ما هي السيراميك المستخدمة عادة كعناصر تسخين؟

فهم عنصر التسخين الخزفي:

تُعرف المواد الخزفية القادرة على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بعناصر التسخين. ويحدث هذا التحويل للطاقة وفقًا لمبدأ تسخين جول.

لعناصر التسخين الخزفية تطبيقات واسعة في الأجهزة المنزلية والصناعة. فهي تدوم طويلًا، وتتميز بالكفاءة، وتتحمل درجات الحرارة العالية.

المواد الخزفية المختلفة المستخدمة عادة كعناصر تسخين:

بعض المواد الخزفية مناسبة تمامًا كعناصر تسخين خزفية. فيما يلي أكثر المواد الخزفية استخدامًا في صناعة التسخين الخزفي.

1.كربيد السيليكون (SiC):

كربيد السيليكون هو المادة الخزفية الرائدة المستخدمة كعنصر تسخين خزفي. وهو مركب صلب ومادة بلورية ذات استخدامات متنوعة.

يتحمل كربيد السيليكون (SiC) درجات حرارة عالية جدًا تصل إلى 1973 كلفن، ويعمل بكفاءة عالية. يحتوي على ذرات السيليكون والكربون. وهو عنصر تسخين سيراميكي شائع الاستخدام نظرًا لموصليته الحرارية العالية ومقاومته الكيميائية.

يستخدم SiC على نطاق واسع في السيراميك وأشباه الموصلات والمواد الكاشطة.

صيغة تحويل درجة الحرارة:

1. كلفن إلى سيلسيوس: سيلسيوس (°م) = كلفن (ك) - 273.15

2. من درجة مئوية إلى كلفن: كلفن (K) = درجة مئوية (°C) + 273.15

ملحوظة: صفر درجة (0درجة مئوية) درجة مئوية تساوي 273.15 كلفن.

2.نتريد السيليكون (Si3N4):

نتريد السيليكون مادة سيراميكية شائعة الاستخدام في إنتاج عناصر التسخين. يتحمل درجات حرارة تزيد عن ١٦٧٣.١٥ كلفن.

تتمتع بخصائص استثنائية مثل مقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الصدمات الحرارية، والقوة الميكانيكية، والمقاومة الكيميائية، ومعامل الحرارة المنخفض.

يُستخدم Si3N4 في تصنيع المكونات الخزفية، وأشباه الموصلات، ومعدات المختبرات. كما يُستخدم في عمليات تشغيل المعادن أو المعالجة الحرارية.

3.أكسيد الألومنيوم (Al2O3):

أكسيد الألومنيوم، المعروف شعبياً باسم الألومينا، هو أحد المواد الخزفية الأساسية المستخدمة في عناصر التسخين. يتميز بقدرته على تحمل درجات حرارة تصل إلى 1873.15 كلفن بفضل مقاومته العالية.

يتميز أكسيد الألومنيوم (Al2O3) أيضًا بموصلية حرارية ممتازة، وعزل كهربائي، ومقاومة كيميائية. ويُستخدم عادةً في الأفران الصناعية، والأجهزة المنزلية، ومعدات المختبرات.

4. مبيد ثنائي السيليكون الموليبدينوم (MoSi2):

MoSi2 (مبيد الموليبدينوم ثنائي السيليكون) هو عنصر تسخين خزفي شائع آخر. يتميز هذا المعدن الخزفي بمقاومة أكسدة عالية ودرجة انصهار عالية. يمكنه توليد درجات حرارة تصل إلى 2173 كلفن في الهواء أو الأكسجين.

يمكن استخدام MoSi2 لتوليد درجات حرارة أعلى، وذلك حسب تقنية التصميم. ويُستخدم في الأفران عالية الحرارة.

المكون الخزفي يكون عرضة للخطر في درجة حرارة الغرفة.

5.سيراميك نتريد البورون المتحلل حرارياً (PBN):

نتريد البورون الحراري (PBN) هو مادة سيراميكية نقية للغاية تستخدم كعنصر تسخين في صناعات أشباه الموصلات، والفضاء الجوي، والمعدات المختبرية، والصناعات الإلكترونية.

PBN هو مُكوّن سيراميكي متعدد الاستخدامات. يتميز بموصلية حرارية عالية، وتمدد حراري منخفض، ومقاومة كيميائية عالية، وعزل كهربائي عالي، وثبات حراري. ويمكنه توليد درجات حرارة تصل إلى 1873 كلفن.

6. المواد ذات المعامل الحراري الإيجابي (PTC)

PTC مادة سيراميكية فريدة ذات معامل حراري موجب. تزداد مقاومتها الكهربائية بارتفاع درجة الحرارة. وهذا استثنائي لأن المواد السيراميكية التقليدية لها معامل حراري سالب (NTC). تنخفض مقاومتها بارتفاع درجة الحرارة.

المواد الشائعة لـ PTC هي PTC القائمة على أشباه الموصلات، ومقاومات أكسيد المعادن (MOVs)، وبعض البوليمرات.

يتم استخدامها على نطاق واسع في استشعار درجة الحرارة، وحماية الدائرة، وبدء تشغيل المحرك، والتدفئة ذاتية التنظيم،منفاخ القناة الجانبية والتبديل الحساس لدرجة الحرارة.

وتظل مستقرة في حالتها المادية حتى درجة حرارة 1273 كلفن.

7.نتريد الألومنيوم (AlN)

نتريد الألومنيوم مادة سيراميكية استثنائية تُستخدم كعنصر تسخين. يتميز بموصلية حرارية عالية، وعزل كهربائي ممتاز، وتمدد حراري منخفض، ومقاوم لمعظم المواد الكيميائية.

AIN هو عنصر تسخين سيراميكي شائع الاستخدام في صناعة أشباه الموصلات، وإضاءة LED، ومكونات الميكروويف، والترددات الراديوية، وإنتاج المشتت الحراري.

يمكن لنتريد الألومنيوم أن يولد درجات حرارة تصل إلى 873 كلفن.

خصائص عنصر التسخين الخزفي الجيد:

تُنتج جميع المواد الموصلة تقريبًا حرارةً عند مرور الكهرباء عبرها. ومع ذلك، ليست كل المواد الخزفية صالحةً للاستخدام كعناصر تسخين. يجب أن تتمتع المواد الخزفية ببعض الخصائص المحددة لتُعتبر عناصر تسخين، مثل:

المقاومة الكهربائية:

يجب أن تتمتع المواد بمقاومة كهربائية عالية لتُعتبر عناصر تسخين. تتميز الموصلات الفائقة بانخفاض مقاومتها، وهي غير مناسبة كعناصر تسخين نظرًا لانخفاض قيمة مقاومتها وتوصيليتها العالية.

مع أن عنصر التسخين الخزفي يجب أن يتمتع بمقاومة عالية، إلا أن مقاومته يجب ألا تكون عالية كالعوازل. العوازل لا تمرر الكهرباء، بينما يحتاج عنصر التسخين إلى خاصية نقل الكهرباء.

مقاومة الأكسدة:

عادةً ما تُسرّع الحرارة أكسدة المواد الخزفية، مما يُقلل من كفاءة عناصر التسخين، ويُقلل من عمرها الافتراضي.

يُخلط سبيكة مع عناصر التسخين لمقاومة الأكسدة. يُعدّ أكسيد السيليكون (SiO2) وأكسيد الألومنيوم (AI2O3) من المواد المضادة للأكسدة الشائعة المستخدمة لإنشاء قشور واقية على عناصر التسخين الخزفية.

معامل مقاومة درجة الحرارة:

تتغير مقاومة المواد بارتفاع درجة الحرارة. وتزداد مقاومة المواد الموصلة بارتفاع درجة الحرارة.

المواد التي تمتلك معامل مقاومة عالي لدرجة الحرارة تواجه زيادة سريعة في المقاومة مع ارتفاع درجة الحرارة.

يجب أن تتمتع عناصر التسخين الخزفية الجيدة بمعامل مقاومة منخفض لدرجة الحرارة.

الخصائص الميكانيكية:

يجب أن يتمتع عنصر التسخين المثالي ببعض الخصائص الميكانيكية. ومن أهم خصائصه الميكانيكية اللدونة، التي تسمح له بالانجذاب إلى الأسلاك بسهولة، مما يُسهّل تشكيله دون التأثير على قوة شدّه.

مقاومة التشوه سمة ميكانيكية أساسية أخرى لعناصر التسخين الخزفية. يستطيع عنصر التسخين الخزفي المناسب الحفاظ على حالته الفعلية عند درجات حرارة عالية بفضل هذه المقاومة الميكانيكية.

على العكس من ذلك، قد تتلف المواد الصلبة عند درجات الحرارة العالية، لذا فهي غير مناسبة كعناصر تسخين.

نقطة الانصهار:

نقطة الانصهار هي درجة الحرارة التي يتحول عندها المركب الصلب إلى سائل. تعتمد درجة حرارة تشغيل عناصر التسخين بشكل كبير على نقطة الانصهار. يتميز عنصر التسخين الخزفي الجيد بقيمة عالية لنقطة الانصهار.

إنها قادرة على توليد درجات حرارة عالية دون تشوه بسبب نقطة الانصهار العالية.

مميزات وعيوب عناصر التسخين الخزفية:

تتمتع عناصر التسخين الخزفية ببعض المزايا والعيوب، مثل:

 المزايا

• كفاءة: تتميز عناصر التسخين الخزفية بكفاءة عالية، إذ يمكنها توليد حرارة هائلة دون تغيير حالتها الفيزيائية والمادية. كما أنها تولد المزيد من الحرارة لكل واط لقيمتها العالية من المقاومة مقارنة بالعناصر المعدنية التقليدية.

• قابلية النقل: سخانات السيراميك محمولة لوزنها الخفيف، وهي مثالية لتدفئة المكاتب والغرف الصغيرة.

• أمان: جميع السخانات الخزفية آمنة للاستخدام.

العيوب

• التسخين البطيء: تحتاج السخانات الخزفية إلى وقت أطول للوصول إلى درجة الحرارة المستهدفة.

• ضوضاء: السخانات الخزفية أكثر ضوضاءً قليلاً من غيرها.

الأسئلة الشائعة

ما هي المادة التي يمكن استخدامها كعنصر تسخين؟

يتم استخدام كربيد السيليكون، ونتريد السيليكون، وأكسيد الألومنيوم (الألومينا)، والنيكل والكروم، والموليبدينوم والكروم والألومنيوم، ومبيد السيليكون الموليبدينوم كعناصر تسخين.

لماذا تعتبر السخانات الخزفية أفضل؟

تتميز السخانات الخزفية بقدرتها على توليد الحرارة بسرعة والاحتفاظ بها لفترة أطول بعد إيقاف تشغيلها. كما أنها عالية الكفاءة والفعالية للمساحات الصغيرة.

خاتمة: تُعد عناصر التسخين الخزفية أساسية في التطبيقات الصناعية والأجهزة المنزلية. فقدرتها الموثوقة على توليد الحرارة تجعلها مادة قيّمة في صناعة عناصر التسخين الحديثة.

عناصر التسخين الخزفية فعّالة، وسهلة الحمل، وآمنة الاستخدام. وسيُسهم التقدم المُستمر في علم المواد في الارتقاء بعناصر التسخين الخزفية إلى مستوى جديد.