Примеры использования керамических материалов в электротехнике и электроэнергетике

Автор Сообщение
#1 / 12.02.2019 13:54
admin

Керамика — смешанные и обработанные особым образом тонко измельченные неорганические вещества - находит широкое применение в современной электротехнике. Самые первые керамические материалы получали именно путем спекания порошков, благодаря чему получалась прочная, нагревостойкая, инертная к большинству сред, обладающая малыми диэлектрическими потерями, стойкая к радиации, способная длительно работать в условиях переменной влажности, температуры и давления керамика. И это только часть замечательных свойств керамики.

13H8qAYhGw8.jpg
В 50-е начался активный рост применения ферритов (сложных оксидов на базе оксида железа), затем специально получаемую керамику стали пытаться использовать в конденсаторах, резисторах, высокотемпературных элементах, для изготовления подложек микросхем, а начиная с конца 80-х — и в высокотемпературных сверхпроводниках. Позже керамические материалы с требуемыми свойствами стали специально разрабатывать и создавать, - развилось новое научное направление в материаловедении.

HzYUX1jYPak.jpg
Трехфазная структура керамики образована из: кристаллической, стекловидной и газовой фаз. Основная фаза — кристаллическая, это твердые растворы или химические соединения, задающие главные свойства получаемого материала.

Стекловидная фаза представляет собой прослойку между кристаллами или отдельные микрочастицы, служащие связующим веществом. Фаза газовая — приходится на поры материала. Наличие пор, в условиях повышенной влажности, отрицательно сказывается на качестве керамики.

1. Термисторы
Терморезисторы на базе смешанных оксидов переходных металлов называются термисторами. Они бывают с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (PTC или NTC).

В основе такой детали — керамический полупроводник, изготовленный путем спекания на воздухе многофазной структуры из гранулированных нитридов и оксидов металлов.

Спекание осуществляется при температуре порядка 1200°С. В данном случае переходными металлами являются: никель, магний, кобальт.

Удельная проводимость термистора зависит прежде всего от степени окисления и от текущей температуры получаемой керамики, а дополнительное изменение проводимости в ту или иную сторону достигается введением небольшого количества добавок в виде лития или натрия.

FudlxdrV4fw.jpg
Термисторы миниатюрны, их изготавливают в форме бусинок, дисков или цилиндров диаметром от 0,1 мм до 4 см, с проволочными выводами. К платиновым проволокам прикрепляют бусинку, затем бусинку покрывают стеклом, которое спекают при 300°С, либо герметизируют бусинку внутри стеклянной трубочки.

У дисковых — на диск наносят с двух сторон металлическое покрытие, к которому припаивают выводы. Данные керамические детали часто можно встретить на печатных платах очень многих электротехнических устройств, а также в составе термодатчиков.

2. Нагревательные элементы

Керамические нагревательные элементы представляют собой резистивную (вольфрамовую) проволоку, окруженную оболочкой из керамического материала. Так изготавливают в частности промышленные инфракрасные обогреватели, стойкие к перепадам температур, и инертные к химически агрессивным средам.

Поскольку в данных элементах доступ кислорода к спирали исключен, то металл спирали и не окисляется в ходе эксплуатации. Такие нагреватели способны работать десятками лет, и спираль внутри остается целой.

E1UlnWZTYpM.jpg
Еще один пример успешного применения керамического нагревательного элемента в электротехнике — паяльник. Здесь керамический нагреватель изготовлен в форме рулета, внутри которого тонкодисперсный вольфрамовый порошок нанесен спиралью на керамическую тонкую подложку, которая свернута в трубку вокруг стержня из оксида алюминия, и запечена в водородной среде при температуре порядка 1500°С.

Элемент получается долговечным, его изоляция качественной, а срок службы — продолжительным. На элементе присутствует характерная технологическая бороздка.

3. Варисторы

Варистор имеет нелинейное сопротивление, связанное с приложенным к его выводам напряжением, в этом ВАХ варистора несколько схожа с полупроводниковым прибором — двунаправленным стабилитроном.

Керамический кристаллический полупроводник для варистора изготавливают на основе оксида цинка с добавлением висмута, магния, кобальта и т. д. путем спекания. Он способен рассеивать достаточно много энергии в момент защиты цепи от скачка напряжения, даже если источником скачка окажется молния или резко отсоединенная индуктивная нагрузка.

S_mNjzN8aUo.jpg
Керамические варисторы разнообразных форм и размеров — служат в сетях переменного и постоянного напряжения, в низковольтных источниках питания и в прочих прикладных областях электротехники. Наиболее часто можно встретить варисторы на печатных платах, где они традиционно представлены в форме дисков с проволочными выводами.

4. Керамические подложки для интегральных микросхем

cGA_rrLB71M.jpg
Изолирующие теплопроводные подложки для транзисторов бывают не только силиконовыми, но и керамическими. Наиболее популярны керамические подложки из оксида алюминия, они отличаются высокой прочностью, хорошей термостойкостью, стойкостью к механическому истиранию, обладают небольшими диэлектрическими потерями.

Подложки из нитрида алюминия в 8 раз более высокой теплопроводностью, чем оксид алюминия. А оксид циркония отличается еще более высокой механической прочностью.

5. Керамические изоляторы

Традиционно широко используются в электротехнике керамические изоляторы из электротехнического фарфора. Высоковольтная аппаратура немыслима без них. Особенность данного вида керамики заключается в том, что его технологические свойства позволяют создавать изделия сложных форм и практически любого размера. При этом диапазон температур спекания у фарфора достаточно широк, чтобы получить достаточно хорошую однородность в процессе обжига изолятора по всему объему изделия.

8kOETzuDLTo.jpg
С ростом напряжений возникает потребность в увеличении размеров изоляторов из электротехнического фарфора, а прочность и стойкость к осадкам как раз и делает фарфоровую массу просто незаменимой для высоковольтной электротехники. 50% - глина и каолины, они обеспечивают пластичность электротехнического фарфора, а также его формуемость и прочность в затвердевшем состоянии. Добавляемые в смесь полевошпатные материалы — расширяют температурный диапазон спекания.

Хотя многие современные керамические материалы и превосходят электротехнический фарфор по некоторым характеристикам, технологически именно фарфор не требует дорогостоящего сырья, нет необходимости повышать температуру обжига, а пластичность его превосходна изначально.

jL47XIh0vQo.jpg
6. Сверхпроводники

Явление сверхпроводимости, используемое для создания сильнейших магнитных полей (в частности применяется в циклотронах), реализуется пропусканием тока по сверхпроводнику без тепловых потерь. Для достижения названного результата применяются сверхпроводники II рода, которым свойственно сосуществование и сверхпроводимости и магнитного поля одновременно.

1Z33-G6_gds.jpg
Тонкие нити нормального металла пронизывают образец, и каждая нить несёт квант магнитного потока. При небольших температурах, в районе точки кипения азота (выше −196 °C), приходится применять опять же керамики с хорошо разделенными медно-кислородными плоскостями (сверхпроводники на базе купратов).

Рекорд сверхпроводимости принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в 2003 году, так как при давлении 400 кбар он становится сверхпроводником уже при температурах до −107 °C. Это очень высокая температура для сверхпроводимости.

Источник: http://electrik.info/main/fakty/1338-primery-ispolzovaniya-keramicheskih-materialov.html

Сообщения: 378