Exemplos do uso de materiais cerâmicos na indústria de engenharia elétrica e energia elétrica

A cerâmica - substâncias inorgânicas finamente moídas e especialmente tratadas - é amplamente utilizada na engenharia elétrica moderna. Os primeiros materiais cerâmicos foram obtidos precisamente por pós de sinterização, devido aos quais são fortes, resistentes ao calor, inertes à maioria dos meios, apresentando baixas perdas dielétricas, resistentes à radiação, capazes de trabalhar a longo prazo sob condições de umidade, temperatura e pressão variáveis ​​da cerâmica. E isso é apenas parte das propriedades notáveis ​​da cerâmica.

Nos anos 50, o uso de ferritas (óxidos complexos à base de óxido de ferro) começou a crescer ativamente; depois, tentaram usar cerâmicas especialmente preparadas em capacitores, resistores, elementos de alta temperatura, para a fabricação de substratos de microcircuitos e, a partir do final dos anos 80, em supercondutores de alta temperatura. . Mais tarde, materiais cerâmicos com as propriedades necessárias foram especialmente desenvolvidos e criados - uma nova direção científica na ciência dos materiais se desenvolveu.

A estrutura trifásica da cerâmica é formada pelas fases cristalina, vítrea e gasosa. A fase principal é cristalina, são soluções sólidas ou compostos químicos que especificam as principais propriedades do material resultante.

A fase vítrea é uma camada entre os cristais ou micropartículas individuais que servem como aglutinante. A fase gasosa está nos poros do material. A presença de poros, em condições de alta umidade, afeta adversamente a qualidade da cerâmica.

1. Termistores

Os termistores de óxido de metal de transição mista são chamados termistores. Eles vêm com um coeficiente de temperatura positivo e um coeficiente de temperatura negativo (PTC ou NTC).

No centro desse detalhe está um semicondutor de cerâmica feito por sinterização no ar de uma estrutura multifásica de nitretos granulares e óxidos metálicos.

A sinterização é realizada a uma temperatura de cerca de 1200 ° C. Nesse caso, os metais de transição são: níquel, magnésio, cobalto.

A condutividade específica de um termistor depende principalmente do grau de oxidação e da temperatura atual da cerâmica resultante, e uma alteração adicional na condutividade em uma direção ou outra é alcançada através da introdução de uma pequena quantidade de aditivos na forma de lítio ou sódio.

Os termistores são minúsculos, feitos sob a forma de esferas, discos ou cilindros com um diâmetro de 0,1 mm a 4 cm, com cabos de aço. Um cordão é preso aos fios de platina; depois, o cordão é coberto com vidro, que é sinterizado a 300 ° C, ou o cordão é selado dentro do tubo de vidro.

No caso de discos, um revestimento de metal é aplicado ao disco de ambos os lados, ao qual as conclusões são soldadas. Muitas vezes, essas peças de cerâmica podem ser encontradas em placas de circuito impresso de muitos dispositivos elétricos, bem como em sensores térmicos.

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Usando termistores em sensores de temperatura

Como escolher o sensor de temperatura certo

O dispositivo e o princípio de operação dos sensores de umidade do termistor

2. Elementos de aquecimento

Os elementos de aquecimento de cerâmica são um fio resistivo (tungstênio) cercado por uma bainha de material cerâmico. Em particular, os aquecedores infravermelhos industriais que são resistentes a temperaturas extremas e inertes a ambientes quimicamente agressivos são fabricados em particular.

Como nesses elementos o acesso de oxigênio à espiral é excluído, o metal da espiral não oxida durante a operação.Esses aquecedores são capazes de funcionar por décadas e a espiral interna permanece intacta.

Veja este tópico:

Como são organizados os elementos de aquecimento modernos?

Comparação de elementos de aquecimento e aquecedores de cerâmica

Outro exemplo do uso bem-sucedido de um elemento de aquecimento de cerâmica na engenharia elétrica é um ferro de solda. Aqui, o aquecedor de cerâmica é feito na forma de um rolo, no interior do qual o pó de tungstênio finamente disperso é aplicado helicoidalmente a um substrato fino de cerâmica, que é enrolado em um tubo ao redor de uma haste de óxido de alumínio e cozido em um meio de hidrogênio a uma temperatura de cerca de 1500 ° C.

O elemento é durável, seu isolamento é de alta qualidade e sua vida útil é longa. O elemento possui um sulco tecnológico característico.

Para obter mais informações sobre suportes de cerâmica, consulte aqui - Projetos de ferros de solda elétricos modernos

Taxa de aquecimento de ferro de solda de cerâmica:

3. Varistores

O varistor possui uma resistência não linear associada à tensão aplicada aos seus terminais; nessa característica I-V do varistor, ele é um pouco semelhante a um dispositivo semicondutor - um diodo zener bidirecional.

O semicondutor cristalino de cerâmica para um varistor é produzido com base em óxido de zinco com a adição de bismuto, magnésio, cobalto, etc. por sinterização. Ele é capaz de dissipar muita energia no momento de proteger o circuito de uma oscilação de energia, mesmo que um raio ou uma carga indutiva fortemente desconectada seja a fonte do choque.

Varistores de cerâmica de várias formas e tamanhos - servem em redes de tensão CA e CC, em fontes de alimentação de baixa tensão e em outras áreas aplicadas da engenharia elétrica. Na maioria das vezes é possível encontrar varistores em placas de circuito impresso, onde eles são tradicionalmente apresentados na forma de discos com fios.

Exemplos do uso de varistores cerâmicos em tecnologia:

Pára-raios modulares para proteger a fiação

Protetores contra sobretensão para eletrodomésticos

Proteção contra sobretensão para dispositivos semicondutores de potência

4. Substratos cerâmicos para circuitos integrados

Os substratos condutores de calor isolantes para transistores não são apenas silicone, mas também cerâmicos. Os mais populares são os substratos cerâmicos de alumina, caracterizados por alta resistência, boa resistência ao calor, resistência à abrasão mecânica e pequenas perdas dielétricas.

Os substratos de nitreto de alumínio são 8 vezes mais condutividade térmica do que a alumina. E o óxido de zircônio é caracterizado por uma resistência mecânica ainda maior.

5. Isoladores cerâmicos

Tradicionalmente, os isoladores cerâmicos de porcelana eletrotécnica são amplamente utilizados na engenharia elétrica. Os equipamentos de alta tensão são impensáveis ​​sem eles. A peculiaridade desse tipo de cerâmica é que suas propriedades tecnológicas permitem criar produtos de formas complexas e quase de qualquer tamanho. Ao mesmo tempo, a faixa de temperatura de sinterização da porcelana é ampla o suficiente para obter uniformidade suficientemente boa no processo de queima do isolador em todo o volume do produto.

Com o aumento das tensões, é necessário aumentar o tamanho dos isoladores de porcelana eletrotécnica, e a força e a resistência à precipitação apenas tornam a massa de porcelana indispensável para a engenharia elétrica de alta tensão. 50% - argila e caulino, proporcionam a ductilidade da porcelana elétrica, assim como sua formabilidade e resistência no estado endurecido. Materiais de feldspato adicionados à mistura - expanda a faixa de temperatura da sinterização.

Embora muitos materiais cerâmicos modernos superem a porcelana eletrotécnica em alguns aspectos, tecnologicamente a porcelana não requer matérias-primas caras, não há necessidade de aumentar a temperatura de queima e sua ductilidade é excelente inicialmente.

6. Supercondutores

O fenômeno de supercondutividade usado para criar os campos magnéticos mais fortes (em particular, é usado nos ciclotrons) é realizado passando a corrente através de um supercondutor sem perda de calor. Para alcançar esse resultado, são utilizados supercondutores do tipo II, que são caracterizados pela coexistência de supercondutividade e campo magnético simultaneamente.

Filamentos finos de um metal normal penetram na amostra e cada filamento possui um quantum de fluxo magnético. Em baixas temperaturas, na região do ponto de ebulição do nitrogênio (acima de -196 ° C), novamente, cerâmicas com planos de cobre-oxigênio bem separados (supercondutores à base de cuprato) devem ser utilizadas.

O registro de supercondutividade pertence ao composto cerâmico Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), descoberto em 2003, pois a uma pressão de 400 kbar, ele se torna um supercondutor mesmo a temperaturas de até -107 ° C. Esta é uma temperatura muito alta para supercondutividade.

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