Exemples de l’ús de materials ceràmics en l’enginyeria elèctrica i la indústria elèctrica

La ceràmica: substàncies inorgàniques barrejades i especialment tractades, s'utilitza àmpliament en l'enginyeria elèctrica moderna. Els primers materials ceràmics es van obtenir precisament mitjançant pólvres sinteritzants, degut a les quals és resistent a la calor, inert a la majoria de medis, amb pèrdues dielèctriques baixes, resistents a les radiacions, capaces de treballar a llarg termini en condicions d’humitat, temperatura i pressió variables de la ceràmica. I això només és part de les notables propietats de la ceràmica.

Als anys 50, l’ús de ferrites (òxids complexos a base d’òxid de ferro) va començar a créixer activament, després van intentar utilitzar ceràmiques especialment preparades en condensadors, resistències, elements d’alta temperatura, per a la fabricació de substrats de microcircuits, i a partir de finals dels 80, en superconductors d’alta temperatura. . Més tard, es van desenvolupar i crear especialment materials ceràmics amb les propietats requerides, i s'ha desenvolupat una nova direcció científica en la ciència de materials.

L’estructura trifàsica de la ceràmica està formada a partir de: fases cristal·lines, vidres i gasoses. La fase principal és cristal·lina, es tracta de solucions sòlides o compostos químics que especifiquen les principals propietats del material resultant.

La fase vitriosa és una capa entre els cristalls o micropartícules individuals que serveixen d’enllaç. La fase gasosa es troba en els porus del material. La presència de porus, en condicions d’humitat elevada, afecta negativament la qualitat de la ceràmica.

1. Termistors

Els termistors d'òxid de metall de transició mixt s'anomenen termistors. Vénen amb un coeficient de resistència de temperatura positiu i un coeficient de resistència negatiu en temperatura (PTC o NTC).

Al centre d'aquest detall, hi ha un semiconductor ceràmic fet per sinteritzar a l'aire una estructura polifase de nitrurs granulars i òxids metàl·lics.

La sinterització es realitza a una temperatura d'aproximadament 1200 ºC. En aquest cas, els metalls de transició són: níquel, magnesi, cobalt.

La conductivitat específica d’un termistor depèn principalment del grau d’oxidació i de la temperatura actual de la ceràmica resultant, i s’obté un canvi addicional de conductivitat en una direcció o una altra introduint una petita quantitat d’additius en forma de liti o sodi.

Els termistors són minúsculs, estan fets en forma de comptes, discos o cilindres amb un diàmetre de 0,1 mm a 4 cm, amb cables de filferro. Un fil es fixa en els cables de platí, després es recobreix la bola de vidre, que es sinteritza a 300 ºC, o es tanca la bola dins del tub de vidre.

En el cas dels discos, s’aplica un recobriment metàl·lic al disc d’ambdues cares, al qual es solden les conclusions. Aquestes peces ceràmiques es poden trobar sovint en plaques de circuit imprès de molts dispositius elèctrics, així com en sensors tèrmics.

Vegeu també al nostre lloc web:

Utilització de termistors en sensors de temperatura

Com triar el sensor de temperatura adequat

El dispositiu i principi de funcionament dels sensors d’humitat del termistor

2. Elements de calefacció

Els elements de calefacció de ceràmica són un fil resistent (tungstè) envoltat d’una funda de material ceràmic. En particular, es fabriquen escalfadors industrials d’infrarojos resistents als extrems de la temperatura i inerts a ambients químicament agressius.

Com que en aquests elements s’exclou l’accés d’oxigen a l’espiral, el metall de l’espiral no s’oxida durant el funcionament.Aquests escalfadors són capaços de funcionar durant dècades i l'espiral a l'interior roman intacta.

Veure aquest tema:

Com s’organitzen els elements de calefacció moderns?

Comparació d’elements de calefacció i escalfadors de ceràmica

Un altre exemple de l’èxit de l’ús d’un element de calefacció de ceràmica en enginyeria elèctrica és la soldadura. Aquí, l'escalfador de ceràmica es fa en forma d'un rotlle, dins del qual s'aplica helicoïdalament una pols de tungstè finament dispersa sobre un substrat prim ceràmic, que s'enrotlla en un tub al voltant d'una vareta d'òxid d'alumini i es cou al forn en un medi d'hidrogen a una temperatura d'aproximadament 1500 ºC.

L’element és durador, el seu aïllament és d’alta qualitat i la seva vida útil és llarga. L’element té un solc tecnològic característic.

Per obtenir més informació sobre els brackets ceràmics, vegeu aquí. Dissenys de ferros de soldadura elèctrics moderns

Taxa de calefacció de soldadura de ceràmica:

3. Varistors

El varistor té una resistència no lineal associada a la tensió aplicada als seus terminals, en aquesta característica I-V del varistor és una mica semblant a un dispositiu semiconductor - un díode zener bidireccional.

El semiconductor cristal·lí de ceràmica per a un varistor es fa sobre l'òxid de zinc amb l'addició de bismut, magnesi, cobalt, etc. per sinterització. És capaç de dissipar molta energia en el moment de protegir el circuit d’una tensió de tensió, fins i tot si el xoc és l’origen o una càrrega inductiva fortament desconnectada.

Varistors de ceràmica de diverses formes i mides: serveixen en xarxes de tensió alterna i corrent continua, en fonts d’alimentació de baixa tensió i en altres àrees aplicades d’enginyeria elèctrica. Molt sovint es poden trobar varistors en plaques de circuit imprès, on tradicionalment es presenten en forma de discos amb cables de filferro.

Exemples d’ús de varistors ceràmics en tecnologia:

Arrestadors modulars per protegir el cablejat

Protectors de sobretensió per a electrodomèstics

Protecció contra sobretensió de dispositius de semiconductor de potència

4. Substrats ceràmics per a circuits integrats

Els substrats aïllants per a la calor dels transistors no només són de silicona, sinó també de ceràmica. Els més populars són els substrats d’alúmina de ceràmica, que es caracteritzen per una gran resistència, bona resistència a la calor, resistència a l’abrasió mecànica i tenen petites pèrdues dielèctriques.

Els substrats de nitrur d’alumini tenen una conductivitat tèrmica 8 vegades superior a l’alúmina. I l’òxid de zirconi es caracteritza per una resistència mecànica encara major.

5. Aïllants de ceràmica

Els aïllants de ceràmica de porcellana electrotècnica s’utilitzen tradicionalment àmpliament en enginyeria elèctrica. Els equips d’alta tensió són impensables sense ells. La particularitat d’aquest tipus de ceràmica és que les seves propietats tecnològiques permeten crear productes de formes complexes i gairebé de qualsevol mida. Al mateix temps, l’interval de temperatures de sinterització de la porcellana és prou ampli per obtenir una uniformitat suficientment bona en el procés d’encendre l’aïllant sobre tot el volum del producte.

Amb la tensió creixent, cal augmentar la mida dels aïllants fets de porcellana electrotècnica, i la força i la resistència a les precipitacions fan que la massa de porcellana sigui indispensable per a l’enginyeria elèctrica d’alta tensió. Al 50% - argila i caolí, proporcionen la ductilitat de la porcellana elèctrica, així com la seva formabilitat i resistència en estat endurit. Els materials de feldspat afegits a la barreja - amplien el rang de temperatures de la sinterització.

Tot i que molts materials ceràmics moderns superen en alguns aspectes la porcellana electrotècnica, tecnològicament la porcellana no requereix matèries primeres cares, no cal augmentar la temperatura de cocció i inicialment és excel·lent.

6. Superconductors

El fenomen de superconductivitat utilitzat per crear els camps magnètics més forts (en particular, s'utilitza en ciclotrons) es realitza passant corrent a través d'un superconductor sense pèrdues de calor. Per aconseguir aquest resultat, s’utilitzen superconductors tipus II, que es caracteritzen per la coexistència simultània de la superconductivitat i del camp magnètic.

Els filaments prims d’un metall normal penetren a la mostra i cada filament porta un flux magnètic quàntic. A temperatures baixes, a la regió del punt d’ebullició del nitrogen (per sobre de -196 ºC), s’ha de fer servir de nou la ceràmica amb plans de coure-oxigen ben separats (superconductors basats en cuprats).

El registre de superconductivitat pertany al compost ceràmic Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), descobert el 2003, ja que a una pressió de 400 grans es converteix en un superconductor fins i tot a temperatures de fins a -107 ºC. Es tracta d’una temperatura molt elevada per a la superconductivitat.

Vegeu més informació sobre aquest tema: Superconductivitat a alta temperatura i la seva aplicació