Esempi di utilizzo di materiali ceramici nell'ingegneria elettrica e nel settore dell'energia elettrica

La ceramica - sostanze inorganiche macinate finemente miscelate e appositamente trattate - è ampiamente utilizzata nella moderna ingegneria elettrica. I primissimi materiali ceramici sono stati ottenuti proprio mediante sinterizzazione di polveri, grazie alle quali un forte, resistente al calore, inerte alla maggior parte dei media, con basse perdite dielettriche, resistente alle radiazioni, capace di lavorare a lungo termine in condizioni di umidità, temperatura e pressione variabili della ceramica. E questa è solo una parte delle straordinarie proprietà della ceramica.

Negli anni '50, l'uso delle ferriti (ossidi complessi a base di ossido di ferro) ha iniziato a crescere attivamente, quindi hanno cercato di utilizzare ceramiche appositamente preparate in condensatori, resistori, elementi ad alta temperatura, per la produzione di substrati di microcircuiti e, a partire dalla fine degli anni '80, in superconduttori ad alta temperatura . Successivamente, i materiali ceramici con le proprietà richieste sono stati appositamente sviluppati e creati - una nuova direzione scientifica nella scienza dei materiali si è sviluppata.

La struttura trifase della ceramica è formata da: fasi cristalline, vetrose e gassose. La fase principale è cristallina, sono soluzioni solide o composti chimici che specificano le proprietà principali del materiale risultante.

La fase vetrosa è uno strato tra i cristalli o le singole microparticelle che fungono da legante. La fase gassosa è nei pori del materiale. La presenza di pori, in condizioni di elevata umidità, influisce negativamente sulla qualità della ceramica.

1. Termistori

I termistori a ossido di metallo a transizione mista sono chiamati termistori. Vengono con un coefficiente di temperatura positivo di resistenza e un coefficiente di temperatura negativo di resistenza (PTC o NTC).

Al centro di un tale dettaglio c'è un semiconduttore ceramico realizzato mediante sinterizzazione in aria di una struttura multifase di nitruri granulari e ossidi metallici.

La sinterizzazione viene effettuata ad una temperatura di circa 1200 ° C. In questo caso, i metalli di transizione sono: nichel, magnesio, cobalto.

La conduttività specifica di un termistore dipende principalmente dal grado di ossidazione e dalla temperatura corrente della ceramica risultante e si ottiene un ulteriore cambiamento di conducibilità in una direzione o nell'altra introducendo una piccola quantità di additivi sotto forma di litio o sodio.

I termistori sono piccoli, sono realizzati sotto forma di perline, dischi o cilindri con un diametro da 0,1 mm a 4 cm, con fili conduttori. Un filo è attaccato ai fili di platino, quindi il tallone è coperto di vetro, che è sinterizzato a 300 ° C, oppure il tallone è sigillato all'interno del tubo di vetro.

Nel caso dei dischi, sul disco viene applicato un rivestimento metallico da entrambi i lati, a cui vengono saldate le conclusioni. Queste parti in ceramica si trovano spesso su circuiti stampati di moltissimi dispositivi elettrici, nonché in sensori termici.

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2. Elementi riscaldanti

Gli elementi riscaldanti in ceramica sono un filo resistivo (tungsteno) circondato da una guaina di materiale ceramico. In particolare, vengono prodotti in particolare riscaldatori industriali a infrarossi resistenti a temperature estreme e inerti ad ambienti chimicamente aggressivi.

Poiché in questi elementi è escluso l'accesso dell'ossigeno alla spirale, il metallo della spirale non si ossida durante il funzionamento.Tali riscaldatori sono in grado di funzionare per decenni e la spirale interna rimane intatta.

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Come sono organizzati i moderni elementi riscaldanti?

Confronto tra elementi riscaldanti e riscaldatori in ceramica

Un altro esempio dell'uso riuscito di un elemento riscaldante in ceramica nell'ingegneria elettrica è un saldatore. Qui, il riscaldatore in ceramica è realizzato sotto forma di un rotolo, all'interno del quale polvere di tungsteno finemente dispersa viene applicata in modo elicoidale su un substrato ceramico sottile, che viene arrotolato in un tubo attorno a un'asta di ossido di alluminio e cotto in un mezzo di idrogeno ad una temperatura di circa 1500 ° C.

L'elemento è resistente, il suo isolamento è di alta qualità e la sua durata è lunga. L'elemento ha una caratteristica scanalatura tecnologica.

Per ulteriori informazioni sulle staffe in ceramica, vedere qui - Disegni di moderni saldatori elettrici

Velocità di riscaldamento del saldatore di ceramica:

3. Varistori

Il varistore ha una resistenza non lineare associata alla tensione applicata ai suoi terminali, in questa caratteristica I-V del varistore è in qualche modo simile a un dispositivo a semiconduttore - un diodo zener bidirezionale.

Il semiconduttore cristallino ceramico per un varistore è realizzato sulla base di ossido di zinco con l'aggiunta di bismuto, magnesio, cobalto, ecc. Mediante sinterizzazione. È in grado di dissipare molta energia al momento di proteggere il circuito da un aumento di potenza, anche se i fulmini o un carico induttivo fortemente scollegato sono la fonte dello shock.

Varistori ceramici di varie forme e dimensioni - servono in reti in tensione CA e CC, in alimentatori a bassa tensione e in altre aree applicate dell'ingegneria elettrica. Molto spesso si possono trovare varistori su circuiti stampati, dove sono tradizionalmente presentati sotto forma di dischi con fili.

Esempi di utilizzo di varistori ceramici nella tecnologia:

Limitatori di sovratensione modulari per proteggere il cablaggio

Limitatori di sovratensione per elettrodomestici

Protezione da sovratensioni per dispositivi a semiconduttore di potenza

4. Supporti ceramici per circuiti integrati

I substrati termoisolanti isolanti per transistor non sono solo silicone, ma anche ceramica. I più popolari sono substrati di allumina di ceramica; sono caratterizzati da elevata resistenza, buona resistenza al calore, resistenza all'abrasione meccanica e presentano piccole perdite dielettriche.

I substrati di nitruro di alluminio hanno una conducibilità termica 8 volte superiore rispetto all'allumina. E l'ossido di zirconio è caratterizzato da una resistenza meccanica ancora maggiore.

5. Isolatori ceramici

Gli isolanti in ceramica realizzati in porcellana elettrotecnica sono tradizionalmente ampiamente utilizzati nell'ingegneria elettrica. Le apparecchiature ad alta tensione sono impensabili senza di esse. La particolarità di questo tipo di ceramica è che le sue proprietà tecnologiche consentono di creare prodotti di forme complesse e quasi tutte le dimensioni. Allo stesso tempo, l'intervallo di temperatura di sinterizzazione della porcellana è abbastanza ampio da ottenere un'uniformità sufficientemente buona nel processo di cottura dell'isolante sull'intero volume del prodotto.

Con le crescenti sollecitazioni, è necessario aumentare le dimensioni degli isolanti in porcellana elettrotecnica e la forza e la resistenza alle precipitazioni rendono la massa di porcellana indispensabile per l'ingegneria elettrica ad alta tensione. 50% - argilla e caolino, forniscono la duttilità della porcellana elettrica, nonché la sua formabilità e resistenza allo stato indurito. Materiali feldspati aggiunti alla miscela: ampliano la gamma di temperature di sinterizzazione.

Sebbene molti moderni materiali ceramici superino per certi aspetti la porcellana elettrotecnica, tecnologicamente la porcellana non richiede materie prime costose, non è necessario aumentare la temperatura di cottura e la sua duttilità è inizialmente eccellente.

6. Superconduttori

Il fenomeno della superconduttività utilizzato per creare i campi magnetici più forti (in particolare, viene utilizzato nei ciclotroni) si realizza facendo passare corrente attraverso un superconduttore senza perdita di calore. Per ottenere questo risultato, vengono utilizzati superconduttori di tipo II, caratterizzati dalla coesistenza simultanea di superconduttività e campo magnetico.

I filamenti sottili di un metallo normale penetrano nel campione e ogni filamento trasporta un flusso magnetico quantico. A basse temperature, nella regione del punto di ebollizione dell'azoto (sopra -196 ° C), di nuovo, devono essere usate ceramiche con piani rame-ossigeno ben separati (superconduttori a base di rame).

Il record di superconduttività appartiene al composto ceramico Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), scoperto nel 2003, poiché a una pressione di 400 kbar diventa un superconduttore anche a temperature fino a -107 ° C. Questa è una temperatura molto elevata per la superconduttività.

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