Przykłady zastosowania materiałów ceramicznych w elektrotechnice i energetyce

Ceramika - zmieszane i specjalnie przetworzone drobno zmielone substancje nieorganiczne - jest szeroko stosowana w nowoczesnej elektrotechnice. Pierwsze materiały ceramiczne otrzymano właśnie przez spiekanie proszków, dzięki czemu były mocne, odporne na ciepło, obojętne na większość mediów, o niskich stratach dielektrycznych, odporne na promieniowanie, zdolne do długotrwałej pracy w warunkach zmiennej wilgotności, temperatury i ciśnienia ceramiki. A to tylko część niezwykłych właściwości ceramiki.

W latach 50. zaczęło aktywnie rosnąć stosowanie ferrytów (tlenków złożonych na bazie tlenku żelaza), a następnie próbowano użyć specjalnie przygotowanej ceramiki w kondensatorach, opornikach, elementach wysokotemperaturowych, do produkcji podłoży mikroukładowych, a od późnych lat 80. w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych . Później specjalnie opracowano i stworzono materiały ceramiczne o wymaganych właściwościach - opracowano nowy kierunek naukowy w dziedzinie materiałoznawstwa.

Trójfazowa struktura ceramiki składa się z: krystalicznej, szklistej i gazowej. Główna faza jest krystaliczna, są to roztwory stałe lub związki chemiczne, które określają główne właściwości uzyskanego materiału.

Faza szklista to warstwa między kryształami lub pojedynczymi mikrocząstkami, które służą jako spoiwo. Faza gazowa znajduje się w porach materiału. Obecność porów w warunkach wysokiej wilgotności niekorzystnie wpływa na jakość ceramiki.

1. Termistory

Termistory z mieszanym tlenkiem metalu przejściowego nazywane są termistorami. Pochodzą one z dodatnim współczynnikiem temperaturowym rezystancji i ujemnym współczynnikiem temperaturowym rezystancji (PTC lub NTC).

Sercem takiego szczegółu jest ceramiczny półprzewodnik wykonany przez spiekanie w powietrzu wielofazowej struktury granulowanych azotków i tlenków metali.

Spiekanie odbywa się w temperaturze około 1200 ° C. W tym przypadku metalami przejściowymi są: nikiel, magnez, kobalt.

Przewodność właściwa termistora zależy przede wszystkim od stopnia utlenienia i aktualnej temperatury powstałej ceramiki, a dodatkową zmianę przewodności w jednym lub drugim kierunku uzyskuje się poprzez wprowadzenie niewielkiej ilości dodatków w postaci litu lub sodu.

Termistory są małe, są wykonane w formie koralików, dysków lub cylindrów o średnicy od 0,1 mm do 4 cm, z drutami. Koralik jest przymocowany do platynowych drutów, następnie koralik jest przykryty szkłem, które spieka się w 300 ° C, lub koralik jest szczelnie zamknięty w szklanej rurce.

W przypadku dysków metalową powłokę nakłada się na tarczę z obu stron, do których lutowane są wnioski. Te ceramiczne części często można znaleźć na płytkach drukowanych bardzo wielu urządzeń elektrycznych, a także w czujnikach termicznych.

Zobacz także na naszej stronie internetowej:

Wykorzystanie termistorów w czujnikach temperatury

Jak wybrać odpowiedni czujnik temperatury

Urządzenie i zasada działania termistorowych czujników wilgotności

2. Elementy grzejne

Ceramiczne elementy grzejne to drut oporowy (wolframowy) otoczony osłoną z materiału ceramicznego. W szczególności wytwarzane są przemysłowe promienniki podczerwieni odporne na skrajne temperatury i obojętne na agresywne chemicznie środowiska.

Ponieważ w tych elementach dostęp tlenu do spirali jest wykluczony, metal spirali nie utlenia się podczas pracy.Takie grzejniki mogą pracować przez dziesięciolecia, a spirala wewnątrz pozostaje nienaruszona.

Zobacz ten temat:

Jak układane są nowoczesne elementy grzewcze?

Porównanie elementów grzejnych i grzejników ceramicznych

Innym przykładem udanego zastosowania ceramicznego elementu grzejnego w elektrotechnice jest lutownica. Tutaj grzejnik ceramiczny jest wykonany w postaci rolki, wewnątrz której drobno zdyspergowany proszek wolframu jest spiralnie nakładany na ceramiczne cienkie podłoże, które jest zwijane w rurkę wokół pręta z tlenku glinu i pieczone w środowisku wodoru w temperaturze około 1500 ° C.

Element jest trwały, jego izolacja jest wysokiej jakości, a jego żywotność jest długa. Element ma charakterystyczny rowek technologiczny.

Aby uzyskać więcej informacji na temat wsporników ceramicznych, zobacz tutaj - Projekty nowoczesnych lutownic elektrycznych

Szybkość nagrzewania lutownicy ceramicznej:

3. Warystory

Warystor ma nieliniowy opór związany z napięciem przyłożonym do jego zacisków, w tej charakterystyce I-V warystora jest nieco podobny do urządzenia półprzewodnikowego - dwukierunkowej diody Zenera.

Ceramiczny krystaliczny półprzewodnik warystora jest wytwarzany na bazie tlenku cynku z dodatkiem bizmutu, magnezu, kobaltu itp. Przez spiekanie. Jest w stanie rozproszyć dużo energii w momencie ochrony obwodu przed skokiem mocy, nawet jeśli piorun lub gwałtownie odłączone obciążenie indukcyjne okaże się źródłem szoku.

Ceramiczne warystory o różnych kształtach i rozmiarach - służą w sieciach napięcia przemiennego i stałego, w zasilaczach niskiego napięcia oraz w innych zastosowaniach elektrotechniki. Najczęściej warystory można znaleźć na płytkach drukowanych, gdzie tradycyjnie są one przedstawiane w postaci dysków z drutami.

Przykłady zastosowania warystorów ceramicznych w technologii:

Modułowe ograniczniki przepięć do ochrony przewodów

Ochronniki przeciwprzepięciowe do urządzeń gospodarstwa domowego

Ochrona przeciwprzepięciowa dla półprzewodnikowych urządzeń energetycznych

4. Ceramiczne podłoża do układów scalonych

Podłoża izolujące przewodzące ciepło do tranzystorów są nie tylko silikonowe, ale także ceramiczne. Najpopularniejsze są ceramiczne podłoża z tlenku glinu; charakteryzują się wysoką wytrzymałością, dobrą odpornością na ciepło, odpornością na ścieranie mechaniczne i mają niewielkie straty dielektryczne.

Podłoża z azotku glinu mają 8-krotnie wyższą przewodność cieplną niż tlenek glinu. A tlenek cyrkonu charakteryzuje się jeszcze wyższą wytrzymałością mechaniczną.

5. Izolatory ceramiczne

Ceramiczne izolatory wykonane z porcelany elektrotechnicznej są tradycyjnie szeroko stosowane w elektrotechnice. Bez nich sprzęt wysokiego napięcia jest nie do pomyślenia. Osobliwością tego rodzaju ceramiki jest to, że jej właściwości technologiczne pozwalają tworzyć produkty o skomplikowanych kształtach i prawie dowolnej wielkości. Jednocześnie zakres temperatur spiekania porcelany jest wystarczająco szeroki, aby uzyskać wystarczająco dobrą jednorodność w procesie wypalania izolatora w całej objętości produktu.

Wraz ze wzrostem naprężeń konieczne jest zwiększenie rozmiarów izolatorów wykonanych z porcelany elektrotechnicznej, a wytrzymałość i odporność na opady powodują, że masa porcelany jest niezbędna w elektrotechnice wysokonapięciowej. 50% - glina i kaoliny, zapewniają plastyczność porcelany elektrycznej, a także jej odkształcalność i wytrzymałość w stanie utwardzonym. Materiały skaleniowe dodane do mieszanki - rozszerz zakres temperatur spiekania.

Chociaż wiele współczesnych materiałów ceramicznych pod pewnymi względami przewyższa porcelanę elektrotechniczną, porcelana technologiczna nie wymaga drogich surowców, nie ma potrzeby zwiększania temperatury wypalania, a jej plastyczność na początku jest doskonała.

6. Nadprzewodniki

Zjawisko nadprzewodnictwa stosowane do tworzenia najsilniejszych pól magnetycznych (w szczególności jest stosowane w cyklotronach) jest realizowane przez przepuszczanie prądu przez nadprzewodnik bez strat ciepła. Aby osiągnąć ten wynik, stosuje się nadprzewodniki typu II, które charakteryzują się jednocześnie współistnieniem nadprzewodnictwa i pola magnetycznego.

Cienkie włókna normalnego metalu przenikają do próbki, a każde włókno przenosi strumień magnetyczny kwantowy. W niskich temperaturach, w okolicach temperatury wrzenia azotu (powyżej -196 ° C), ponownie należy zastosować ceramikę z dobrze oddzielonymi płaszczyznami miedziowo-tlenowymi (nadprzewodniki na bazie miedzi).

Zapis nadprzewodnictwa należy do związku ceramicznego Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), odkrytego w 2003 roku, ponieważ pod ciśnieniem 400 kbar staje się nadprzewodnikiem nawet w temperaturach do -107 ° C. Jest to bardzo wysoka temperatura dla nadprzewodnictwa.

Zobacz więcej na ten temat: Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i jego zastosowanie