Compreendendo o elemento de aquecimento cerâmico:
Materiais cerâmicos que têm o potencial de converter energia elétrica em energia térmica são conhecidos como elementos de aquecimento. Essa conversão de energia ocorre por um princípio chamado Aquecimento Joule.
Os elementos de aquecimento cerâmicos têm ampla aplicação em eletrodomésticos e na indústria. São duráveis, eficientes e sustentáveis em altas temperaturas.
Diferentes materiais cerâmicos comumente usados como elementos de aquecimento:
Alguns materiais cerâmicos são adequados como elementos de aquecimento cerâmicos. Os seguintes são os materiais cerâmicos mais comumente utilizados na indústria de aquecimento cerâmico.
1.Carbeto de silício (SiC):
O carboneto de silício é o principal material cerâmico utilizado como elemento de aquecimento cerâmico. É um composto duro e cristalino com diversas aplicações.
O SiC pode suportar e operar em temperaturas altíssimas de até 1973 K (Kelvin). Possui átomos de silício e carbono. É um elemento de aquecimento cerâmico popular devido à sua alta condutividade térmica e resistência química.
O SiC é amplamente utilizado em cerâmicas, semicondutores e abrasivos.
Fórmula de conversão de temperatura:
1. Kelvin para Celsius: Celsius (°C) = Kelvin (K) - 273,15
2. Celsius para Kelvin: Kelvin (K) = Celsius (°C) + 273,15
Nota: Zero graus (0°C) Celsius é igual a 273,15 Kelvin.
2. Nitreto de silício (Si3N4):
Nitreto de silício é outro material cerâmico comum usado na produção de elementos de aquecimento. Ele pode tolerar temperaturas acima de 1.673,15 K.
Possui propriedades excepcionais, como resistência a altas temperaturas, resistência ao choque térmico, resistência mecânica, resistência química e baixo coeficiente térmico.
O Si3N4 é utilizado na fabricação de componentes cerâmicos, semicondutores e equipamentos de laboratório. Também possui aplicações em processos de metalurgia ou tratamento térmico.
3. Óxido de alumínio (Al2O3):
O óxido de alumínio, popularmente conhecido como alumina, é um dos principais materiais cerâmicos utilizados em elementos de aquecimento. Sua alta resistência a altas temperaturas permite que ele resista a temperaturas de 1873,15 K.
O Al2O3 também possui excelente condutividade térmica, isolamento elétrico e resistência química. É comumente utilizado em fornos industriais, eletrodomésticos e equipamentos de laboratório.
4. Dissilicida de molibdênio (MoSi2):
MoSi2 (dissilicieto de molibdênio) é outro elemento de aquecimento cerâmico popular. Este metal cerâmico possui alta resistência à oxidação e ponto de fusão. Pode gerar temperaturas de até 2173 K em ar ou oxigênio.
Dependendo da tecnologia de projeto, o MoSi2 pode ser usado para gerar temperaturas mais altas. É utilizado em fornos de alta temperatura.
O componente cerâmico é vulnerável à temperatura ambiente.
5. Cerâmica de nitreto de boro pirolítico (PBN):
Nitreto de boro pirolítico (PBN) é um material cerâmico extremamente puro usado como elemento de aquecimento nas indústrias de semicondutores, aeroespacial, equipamentos de laboratório e eletrônica.
O PBN é um componente cerâmico versátil. Possui alta condutividade térmica, baixa expansão térmica, alta resistência química, alto isolamento elétrico e estabilidade térmica. O PBN pode gerar temperaturas de até 1873 K.
6. Materiais com coeficiente térmico positivo (PTC)
O PTC é um material cerâmico exclusivo com coeficiente de temperatura positivo. A resistência elétrica do PTC aumenta com o aumento da temperatura. Isso é excepcional, pois os materiais cerâmicos típicos têm um coeficiente de temperatura negativo (NTC). Sua resistência diminui com o aumento da temperatura.
Os materiais PTC comuns são PTC baseados em semicondutores, varistores de óxido metálico (MOVs) e alguns polímeros.
Eles são amplamente utilizados em detecção de temperatura, proteção de circuitos, partida de motores, aquecimento autorregulado,soprador de canal lateral e comutação sensível à temperatura.
Eles permanecem estáveis em seu estado material até uma temperatura de 1273K.
7. Nitreto de alumínio (AlN)
O nitreto de alumínio é outro material cerâmico excepcional utilizado como elemento de aquecimento. Possui alta condutividade térmica, excelente isolamento elétrico, baixa expansão térmica e é resistente à maioria dos produtos químicos.
AIN é um elemento de aquecimento cerâmico popular usado na indústria de semicondutores, iluminação LED, componentes de micro-ondas, RF e produção de dissipadores de calor.
O nitreto de alumínio pode gerar temperaturas de até 873 K.
Propriedades de um bom elemento de aquecimento cerâmico:
Quase todos os materiais condutores geram calor quando a eletricidade passa por eles. No entanto, nem todos os materiais cerâmicos são utilizáveis como elemento de aquecimento. Os materiais cerâmicos devem possuir algumas propriedades específicas para serem considerados elementos de aquecimento, como:
Resistência elétrica:
Os materiais devem ter alta resistência elétrica para serem considerados elementos de aquecimento. Supercondutores têm baixa resistência. Eles não são adequados como elementos de aquecimento devido ao seu baixo valor de resistência e alta condutividade.
Embora o elemento de aquecimento cerâmico deva ter alta resistência, sua resistência não deve ser tão alta quanto a dos isolantes. Os isolantes não conseguem transmitir eletricidade, mas o elemento de aquecimento precisa ter características de transmissão de eletricidade.
Resistência à oxidação:
Normalmente, o calor acelera a oxidação dos materiais cerâmicos. A oxidação reduz a eficiência dos elementos de aquecimento. Também reduz sua vida útil.
Uma liga é misturada aos elementos de aquecimento para resistir à oxidação. Óxido de silício (SiO2) e óxido de alumínio (AI2O3) são os materiais antioxidantes comuns usados para criar camadas protetoras nos elementos de aquecimento cerâmicos.
Coeficiente de resistência de temperatura:
As resistências dos materiais mudam com o aumento da temperatura. A resistência de um material condutor aumenta com a temperatura.
Materiais que possuem um alto coeficiente de resistência de temperatura sofrem um rápido aumento na resistividade com o aumento da temperatura.
Bons elementos de aquecimento cerâmicos devem ter um coeficiente de resistência de baixa temperatura.
Propriedades mecânicas:
Um elemento de aquecimento perfeito deve possuir algumas propriedades mecânicas. Uma das principais qualidades mecânicas dos elementos de aquecimento é a ductilidade. A ductilidade permite que os elementos de aquecimento penetrem nos fios. Eles são facilmente moldados sem comprometer sua resistência à tração, o que resulta nessa propriedade.
A resistência à deformação é outra característica mecânica essencial dos elementos de aquecimento cerâmicos. Um elemento de aquecimento cerâmico adequado pode manter seu estado atual em altas temperaturas para essa resistência mecânica.
Por outro lado, materiais duros podem ser danificados em altas temperaturas. Portanto, não são adequados como elementos de aquecimento.
Ponto de fusão:
O ponto de fusão refere-se à temperatura na qual um composto sólido se transforma em líquido. A temperatura de operação dos elementos de aquecimento depende significativamente do ponto de fusão. Um bom elemento de aquecimento cerâmico tem um ponto de fusão alto.
Eles podem gerar altas temperaturas sem deformação devido ao alto ponto de fusão.
Vantagens e desvantagens dos elementos de aquecimento cerâmicos:
Os elementos de aquecimento cerâmicos apresentam algumas vantagens e desvantagens, como:
Vantagens
- Eficiência: Os elementos de aquecimento cerâmicos são altamente eficientes. Eles podem gerar muito calor sem alterar seu estado físico e material. Eles também geram mais calor por watt devido ao seu alto valor de resistência do que os elementos metálicos tradicionais.
- Portabilidade: Aquecedores de cerâmica são portáteis devido ao seu peso leve. São ideais para aquecer pequenos escritórios e salas.
- Segurança: Todos os aquecedores de cerâmica são seguros para uso.
Desvantagens
- Aquecimento lento: Aquecedores de cerâmica levam mais tempo para atingir a temperatura desejada.
- Barulho: Aquecedores de cerâmica são um pouco mais barulhentos que os outros.
Perguntas frequentes
Qual material pode ser usado como elemento de aquecimento?
Carboneto de silício, nitreto de silício, óxido de alumínio (alumina), níquel-cromo, molibdênio-cromo-alumínio e dissilicieto de molibdênio são usados como elementos de aquecimento.
Por que os aquecedores de cerâmica são melhores?
Aquecedores de cerâmica geram calor rapidamente e retêm o calor por mais tempo após serem desligados. São altamente eficientes e eficazes para espaços pequenos.
Conclusão: Elementos de aquecimento cerâmicos são essenciais para aplicações industriais e eletrodomésticos. Sua capacidade confiável de geração de calor os torna um material valioso para a indústria moderna de elementos de aquecimento.
Os elementos de aquecimento cerâmicos são eficientes, portáteis e seguros de usar. Avanços adicionais na ciência dos materiais elevarão os elementos de aquecimento cerâmicos a um novo patamar.