die durch die gleichzeitige Koexistenz von Supraleitung und Magnetfeld gekennzeichnet sind.

Dünne Filamente eines normalen Metalls durchdringen die Probe, und jedes Filament trägt ein Magnetflussquant. Bei niedrigen Temperaturen müssen im Bereich des Siedepunkts von Stickstoff (über –196 ° C) wiederum Keramiken mit gut getrennten Kupfer-Sauerstoff-Ebenen (Supraleiter auf Cupratbasis) verwendet werden.

Der Supraleitungsrekord gehört zu der 2003 entdeckten Keramikverbindung Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), die bei einem Druck von 400 kbar selbst bei Temperaturen bis zu –107 ° C zum Supraleiter wird. Dies ist eine sehr hohe Temperatur für die Supraleitung.

Weitere Informationen zu diesem Thema: Hochtemperatursupraleitung und ihre Anwendung