Inzicht in keramisch verwarmingselement:
Keramische materialen die elektrische energie kunnen omzetten in warmte-energie, staan bekend als verwarmingselementen. Deze energieomzetting vindt plaats via een principe dat Joule-verwarming wordt genoemd.
Keramische verwarmingselementen hebben een brede toepassing in huishoudelijke apparaten en de industrie. Ze zijn duurzaam, efficiënt en bestand tegen hoge temperaturen.
Verschillende keramische materialen die vaak worden gebruikt als verwarmingselementen:
Sommige keramische materialen zijn zeer geschikt als keramische verwarmingselementen. Hieronder volgen de meest gebruikte keramische materialen in de keramische verwarmingsindustrie.
1. Siliciumcarbide (SiC):
Siliciumcarbide is het meest gebruikte keramische materiaal als keramisch verwarmingselement. Het is een harde verbinding en kristallijn materiaal met diverse toepassingen.
SiC is bestand tegen en functioneert bij zeer hoge temperaturen tot 1973 K (Kelvin). Het bevat silicium- en koolstofatomen. Het is een populair keramisch verwarmingselement vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en chemische bestendigheid.
SiC wordt veel gebruikt in keramiek, halfgeleiders en schuurmiddelen.
Formule voor temperatuurconversie:
1.Kelvin naar Celsius: Celsius (°C) = Kelvin (K) -273,15
2. Celsius naar Kelvin: Kelvin (K) = Celsius (°C) + 273,15
Let op: nul graden (0°C) Celsius is gelijk aan 273,15 Kelvin.
2. Siliciumnitride (Si3N4):
Siliciumnitride is een ander veelgebruikt keramisch materiaal voor de productie van verwarmingselementen. Het is bestand tegen temperaturen boven 1673,15 K.
Het heeft uitzonderlijke eigenschappen, zoals hogetemperatuurbestendigheid, thermische schokbestendigheid, mechanische sterkte, chemische bestendigheid en een lage thermische coëfficiënt.
Si3N4 wordt gebruikt bij de productie van keramische componenten, halfgeleiders en laboratoriumapparatuur. Het wordt ook gebruikt in metaalbewerkings- of warmtebehandelingsprocessen.
3. Aluminiumoxide (Al2O3):
Aluminiumoxide is in de volksmond bekend als alumina. Het is een van de belangrijkste keramische materialen die in verwarmingselementen worden gebruikt. Het is bestand tegen temperaturen van 1873,15 K dankzij zijn hoge temperatuurbestendigheid.
Al2O3 heeft ook een uitstekende thermische geleidbaarheid, elektrische isolatie en chemische bestendigheid. Het wordt veel gebruikt in industriële ovens, huishoudelijke apparaten en laboratoriumapparatuur.
4.Molybdeendisilicide (MoSi2):
MoSi2 (molybdeendisilicide) is een ander populair keramisch verwarmingselement. Dit keramische metaal heeft een hoge oxidatiebestendigheid en een hoog smeltpunt. Het kan temperaturen tot 2173 K genereren in lucht of zuurstof.
MoSi2 kan worden gebruikt om hogere temperaturen te genereren, afhankelijk van de ontwerptechnologie. Het wordt gebruikt in hogetemperatuurovens.
Het keramische onderdeel is kwetsbaar bij kamertemperatuur.
5. Pyrolytische boornitride (PBN) keramiek:
Pyrolytisch boornitride (PBN) is een extreem zuiver keramisch materiaal dat wordt gebruikt als verwarmingselement in de halfgeleider-, lucht- en ruimtevaart-, laboratoriumapparatuur- en elektronica-industrie.
PBN is een veelzijdige keramische component. Het heeft een hoge thermische geleidbaarheid, lage thermische uitzetting, hoge chemische bestendigheid, hoge elektrische isolatie en temperatuurstabiliteit. PBN kan temperaturen tot 1873 K genereren.
6. Materialen met positieve thermische coëfficiënt (PTC)
PTC is een uniek keramisch materiaal met een positieve temperatuurcoëfficiënt. De elektrische weerstand van PTC neemt toe met stijgende temperatuur. Dit is uitzonderlijk, omdat typische keramische materialen een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) hebben. De weerstand neemt af met stijgende temperatuur.
De meest voorkomende PTC-materialen zijn PTC op basis van halfgeleiders, metaaloxidevaristoren (MOV's) en sommige polymeren.
Ze worden veel gebruikt bij temperatuurmeting, circuitbeveiliging, het starten van motoren, zelfregulerende verwarming,zijkanaalventilator en temperatuurgevoelige schakeling.
Ze blijven stabiel in hun materialistische toestand tot een temperatuur van 1273K.
7. Aluminiumnitride (AlN)
Aluminiumnitride is een ander uitzonderlijk keramisch materiaal dat als verwarmingselement wordt gebruikt. Het heeft een hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende elektrische isolatie, lage thermische uitzetting en is bestand tegen de meeste chemicaliën.
AIN is een populair keramisch verwarmingselement dat wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie, LED-verlichting, microgolfcomponenten, RF en de productie van koellichamen.
Aluminium Nitride kan temperaturen tot 873K genereren.
Eigenschappen van een goed keramisch verwarmingselement:
Vrijwel alle geleidende materialen genereren warmte wanneer er elektriciteit doorheen stroomt. Niet alle keramische materialen zijn echter geschikt als verwarmingselement. De keramische materialen moeten aan een aantal specifieke eigenschappen voldoen om als verwarmingselement te worden beschouwd, zoals:
Elektrische weerstand:
Materialen moeten een hoge elektrische weerstand hebben om als verwarmingselement te worden beschouwd. Supergeleiders hebben een lage weerstand. Ze zijn niet geschikt als verwarmingselement vanwege hun lage weerstandswaarde en hoge geleidbaarheid.
Hoewel het keramische verwarmingselement een hoge weerstand moet hebben, mag de weerstand niet zo hoog zijn als die van isolatoren. Isolatoren kunnen geen elektriciteit doorlaten, maar het verwarmingselement moet wel elektriciteit doorlaten.
Oxidatiebestendigheid:
Warmte versnelt doorgaans de oxidatie van keramische materialen. Oxidatie vermindert de efficiëntie van verwarmingselementen en verkort ook hun levensduur.
Een legering wordt met de verwarmingselementen gemengd om oxidatie tegen te gaan. Siliciumoxide (SiO2) en aluminiumoxide (AI2O3) zijn de gebruikelijke antioxidatiematerialen die worden gebruikt om beschermende schilfers op de keramische verwarmingselementen te creëren.
Temperatuurcoëfficiënt van weerstand:
De weerstand van materialen verandert met de temperatuur. De weerstand van een geleidend materiaal neemt toe met de temperatuur.
Materialen met een hoge temperatuurcoëfficiënt vertonen een snelle toename van de soortelijke weerstand naarmate de temperatuur stijgt.
Goede keramische verwarmingselementen moeten een lage temperatuurcoëfficiënt hebben.
Mechanische eigenschappen:
Een perfect verwarmingselement moet een aantal mechanische eigenschappen hebben. Een van de belangrijkste mechanische eigenschappen van verwarmingselementen is ductiliteit. Ductiliteit zorgt ervoor dat de verwarmingselementen zich in de draden kunnen trekken. Ze zijn gemakkelijk te vormen zonder hun treksterkte te beïnvloeden.
Weerstand tegen vervorming is een andere essentiële mechanische eigenschap van keramische verwarmingselementen. Een geschikt keramisch verwarmingselement kan zijn huidige toestand bij hoge temperaturen behouden voor deze mechanische weerstand.
Harde materialen daarentegen kunnen bij hoge temperaturen beschadigd raken en zijn daarom niet geschikt als verwarmingselement.
Smeltpunt:
Het smeltpunt verwijst naar de temperatuur waarbij een vaste stof overgaat in een vloeistof. De bedrijfstemperatuur van verwarmingselementen hangt sterk af van het smeltpunt. Een goed keramisch verwarmingselement heeft een hoog smeltpunt.
Ze kunnen hoge temperaturen genereren zonder vervorming vanwege het hoge smeltpunt.
Voordelen en nadelen van keramische verwarmingselementen:
Keramische verwarmingselementen hebben enkele voor- en nadelen, zoals:
Voordelen
- Efficiëntie: Keramische verwarmingselementen zijn zeer efficiënt. Ze kunnen enorme warmte genereren zonder hun fysieke en materiële toestand te veranderen. Ze genereren bovendien meer warmte per watt vanwege hun hoge weerstandswaarde dan de traditionele metalen elementen.
- Draagbaarheid: Keramische kachels zijn draagbaar door hun lichte gewicht. Ideaal voor het verwarmen van een klein kantoor of een kleine kamer.
- Veiligheid: Alle keramische verwarmingselementen zijn veilig in gebruik.
Nadelen
- Langzaam verwarmen: Keramische verwarmingselementen hebben meer tijd nodig om de gewenste temperatuur te bereiken.
- Lawaai: Keramische verwarmingselementen zijn iets luidruchtiger dan de andere soorten.
Veelgestelde vragen
Welk materiaal kan als verwarmingselement gebruikt worden?
Als verwarmingselementen worden siliciumcarbide, siliciumnitride, aluminiumoxide (alumina), nikkel-chroom, molybdeen-chroom-aluminium en molybdeendisilicide gebruikt.
Waarom zijn keramische verwarmingselementen beter?
Keramische kachels kunnen snel warmte genereren en de warmte langer vasthouden nadat ze zijn uitgeschakeld. Ze zijn zeer efficiënt en effectief voor kleine ruimtes.
Conclusie: Keramische verwarmingselementen zijn essentieel voor industriële toepassingen en huishoudelijke apparaten. Hun betrouwbare warmteopwekking maakt ze een waardevol materiaal voor de moderne verwarmingselementenindustrie.
Keramische verwarmingselementen zijn efficiënt, draagbaar en veilig in gebruik. Verdere vooruitgang in de materiaalkunde zal keramische verwarmingselementen naar een nieuw niveau tillen.