Keramische Heizelemente verstehen:
Als Heizelemente werden keramische Materialien bezeichnet, die elektrische Energie in Wärmeenergie umwandeln können. Diese Energieumwandlung erfolgt nach dem Prinzip der Joule-Heizung.
Die keramischen Heizelemente finden breite Anwendung in Haushaltsgeräten und der Industrie. Sie sind langlebig, effizient und nachhaltig bei hohen Temperaturen.
Verschiedene Keramikmaterialien, die häufig als Heizelemente verwendet werden:
Einige Keramikmaterialien eignen sich gut als keramische Heizelemente. Im Folgenden sind die in der Keramikheizindustrie am häufigsten verwendeten Keramikmaterialien aufgeführt.
1. Siliziumkarbid (SiC):
Siliziumkarbid ist das führende Keramikmaterial für keramische Heizelemente. Es ist ein hartes, kristallines Material mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.
SiC hält sehr hohen Temperaturen bis zu 1973 K (Kelvin) stand und kann bei diesen Temperaturen betrieben werden. Es besteht aus Silizium- und Kohlenstoffatomen. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und chemischen Beständigkeit ist es ein beliebtes keramisches Heizelement.
SiC wird häufig in Keramik, Halbleitern und Schleifmitteln verwendet.
Temperaturumrechnungsformel:
1. Kelvin in Celsius: Celsius (°C) = Kelvin (K) - 273,15
2. Celsius in Kelvin: Kelvin (K) = Celsius (°C) + 273,15
Hinweis: Null Grad (0°C) Celsius entspricht 273,15 Kelvin.
2. Siliziumnitrid (Si3N4):
Siliziumnitrid ist ein weiteres häufig verwendetes Keramikmaterial bei der Herstellung von Heizelementen. Es verträgt Temperaturen über 1673,15 K.
Es verfügt über außergewöhnliche Eigenschaften wie Hochtemperaturbeständigkeit, Temperaturschockbeständigkeit, mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit und einen niedrigen Wärmekoeffizienten.
Si3N4 wird zur Herstellung von Keramikkomponenten, Halbleitern und Laborgeräten verwendet. Es findet auch Anwendung in der Metallverarbeitung und Wärmebehandlung.
3. Aluminiumoxid (Al2O3):
Aluminiumoxid ist allgemein als Tonerde bekannt. Es ist eines der wichtigsten Keramikmaterialien für Heizelemente. Dank seiner hohen Temperaturbeständigkeit hält es Temperaturen von 1873,15 K stand.
Al2O3 verfügt außerdem über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung und chemische Beständigkeit. Es wird häufig in Industrieöfen, Haushaltsgeräten und Laborgeräten verwendet.
4.Molybdändisilizid (MoSi2):
MoSi2 (Molybdändisilizid) ist ein weiteres beliebtes keramisches Heizelement. Dieses Keramikmetall weist eine hohe Oxidationsbeständigkeit und einen hohen Schmelzpunkt auf. Es kann in Luft oder Sauerstoff Temperaturen von bis zu 2173 K erzeugen.
Mit MoSi2 lassen sich je nach Ausführungstechnologie höhere Temperaturen erzeugen. Es wird in Hochtemperaturöfen eingesetzt.
Bei Zimmertemperatur ist das Keramikbauteil anfällig.
5. Pyrolytische Bornitrid (PBN)-Keramik:
Pyrolytisches Bornitrid (PBN) ist ein extrem reines Keramikmaterial, das als Heizelement in der Halbleiter-, Luft- und Raumfahrt-, Laborgeräte- und Elektronikindustrie verwendet wird.
PBN ist ein vielseitiges Keramikbauteil. Es zeichnet sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung, hohe chemische Beständigkeit, hohe elektrische Isolierung und Temperaturstabilität aus. PBN kann Temperaturen bis zu 1873 K erzeugen.
6. Materialien mit positivem Wärmekoeffizienten (PTC)
PTC ist ein einzigartiges Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten. Der elektrische Widerstand von PTC steigt mit steigender Temperatur. Dies ist außergewöhnlich, da typische Keramikmaterialien einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweisen. Ihr Widerstand sinkt mit steigender Temperatur.
Die gängigen PTC-Materialien sind halbleiterbasierte PTC, Metalloxidvaristoren (MOVs) und einige Polymere.
Sie werden häufig zur Temperaturmessung, zum Schutz von Stromkreisen, zum Starten von Motoren und zur selbstregulierenden Heizung verwendet.Seitenkanalverdichter und temperaturabhängiges Schalten.
Sie bleiben in ihrem materialistischen Zustand bis zu einer Temperatur von 1273 K stabil.
7. Aluminiumnitrid (AlN)
Aluminiumnitrid ist ein weiteres außergewöhnliches Keramikmaterial, das als Heizelement verwendet wird. Es verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende elektrische Isolierung, geringe Wärmeausdehnung und ist gegen die meisten Chemikalien beständig.
AIN ist ein beliebtes keramisches Heizelement, das in der Halbleiterindustrie, bei LED-Beleuchtung, Mikrowellenkomponenten, HF und der Kühlkörperproduktion verwendet wird.
Aluminiumnitrid kann Temperaturen von bis zu 873 K erzeugen.
Eigenschaften eines guten Keramikheizelements:
Fast alle leitfähigen Materialien erzeugen Wärme, wenn Strom durch sie hindurchfließt. Allerdings sind nicht alle Keramikmaterialien als Heizelemente geeignet. Keramikmaterialien müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen, um als Heizelemente in Frage zu kommen, wie zum Beispiel:
Elektrischer Widerstand:
Materialien müssen einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen, um als Heizelemente in Frage zu kommen. Supraleiter haben einen geringen Widerstand. Aufgrund ihres niedrigen Widerstandswerts und ihrer hohen Leitfähigkeit sind sie als Heizelemente nicht geeignet.
Obwohl das keramische Heizelement einen hohen Widerstand aufweisen sollte, sollte sein Widerstand nicht so hoch sein wie der der Isolatoren. Isolatoren können keinen Strom leiten, das Heizelement hingegen muss stromleitende Eigenschaften haben.
Oxidationsbeständigkeit:
Hitze beschleunigt typischerweise die Oxidation von Keramikmaterialien. Oxidation verringert die Effizienz von Heizelementen und verkürzt deren Lebensdauer.
Um Oxidation zu verhindern, wird den Heizelementen eine Legierung beigemischt. Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) sind die üblichen Antioxidationsmaterialien, die zum Erzeugen von Schutzschichten auf den keramischen Heizelementen verwendet werden.
Temperaturkoeffizient des Widerstandes:
Der Widerstand von Materialien ändert sich mit steigender Temperatur. Der Widerstand eines leitfähigen Materials steigt mit der Temperatur.
Bei Materialien mit einem hohen Temperaturwiderstandskoeffizienten steigt der spezifische Widerstand mit steigender Temperatur schnell an.
Gute Keramikheizelemente sollten einen niedrigen Temperaturwiderstandskoeffizienten haben.
Mechanische Eigenschaften:
Ein perfektes Heizelement muss bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen. Eine der wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Heizelementen ist die Duktilität. Durch die Duktilität können sich die Heizelemente in die Drähte einziehen. Sie lassen sich leicht formen, ohne dass ihre Zugfestigkeit dadurch beeinträchtigt wird.
Die Verformungsbeständigkeit ist eine weitere wichtige mechanische Eigenschaft von Keramikheizelementen. Ein geeignetes Keramikheizelement kann seinen tatsächlichen Zustand bei hohen Temperaturen aufgrund dieser mechanischen Beständigkeit beibehalten.
Im Gegenteil, harte Materialien können bei hohen Temperaturen beschädigt werden und sind daher als Heizelemente nicht geeignet.
Schmelzpunkt:
Der Schmelzpunkt bezeichnet die Temperatur, bei der sich eine feste Verbindung in eine Flüssigkeit verwandelt. Die Betriebstemperatur von Heizelementen hängt maßgeblich vom Schmelzpunkt ab. Ein gutes Keramikheizelement weist einen hohen Schmelzpunkt auf.
Aufgrund des hohen Schmelzpunkts können sie hohe Temperaturen erzeugen, ohne sich zu verformen.
Vor- und Nachteile von Keramikheizelementen:
Keramische Heizelemente haben einige Vor- und Nachteile, wie zum Beispiel:
Vorteile
- Effizienz: Keramische Heizelemente sind hocheffizient. Sie können enorme Hitze erzeugen, ohne ihren physikalischen und materiellen Zustand zu verändern. Aufgrund ihres hohen Widerstandswerts erzeugen sie außerdem mehr Wärme pro Watt als herkömmliche Metallelemente.
- Portabilität: Keramikheizungen sind aufgrund ihres geringen Gewichts tragbar. Sie eignen sich ideal zum Heizen eines kleinen Büros und Zimmers.
- Sicherheit: Alle Keramikheizungen sind sicher in der Anwendung.
Nachteile
- Langsames Erhitzen: Keramikheizungen benötigen mehr Zeit, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
- Lärm: Keramikheizungen sind etwas lauter als die anderen.
FAQs
Welches Material kann als Heizelement verwendet werden?
Als Heizelemente werden Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid (Aluminiumoxid), Nickel-Chrom, Molybdän-Chrom-Aluminium und Molybdändisilizid verwendet.
Warum sind Keramikheizungen besser?
Keramikheizungen erzeugen schnell Wärme und speichern diese nach dem Ausschalten länger. Sie sind hocheffizient und eignen sich besonders für kleine Räume.
Abschluss: Keramische Heizelemente sind für industrielle Anwendungen und Haushaltsgeräte unverzichtbar. Ihre zuverlässige Wärmeerzeugung macht sie zu einem wertvollen Werkstoff für die moderne Heizelementindustrie.
Keramische Heizelemente sind effizient, tragbar und sicher in der Anwendung. Weitere Fortschritte in der Materialwissenschaft werden die Entwicklung keramischer Heizelemente auf ein neues Niveau heben.