Приклади використання керамічних матеріалів в електротехніці і електроенергетиці

Кераміка – змішані і оброблені особливим чином тонко подрібнені неорганічні речовини – знаходить широке застосування в сучасній електротехніці. Найперші керамічні матеріали отримували саме шляхом спікання порошків, завдяки чому виходила міцна, Нагревостойкость, інертна до більшості середовищ, що володіє малими діелектричними втратами, стійка до радіації, здатна тривалий час працювати в умовах змінної вологості, температури і тиску кераміка. І це тільки частина чудових властивостей кераміки.

У 50-е почався активний ріст застосування феритів (складних оксидів на базі оксиду заліза), потім спеціально одержувану кераміку стали намагатися використовувати в конденсаторах, резисторах, високотемпературних елементах, для виготовлення підкладок мікросхем, а починаючи з кінця 80-х – і в високотемпературних надпровідниках . Пізніше керамічні матеріали з необхідними властивостями стали спеціально розробляти і створювати, – розвинулося новий науковий напрям в матеріалознавстві.

Трифазна структура кераміки утворена з: кристалічної, склоподібної і газової фаз. Основна фаза – кристалічна, це тверді розчини або хімічні сполуки, що задають основні характеристики одержуваного матеріалу.

Склоподібна фаза являє собою прошарок між кристалами або окремі мікрочастинки, службовці сполучною речовиною. Фаза газова – доводиться на пори матеріалу. Наявність пір, в умовах підвищеної вологості, негативно позначається на якості кераміки.

1. Термістори

Терморезистори на базі змішаних оксидів перехідних металів називаються термісторами. Вони бувають з позитивним температурним коефіцієнтом опору і з негативним температурним коефіцієнтом опору (PTC або NTC).

В основі такої деталі – керамічний напівпровідник, виготовлений шляхом спікання на повітрі багатофазної структури з гранульованих нітридів і оксидів металів.

Спікання здійснюється при температурі близько 1200 ° С. В даному випадку перехідними металами є: нікель, магній, кобальт.

Питома провідність термистора залежить перш за все від ступеня окислення і від поточної температури одержуваної кераміки, а додаткове зміна провідності в ту чи іншу сторону досягається введенням невеликої кількості добавок у вигляді літію або натрію.

Термістори мініатюрні, їх виготовляють у формі намистин, дисків або циліндрів діаметром від 0,1 мм до 4 см, з дротяними висновками. До платиновим проволокам прикріплюють намистинку, потім намистинку покривають склом, яке спекают при 300 ° С, або герметизують намистинку всередині скляної трубочки.

У дискових – на диск наносять з двох сторін металеве покриття, до якого припаюють висновки. Дані керамічні деталі часто можна зустріти на друкованих платах дуже багатьох електротехнічних пристроїв, а також у складі термодатчиков.

Дивіться також у нас на сайті:

Використання термісторів в датчиках температури

Як правильно вибрати датчик температури

Пристрій і принцип дії термісторного датчиків вологості

2. Нагрівальні елементи

Керамічні нагрівальні елементи є резистивную (вольфрамову) дріт, оточену оболонкою з керамічного матеріалу. Так виготовляють зокрема промислові інфрачервоні обігрівачі, стійкі до перепадів температур, і інертні до хімічно агресивних середовищ.

Оскільки в даних елементах доступ кисню до спіралі виключений, то метал спіралі і не окислюється в ході експлуатації. Такі нагрівачі здатні працювати десятками років, і спіраль всередині залишається цілою.

Дивіться по цій темі:

Як влаштовані сучасні нагрівальні елементи

Порівняння ТЕНових і керамічних обігрівачів

Ще один приклад успішного застосування керамічного нагрівального елементу в електротехніці – паяльник. Тут керамічний нагрівач виготовлений у формі рулету, всередині якого тонкодисперсний вольфрамовий порошок завдано спіраллю на керамічну тонку підкладку, яка згорнута в трубку навколо стержня з оксиду алюмінію, і запечена в водневому середовищі при температурі близько 1500 ° С.

Елемент виходить довговічним, його ізоляція якісної, а термін служби – тривалим. На елементі присутній характерна технологічна борозенка.

Більш докладно про керамічні пояльнікі дивіться тут – Конструкції сучасних електричних паяльників

Швидкість нагріву керамічного паяльника:

3. Варістори

Варистор має нелінійний опір, пов’язане з доданим до його висновків напругою, в цьому ВАХ варистора кілька схожа з напівпровідниковим приладом – двонаправленим стабілітроном.

Керамічний кристалічний напівпровідник для варістора виготовляють на основі оксиду цинку з додаванням вісмуту, магнію, кобальту і т. Д. Шляхом спікання. Він здатний розсіювати досить багато енергії в момент захисту ланцюга від стрибка напруги, навіть якщо джерелом стрибка виявиться блискавка або різко відокремлена індуктивне навантаження.

Керамічні варистори різноманітних форм і розмірів – служать в мережах змінного і постійного напруги, в низьковольтних джерелах живлення і в інших прикладних областях електротехніки. Найбільш часто можна зустріти варистори на друкованих платах, де вони традиційно представлені у формі дисків з дротяними висновками.

Приклади використання керамічних варисторів в техніці:

Модульні обмежувачі перенапруги для захисту електропроводки

Мережеві фільтри для побутової техніки

Захист силових напівпровідникових приладів від перенапруг

4. Керамічні підкладки для інтегральних мікросхем

Ізолюючі теплопровідні підкладки для транзисторів бувають не тільки силіконовими, але і керамічними. Найбільш популярні керамічні підкладки з оксиду алюмінію, вони відрізняються високою міцністю, хорошою термостійкістю, стійкістю до механічного стирання, мають невеликі діелектричними втратами.

Підкладки з нітриду алюмінію в 8 разів більше високу теплопровідність, ніж оксид алюмінію. А оксид цирконію відрізняється ще більш високу механічну міцність.

5. Керамічні ізолятори

Традиційно широко використовуються в електротехніці керамічні ізолятори з електротехнічного фарфору. Високовольтна апаратура немислима без них. Особливість даного виду кераміки полягає в тому, що його технологічні властивості дозволяють створювати вироби складних форм і практично будь-якого розміру. При цьому діапазон температур спікання у порцеляни досить широкий, щоб отримати досить хорошу однорідність в процесі випалу ізолятора по всьому об’єму виробу.

З ростом напруг виникає потреба в збільшенні розмірів ізоляторів з електротехнічного фарфору, а міцність і стійкість до опадів якраз і робить порцелянову масу просто незамінною для високовольтної електротехніки. 50% – глина та каоліни, вони забезпечують пластичність електротехнічного фарфору, а також його формуемость і міцність в затверділому стані. Додаються в суміш польовошпатних матеріали – розширюють температурний діапазон спікання.

Хоча багато сучасних керамічних матеріалів і перевершують електротехнічний фарфор за деякими характеристиками, технологічно саме фарфор не вимагає дорогої сировини, немає необхідності підвищувати температуру випалу, а пластичність його чудова спочатку.

6. Надпровідники

Явище надпровідності, що використовується для створення сильних магнітних полів (зокрема застосовується в циклотронах), реалізується пропусканням струму по надпровідники без теплових втрат. Для досягнення названого результату застосовуються надпровідники II роду, які здатні співіснування і надпровідності і магнітного поля одночасно.

Тонкі нитки нормального металу пронизують зразок, і кожна нитка несе квант магнітного потоку. При невеликих температурах, в районі точки кипіння азоту (вище -196 ° C), доводиться застосовувати знову ж кераміки з добре розділеними мідно-кисневими площинами (надпровідники на базі купратов).

Рекорд надпровідності належить керамічному з’єднанню Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), відкритого в 2003 році, так як при тиску 400 кбар він стає надпровідників вже при температурах до -107 ° C. Це дуже висока температура для надпровідності.

Дивіться докладніше на цю тему: Високотемпературна надпровідність і її застосування

Андрій повну

Ссылка на основную публикацию