Příklady použití keramických materiálů v elektrotechnice a elektroenergetice

Keramika - smíšené a speciálně upravené jemně mleté ​​anorganické látky - se v moderní elektrotechnice široce používá. Úplně první keramické materiály byly získány přesně slinováním prášků, díky čemuž silný, tepelně odolný, inertní vůči většině médií, s nízkými dielektrickými ztrátami, odolný vůči záření, schopný dlouhodobé práce za podmínek proměnlivé vlhkosti, teploty a tlaku keramiky. A to je pouze část pozoruhodných vlastností keramiky.

V 50. letech začalo aktivně růst používání ferritů (komplexních oxidů na bázi oxidu železa), poté se pokusili použít speciálně připravenou keramiku v kondenzátorech, rezistory, vysokoteplotní prvky, pro výrobu mikroobvodových substrátů a začátkem 80. let ve vysokoteplotních supravodičích . Později byly speciálně vyvinuty a vytvořeny keramické materiály s požadovanými vlastnostmi - vyvinul se nový vědecký směr ve vědě o materiálech.

Třífázová struktura keramiky je tvořena z: krystalické, sklovité a plynné fáze. Hlavní fáze je krystalická, jsou to pevné roztoky nebo chemické sloučeniny, které specifikují hlavní vlastnosti výsledného materiálu.

Sklovitá fáze je vrstva mezi krystaly nebo jednotlivými mikročásticemi, které slouží jako pojivo. Plynná fáze je v pórech materiálu. Přítomnost pórů v podmínkách vysoké vlhkosti negativně ovlivňuje kvalitu keramiky.

1. Termistory

Smíšené termistory s oxidem přechodného kovu se nazývají termistory. Přicházejí s kladným teplotním koeficientem odporu a záporným teplotním koeficientem odporu (PTC nebo NTC).

Srdcem takového detailu je keramický polovodič vyrobený slinováním ve vzduchu vícefázové struktury granulárních nitridů a oxidů kovů.

Slinování se provádí při teplotě asi 1200 ° C. V tomto případě jsou přechodnými kovy: nikl, hořčík, kobalt.

Specifická vodivost termistoru závisí primárně na stupni oxidace a na aktuální teplotě výsledné keramiky a další změny vodivosti v jednom nebo druhém směru se dosáhne zavedením malého množství přísad ve formě lithia nebo sodíku.

Termistory jsou malé, vyrábějí se ve formě korálků, disků nebo válců o průměru 0,1 mm až 4 cm, s vodiči. K platinovým drátům je připojena kulička, pak je kulička pokryta sklem, které je slinováno při 300 ° C, nebo je kulička utěsněna uvnitř skleněné trubice.

V případě disků se na disk nanáší kovový povlak z obou stran, na které jsou závěry pájeny. Tyto keramické části se často vyskytují na deskách plošných spojů velmi mnoha elektrických zařízení, jakož i na teplotních čidlech.

Viz také na našem webu:

Použití termistorů v teplotních čidlech

Jak zvolit správný teplotní senzor

Zařízení a princip činnosti termistorových snímačů vlhkosti

2. Topné články

Keramické topné prvky jsou odporový (wolframový) drát obklopený pláštěm z keramického materiálu. Zejména se vyrábějí průmyslová infračervená topná tělesa, která jsou odolná vůči extrémním teplotám a inertní vůči chemicky agresivnímu prostředí.

Protože v těchto prvcích je vyloučen přístup kyslíku ke spirále, kov spirály během provozu neoxiduje.Takové ohřívače jsou schopné pracovat po celá desetiletí a spirála uvnitř zůstává neporušená.

Zobrazit toto téma:

Jak jsou uspořádány moderní topné články?

Porovnání topných těles a keramických topidel

Dalším příkladem úspěšného použití keramického topného článku v elektrotechnice je páječka. Zde je keramický ohřívač vytvořen ve formě válce, uvnitř kterého je jemně rozptýlený wolframový prášek spirálovitě nanesen na keramický tenký substrát, který je válcován do trubky kolem tyče z oxidu hlinitého a vypalován ve vodíkovém médiu při teplotě řádově 1500 ° C.

Prvek je odolný, jeho izolace je vysoce kvalitní a jeho životnost je dlouhá. Prvek má charakteristickou technologickou drážku.

Další informace o keramických závorkách naleznete zde - Návrhy moderních elektrických páječek

Rychlost ohřívání keramické páječky:

3. Varistory

Varistor má nelineární odpor spojený s napětím přivedeným na jeho svorky, v této charakteristice I-V varistoru je poněkud podobný polovodičovému zařízení - obousměrné zenerově diodě.

Keramický krystalický polovodič pro varistor se vyrábí na bázi oxidu zinečnatého s přídavkem bizmutu, hořčíku, kobaltu atd. Slinováním. Je schopen rozptýlit velké množství energie v okamžiku ochrany obvodu před přepětím, i když se jako zdroj nárazu ukáže blesk nebo prudce odpojená induktivní zátěž.

Keramické varistory různých tvarů a velikostí - slouží v sítích střídavého a stejnosměrného napětí, v nízkonapěťových napájecích zdrojích a v dalších aplikovaných oblastech elektrotechniky. Nejčastěji lze najít varistory na deskách plošných spojů, kde jsou tradičně prezentovány ve formě disků s vodiči.

Příklady použití keramických varistorů v technologii:

Modulární svodiče přepětí pro ochranu kabeláže

Přepěťové ochrany pro domácí spotřebiče

Přepěťová ochrana výkonových polovodičových zařízení

4. Keramické substráty pro integrované obvody

Izolační tepelně vodivé substráty pro tranzistory jsou nejen silikonové, ale také keramické. Nejoblíbenější jsou keramické aluminové substráty, které se vyznačují vysokou pevností, dobrou tepelnou odolností, odolností proti mechanickému oděru a mají malé dielektrické ztráty.

Substráty nitridu hliníku jsou 8krát vyšší tepelnou vodivostí než oxid hlinitý. A oxid zirkoničitý se vyznačuje ještě vyšší mechanickou pevností.

5. Keramické izolátory

Keramické izolátory vyrobené z elektrotechnického porcelánu se v elektrotechnice tradičně používají. Vysokonapěťová zařízení jsou bez nich nemyslitelná. Zvláštností tohoto typu keramiky je to, že její technologické vlastnosti vám umožňují vytvářet produkty složitých tvarů a téměř jakékoli velikosti. Současně je teplotní rozsah slinování porcelánu dostatečně široký, aby se dosáhlo dostatečně dobré rovnoměrnosti procesu vypalování izolátoru v celém objemu produktu.

Se vzrůstajícím napětím je potřeba zvětšit velikost izolátorů vyrobených z elektrotechnického porcelánu a pevnost a odolnost vůči srážení činí porcelánovou hmotu nepostradatelnou pro elektrotechniku ​​vysokého napětí. 50% - jíl a kaoliny, zajišťují tažnost elektrického porcelánu, jakož i jeho tvarovatelnost a pevnost ve ztuhlém stavu. Živé materiály přidané do směsi - rozšiřte teplotní rozsah slinování.

Ačkoli mnoho moderních keramických materiálů v některých ohledech předčí elektrotechnický porcelán, technologicky porcelán nevyžaduje drahé suroviny, není třeba zvyšovat teplotu vypalování a jeho tažnost je zpočátku vynikající.

6. Supravodiče

Fenomén supravodivosti používaný k vytvoření nejsilnějších magnetických polí (zejména se používá v cyklotronech) je realizován průchodem proudu supravodičem bez tepelných ztrát. K dosažení výše uvedeného výsledku se používají supravodiče typu II, které se vyznačují koexistencí supravodivosti a magnetického pole současně.

Tenká vlákna z normálního kovu pronikají vzorkem a každé vlákno nese kvantové magnetické toky. Při nízkých teplotách musí být v oblasti bodu varu dusíku (nad -196 ° C) opět použita keramika s dobře oddělenými rovinami měď-kyslík (supravodiče na bázi kaličnanů).

Záznam supravodivosti patří ke keramické směsi Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), objevené v roce 2003, protože při tlaku 400 kbar se stává supravodičem i při teplotách až do -107 ° C. To je velmi vysoká teplota pro supravodivost.

Více na toto téma: Vysokoteplotní supravodivost a její aplikace