Exemple de utilizare a materialelor ceramice în inginerie electrică și industria electrică

Ceramica - amestecată și tratată special substanțe anorganice măcinate fin - este utilizată pe scară largă în inginerie electrică modernă. Primele materiale ceramice au fost obținute tocmai prin pulberi de sinterizare, datorită cărora o rezistență puternică, termică, inertă pentru majoritatea mediilor, având pierderi dielectrice mici, rezistente la radiații, capabile să lucreze pe termen lung în condiții de umiditate variabilă, temperatură și presiune a ceramicii. Și aceasta este doar o parte din proprietățile remarcabile ale ceramicii.

În anii 50, utilizarea feritelor (oxizi complexi pe bază de oxid de fier) ​​a început să crească activ, apoi au încercat să folosească ceramică special pregătită în condensatoare, rezistențe, elemente cu temperaturi ridicate, pentru fabricarea substraturilor de microcircuite și începând de la sfârșitul anilor 80, în superconductori la temperatură înaltă . Ulterior, materialele ceramice cu proprietățile cerute au fost dezvoltate și create special - s-a dezvoltat o nouă direcție științifică în știința materialelor.

Structura trifazică a ceramicii este formată din: faze cristaline, sticloase și gazoase. Faza principală este cristalină, este soluții solide sau compuși chimici care specifică principalele proprietăți ale materialului rezultat.

Faza vitroasă este un strat între cristale sau microparticule individuale care servesc ca liant. Faza gazoasă este în porii materialului. Prezența porilor, în condiții de umiditate ridicată, afectează calitatea ceramicii.

1. Termistoare

Termistorii cu oxid de metal de tranziție mixtă se numesc termistori. Acestea vin cu un coeficient de rezistență pozitiv al temperaturii și un coeficient de rezistență negativ al temperaturii (PTC sau NTC).

În centrul unui astfel de detaliu se află un semiconductor ceramic realizat prin sinterizarea în aer a unei structuri multifazice de nitruri granulare și oxizi metalici.

Sinterizarea se realizează la o temperatură de aproximativ 1200 ° C. În acest caz, metalele de tranziție sunt: ​​nichel, magneziu, cobalt.

Conductivitatea specifică a unui termistor depinde în primul rând de gradul de oxidare și de temperatura curentă a ceramicii rezultate, iar o schimbare suplimentară a conductivității într-o direcție sau alta este realizată prin introducerea unei cantități mici de aditivi sub formă de litiu sau sodiu.

Termistoarele sunt minuscule, sunt realizate sub formă de margele, discuri sau cilindri cu un diametru de 0,1 mm până la 4 cm, cu sârme de sârmă. O perlă este atașată la firele de platină, apoi mărgeaua este acoperită cu sticlă, care este sinterizată la 300 ° C sau marginea este sigilată în interiorul tubului de sticlă.

În cazul discurilor, un disc metalic este aplicat pe disc din ambele părți, la care se lizează concluziile. Aceste piese ceramice pot fi adesea găsite pe plăci de circuite imprimate cu foarte multe dispozitive electrice, precum și în senzori termici.

Vedeți și pe site-ul nostru:

Utilizarea termistorilor în senzori de temperatură

Cum să alegeți senzorul de temperatură potrivit

Dispozitivul și principiul funcționării senzorilor de umiditate a termistorului

2. Elemente de încălzire

Elementele de încălzire din ceramică sunt un fir rezistiv (wolfram) înconjurat de o teacă de material ceramic. În special, încălzitoarele cu infraroșu industriale, care sunt rezistente la temperaturi extreme și inerte la medii agresate chimic sunt fabricate în special.

Întrucât în ​​aceste elemente accesul oxigenului la spirală este exclus, metalul spiralei nu se oxidează în timpul funcționării.Astfel de încălzitoare sunt capabile să funcționeze zeci de ani, iar spirala din interior rămâne intactă.

Vezi acest subiect:

Cum sunt aranjate elementele de încălzire moderne?

Comparație de elemente de încălzire și încălzitoare ceramice

Un alt exemplu de utilizare cu succes a unui element de încălzire ceramică în inginerie electrică este un fier de lipit. Aici, încălzitorul din ceramică este realizat sub formă de sulă, în interiorul căruia pulberea de tungsten fin dispersată este aplicată helicologic pe un substrat subțire de ceramică, care este rulat într-un tub în jurul unei tije de oxid de aluminiu și copt într-un mediu cu hidrogen la o temperatură de ordinul a 1500 ° C.

Elementul este durabil, izolarea sa este de înaltă calitate, iar durata sa de serviciu este lungă. Elementul are un șanț tehnologic caracteristic.

Pentru mai multe informații despre paranteze ceramice, consultați aici - Proiecte de fier modern de lipit electric

Rata de încălzire a fierului de lipit din ceramică:

3. Varistori

Varistorul are o rezistență neliniară asociată tensiunii aplicate terminalelor sale, în această caracteristică I-V a varistorului este oarecum similară cu un dispozitiv semiconductor - o diodă bi-direcțională zener.

Semiconductorul cristalin din ceramică pentru un varistor se realizează pe baza oxidului de zinc cu adăugarea de bismut, magneziu, cobalt etc., prin sinterizare. Este capabil să disipeze multă energie în momentul protejării circuitului de o supratensiune, chiar dacă fulgerul sau o sarcină inductivă puternic deconectată se dovedește a fi sursa de șoc.

Varistori ceramici de diferite forme și dimensiuni - servesc în rețelele de tensiune AC și DC, la alimentarea cu tensiune joasă și în alte domenii aplicate ale ingineriei electrice. Cel mai adesea se pot găsi variante pe plăci de circuite imprimate, unde sunt prezentate în mod tradițional sub formă de discuri cu cabluri.

Exemple de utilizare a varistorilor ceramici în tehnologie:

Arzătoare modulare pentru a proteja cablarea

Protecții de supratensiune pentru electrocasnice

Protecție la supratensiune pentru dispozitivele cu semiconductor de putere

4. Substraturi ceramice pentru circuite integrate

Substraturile termoizolante pentru tranzistoare nu sunt numai siliconice, ci și ceramice. Cele mai populare sunt substraturile de alumină ceramică; se caracterizează prin rezistență ridicată, rezistență bună la căldură, rezistență la abraziune mecanică și au pierderi dielectrice mici.

Substraturile din nitru de aluminiu sunt de 8 ori mai mari cu o conductivitate termică decât alumina. Iar oxidul de zirconiu se caracterizează printr-o rezistență mecanică și mai mare.

5. Izolatori ceramici

Izolatorii ceramici din porțelan electrotehnic sunt utilizați în mod tradițional pe scară largă în inginerie electrică. Echipamentele de înaltă tensiune sunt de neconceput fără ele. Particularitatea acestui tip de ceramică este că proprietățile sale tehnologice vă permit să creați produse cu forme complexe și aproape de orice dimensiune. În același timp, intervalul de temperatură de sinterizare a porțelanului este suficient de larg pentru a obține o uniformitate suficient de bună în procesul de ardere a izolatorului pe întregul volum al produsului.

Odată cu creșterea tensiunilor, este necesară creșterea dimensiunii izolatorilor din porțelan electrotehnic, iar rezistența și rezistența la precipitații fac ca masa de porțelan să fie indispensabilă pentru inginerie electrică de înaltă tensiune. 50% - argilă și caolin, asigură ductilitatea porțelanului electric, precum și formabilitatea și rezistența sa în stare întărită. Materiale feldspat adăugate la amestec - extindeți intervalul de temperatură de sinterizare.

Deși multe materiale ceramice moderne depășesc porțelanul electrotehnic în anumite privințe, porțelanul din punct de vedere tehnologic nu necesită materii prime scumpe, nu este necesară creșterea temperaturii de ardere, iar ductilitatea sa este excelentă inițial.

6. Superconductorii

Fenomenul de superconductivitate utilizat pentru crearea celor mai puternice câmpuri magnetice (în special, este utilizat în ciclotroni) este realizat prin trecerea curentului printr-un superconductor fără pierderi de căldură. Pentru a obține rezultatul de mai sus, se utilizează superconductori de tip II, care se caracterizează prin coexistența simultană a superconductivității și a câmpului magnetic.

Filamentele subțiri ale unui metal normal pătrund în probă și fiecare filament poartă un flux cuantic magnetic. La temperaturi scăzute, în regiunea punctului de fierbere a azotului (peste -196 ° C), din nou, trebuie utilizate ceramice cu avioane de cupru bine-separate (superconductoare pe bază de cuprat).

Recordul de superconductivitate aparține compusului ceramic Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), descoperit în 2003, deoarece la o presiune de 400 kbar devine un superconductor chiar și la temperaturi de până la -107 ° C. Aceasta este o temperatură foarte ridicată pentru superconductivitate.

Vezi mai multe pe acest subiect: Superconductivitatea la temperaturi ridicate și aplicarea sa