Exemples d'utilisation de matériaux céramiques en génie électrique et dans l'industrie de l'énergie électrique

La céramique - substances inorganiques mélangées et spécialement traitées finement broyées - est largement utilisée dans l'électrotechnique moderne. Les tout premiers matériaux céramiques ont été obtenus précisément par frittage de poudres, grâce auxquelles un solide, résistant à la chaleur, inerte à la plupart des milieux, présentant de faibles pertes diélectriques, résistant aux radiations, capable de travailler à long terme dans des conditions d'humidité, de température et de pression variables de la céramique. Et ce n'est qu'une partie des propriétés remarquables de la céramique.

Dans les années 50, l'utilisation des ferrites (oxydes complexes à base d'oxyde de fer) a commencé à se développer activement, puis ils ont essayé d'utiliser des céramiques spécialement préparées dans les condensateurs, les résistances, les éléments à haute température, pour la fabrication de substrats de microcircuits, et à partir de la fin des années 80, dans les supraconducteurs à haute température . Plus tard, des matériaux céramiques avec les propriétés requises ont été spécialement développés et créés - une nouvelle direction scientifique dans la science des matériaux s'est développée.

La structure triphasée de la céramique est formée de: phases cristalline, vitreuse et gazeuse. La phase principale est cristalline, ce sont des solutions solides ou des composés chimiques qui précisent les principales propriétés du matériau résultant.

La phase vitreuse est une couche entre les cristaux ou les microparticules individuelles qui servent de liant. La phase gazeuse se trouve dans les pores du matériau. La présence de pores, dans des conditions de forte humidité, nuit à la qualité de la céramique.

1. Thermistances

Les thermistances mixtes à oxyde de métal de transition sont appelées thermistances. Ils sont livrés avec un coefficient de résistance de température positif et un coefficient de résistance de température négatif (PTC ou NTC).

Au cœur d'un tel détail se trouve un semi-conducteur en céramique fabriqué par frittage dans l'air d'une structure polyphasique de nitrures granulaires et d'oxydes métalliques.

Le frittage est effectué à une température d'environ 1200 ° C. Dans ce cas, les métaux de transition sont: le nickel, le magnésium, le cobalt.

La conductivité spécifique d'une thermistance dépend principalement du degré d'oxydation et de la température actuelle de la céramique résultante, et un changement supplémentaire de conductivité dans un sens ou dans l'autre est obtenu en introduisant une petite quantité d'additifs sous forme de lithium ou de sodium.

Les thermistances sont minuscules, elles sont réalisées sous forme de billes, disques ou cylindres d'un diamètre de 0,1 mm à 4 cm, avec des fils conducteurs. Une perle est attachée aux fils de platine, puis la perle est recouverte de verre, qui est fritté à 300 ° C, ou la perle est scellée à l'intérieur du tube de verre.

Dans le cas des disques, un revêtement métallique est appliqué sur le disque des deux côtés, auquel les conclusions sont soudées. Ces pièces céramiques se retrouvent souvent sur les circuits imprimés de très nombreux appareils électriques, ainsi que dans les capteurs thermiques.

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Utilisation de thermistances dans des capteurs de température

Comment choisir le bon capteur de température

Le dispositif et le principe de fonctionnement des capteurs d'humidité à thermistance

2. Éléments chauffants

Les éléments chauffants en céramique sont un fil résistif (tungstène) entouré d'une gaine en matériau céramique. En particulier, des radiateurs infrarouges industriels résistants aux températures extrêmes et inertes aux environnements chimiquement agressifs sont notamment fabriqués.

Étant donné que dans ces éléments, l'accès de l'oxygène à la spirale est exclu, le métal de la spirale ne s'oxyde pas pendant le fonctionnement.Ces appareils de chauffage sont capables de fonctionner pendant des décennies et la spirale à l'intérieur reste intacte.

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Comment sont disposés les éléments chauffants modernes?

Comparaison des éléments chauffants et des éléments chauffants en céramique

Un autre exemple de l'utilisation réussie d'un élément chauffant en céramique en génie électrique est un fer à souder. Ici, le radiateur en céramique est fabriqué sous la forme d'un rouleau, à l'intérieur duquel une poudre de tungstène finement dispersée est appliquée en hélice sur un substrat mince en céramique, qui est enroulé dans un tube autour d'une tige d'oxyde d'aluminium et cuit dans un milieu d'hydrogène à une température d'environ 1500 ° C.

L'élément est durable, son isolation est de haute qualité et sa durée de vie est longue. L'élément a une rainure technologique caractéristique.

Pour plus d'informations sur les supports en céramique, voir ici - Conceptions de fers à souder électriques modernes

Taux de chauffage du fer à souder en céramique:

3. Varistors

La varistance a une résistance non linéaire associée à la tension appliquée à ses bornes, dans cette caractéristique I-V de la varistance, elle est quelque peu similaire à un dispositif semi-conducteur - une diode zener bidirectionnelle.

Le semi-conducteur cristallin en céramique pour une varistance est fabriqué à base d'oxyde de zinc avec l'ajout de bismuth, de magnésium, de cobalt, etc. par frittage. Il est capable de dissiper beaucoup d'énergie au moment de protéger le circuit d'une surtension, même si la foudre ou une charge inductive fortement déconnectée est la source du choc.

Varistances en céramique de différentes formes et tailles - servent dans les réseaux de tension AC et DC, dans les alimentations basse tension et dans d'autres domaines appliqués de l'électrotechnique. Le plus souvent, on peut trouver des varistances sur des cartes de circuits imprimés, où elles sont traditionnellement présentées sous la forme de disques avec des fils conducteurs.

Exemples d'utilisation de varistances céramiques en technologie:

Parafoudres modulaires pour protéger le câblage

Parafoudres pour appareils électroménagers

Protection contre les surtensions pour les dispositifs semi-conducteurs de puissance

4. Substrats en céramique pour circuits intégrés

Les substrats calorifuges isolants pour transistors sont non seulement en silicone, mais également en céramique. Les substrats en céramique d'alumine les plus populaires sont caractérisés par une résistance élevée, une bonne résistance à la chaleur, une résistance à l'abrasion mécanique et de faibles pertes diélectriques.

Les substrats en nitrure d'aluminium ont une conductivité thermique 8 fois plus élevée que l'alumine. Et l'oxyde de zirconium se caractérise par une résistance mécanique encore plus élevée.

5. Isolateurs en céramique

Les isolateurs en céramique en porcelaine électrotechnique sont traditionnellement largement utilisés en électrotechnique. Les équipements haute tension sont impensables sans eux. La particularité de ce type de céramique est que ses propriétés technologiques vous permettent de créer des produits de formes complexes et de presque toutes les tailles. Dans ce cas, la plage de température de frittage de la porcelaine est suffisamment large pour obtenir une uniformité suffisamment bonne dans le processus de cuisson de l'isolant sur tout le volume du produit.

Avec des contraintes croissantes, il est nécessaire d'augmenter la taille des isolateurs en porcelaine électrotechnique, et la force et la résistance aux précipitations rendent la masse de porcelaine indispensable pour l'électrotechnique haute tension. 50% - argile et kaolin, ils assurent la ductilité de la porcelaine électrique, ainsi que sa formabilité et sa résistance à l'état durci. Matériaux feldspathiques ajoutés au mélange - élargissez la plage de températures de frittage.

Bien que de nombreux matériaux céramiques modernes dépassent la porcelaine électrotechnique à certains égards, la porcelaine ne nécessite pas de matières premières coûteuses sur le plan technologique, il n'est pas nécessaire d'augmenter la température de cuisson et sa ductilité est excellente au départ.

6. Supraconducteurs

Le phénomène de supraconductivité utilisé pour créer les champs magnétiques les plus forts (en particulier, il est utilisé dans les cyclotrons) est réalisé en faisant passer le courant à travers un supraconducteur sans perte de chaleur. Pour atteindre ce résultat, des supraconducteurs de type II sont utilisés, caractérisés par la coexistence simultanée de la supraconductivité et du champ magnétique.

De minces filaments d'un métal normal pénètrent dans l'échantillon et chaque filament porte un flux magnétique quantique. Aux basses températures, dans la région du point d'ébullition de l'azote (au-dessus de −196 ° C), encore une fois, des céramiques avec des plans cuivre-oxygène bien séparés (supraconducteurs à base de cuprate) doivent être utilisées.

Le record de supraconductivité appartient au composé céramique Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), découvert en 2003, car à une pression de 400 kbar il devient un supraconducteur même à des températures allant jusqu'à −107 ° C. Il s'agit d'une température très élevée pour la supraconductivité.

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