Warystory

Materiałoznawstwo i korozja -
CERAMIKA
dr inż. Paulina Bednarek
GTCh, pokój 315
[email protected]
http://ztnic.ch.pw.edu.pl
Część II b
Różnorodne ceramiczne
materiały funkcjonalne
Warystory
Warystory (voltage dependent resistors) - materiały, które przy
niskich i umiarkowanych natężeniach pola elektrycznego są
izolatorami, gdy natężenie pola wzrośnie powyżej pewnej
granicznej wartości, stają się przewodnikami.
Symbol graficzny warystora
nieliniowa charakterystyka napięciowoprądowa warystora
Warystory
Warystory produkuje się obecnie najczęściej z ZnO,
domieszkowanego różnymi pierwiastkami, np. Bi, Mn, Sb, Si.
Warystory służą miedzy innymi jako odgromniki zaworowe,
zabezpieczające izolację napowietrznych linii elektrycznych
oraz urządzeń elektrycznych przed skutkami przepięć pochodzenia
atmosferycznego i łączeniowego.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Nadprzewodniki to materiały, w których obserwuje się, o
określonej niskiej temperaturze, występowanie niemierzalnie
małych wartości rezystywności.
Przejście od stanu normalnego
przewodnictwa do stanu
nadprzewodnictwa następuje
skokowo i zależy od
temperatury i pola
magnetycznego, w którym
znajduje się materiał.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Początkowo nadprzewodnictwo obserwowano tylko w pewnych
stopach metali, w temperaturach poniżej 22 K (nadprzewodniki
niskotemperaturowe).
Materiały ceramiczne wykazują nadprzewodnictwo w
temperaturach od 70 do 125 K (od -230ºC do -149ºC), a więc
znacznie wyższych niż znane nadprzewodniki metalowe. Z
tego względu nadprzewodniki ceramiczne noszą nazwę
nadprzewodników wysokotemperaturowych.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Pewna grupa nadprzewodników
wykazuje, po ochłodzeniu w
słabym polu magnetycznym,
efekt Meissnera, czyli całkowite
usunięcie pola magnetycznego z
ich wnętrza, poza cienką warstwę
przypowierzchniową.
www.hwa-rang.org.pl
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Magnes „lewitujący” nad nadprzewodnikiem – demonstracja
efektu Meissnera
www.wakans.pw.edu.pl
Nadprzewodniki - zastosowanie
Silne magnesy
Zastosowanie w elektronice:
 Pomiary słabych pól magnetycznych (efekt Josephsona)
 Przyspieszanie sygnału w układach scalonych (efekt tunelowy)
„Lewitujące” magnesy
 Wyznaczenie położenia magnetycznego
„Lewitujące” pociągi – Maglev
MRI - Magnetyczny Rezonans Jądrowy
Akceleratory
www.diagnostykaobrazowa.pl
Nadprzewodniki - zastosowanie
www.infrastructurist.com
Kolej magnetyczna Maglev .(magnetic levitation) – kolej, w której tradycyjne
torowisko zostało zastąpione przez układ elektromagnesów (wykonanych z
nadprzewodników). Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z
powierzchnią toru, gdyż cały czas unosi się nad nim.
Piezoelektryki
Piezoelektryczność występuje w kryształach,
które nie mają swojego środka symetrii, np. w
kryształach kwarcu SiO2.
Tytanian baru BaTiO3
Tytanian ołowiu PbTiO3
materiał piezoelektryczny
w spoczynku
materiał piezoelektryczny
poddany naprężeniu
mechanicznemu
Materiały piezoelektryczne - zastosowanie
Mikrofony
Czujniki drgań
Czujniki ciśnienia powietrza w oponach samochodowych
Urządzenia mierzące i kontrolujące położenie
Bezpieczniki
Materiały piezoelektryczne - zastosowanie
W zapalarkach do gazu, zapalniczkach - uderzenie ciężarka
rozpędzonego przez napiętą sprężynę, a następnie zwolnioną
przez zapadkę powoduje powstanie potencjału od kilku do
kilkunastu kV i przeskok iskry elektrycznej
Sterowanie pomiarem w mikroskopach STM czy AFM
Precyzyjne wagi analityczne i wagi domowe
Materiały piezoelektryczne - zastosowanie
Kardridże do drukarek
Zawory
Przyciski
Mikropompy
Słuchawki i głośniki
Płuczki ultradźwoiękowe,
rozmaite urządzenia do
mieszania i robienia emulsji
Tłumienie drgań
Wtryskiwacz piezoelektryczny
do silników wysokoprężnych
www.piezo-switch.com
Magnetyzm
Magnetyzm - ogół zjawisk fizycznych
związanych z polem magnetycznym,
które może być wytwarzane zarówno
przez prąd elektryczny jak i przez
materiały magnetyczne.
Oddziaływania magnetyczne odbywają się za
pośrednictwem pola magnetycznego, które w skali
makroskopowej wytwarzane jest na skutek ruchu
ładunków elektrycznych.
Ferryty
Ferryty miękkie - podlegają łatwemu rozmagnesowaniu,
ferryty o strukturze spinelu, np. CuFe2O4, MgFe2O4. Stosowane
tam, gdzie potrzebna jest szybka reakcja na zmianę pola
zewnętrznego.
Ferryty twarde – odporne
na działanie czynników
rozmagnesowujących, ferryty
barowe i strontowe, np.
BaO·Fe2O3, BaO·9Fe2O3.
Ferryty - zastosowanie
Magnesy ferrytowe
Głowice do zapisu
magnetycznego
Radiotechnika
Rdzenie cewek indukcyjnych dla
średnich i wysokich
częstotliwości stosowane w
obwodach rezonansowych i w
filtrach telekomunikacyjnych
www.sinomagnetic.com
Ferryty - zastosowanie
Elementy urządzeń mikrofalowych
Ferryty magnetyczne twarde do budowy magnesów trwałych.
Ferryty o prostokątnej pętli histerezy jako elementy
magnetycznej pamięci cyfrowej
www.engineerlive.com
www.teledynemicrowave.com
Lasery
Przy spełnieniu pewnych warunków światło emitowane przez
elektrony przechodzące z pasma przewodnictwa do pasma
podstawowego może być spójne (koherentne), silnie wzmocnione i
tworzyć wąską wiązkę rozchodzącą się w określonym kierunku.
Materiał emitujący takie światło nazywa się laserem.
Przykłady laserów na ciele stałym:
 laser rubinowy Al2O3 + Cr3+
 laser neodymowy Y3Al5O12 (YAG)
+ 5% Nd3+
Diody
Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (light-emitting diode) –
dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych,
emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i
ultrafioletu.
Pojedyncza dioda LED jest w
stanie świecić nawet 100 000
godzin co oznacza, że gdyby
palić ją przez 10 godzin
dziennie, starczyłaby na 22
lata! Ze względu na swoją
budowę, diody zużywają też
znacznie mniej energii niż
zwykłe żarówki a są w stanie
wyemitować
porównywalną
ilość światła.
www.led.ekologika.com.pl
Ceramika transparentna
Aby materiał ceramiczny był transparentny musi być całkowicie zagęszczony,
bez porowatości.
przezroczysty Al2O3 – wysokociśnieniowe lampy sodowe
przezroczysty MgO, mullit – świetlówki, lampy specjalne, okienka do IR
przezroczysta ceramika Y2O3-ThO2 – materiały laserowe
www.konoshima.co.jp/en/ceramics
Ceramika elektrooptyczna PLZT – (Pb,La)(Zr,Ti)O3 – elementy pamięci
optycznych, elementy modulacji światła, migawki, przełączniki świetlne.
Inteligentne układy materiałowe
Funkcjonalne materiały ceramiczne mogą rejestrować sygnały
pochodzące z otoczenia i wykazywać pewny odzew na te sygnały.
Mówi się, że materiały imitują zachowanie żywych organizmów. Z
tego względu takie materiały i układy nazywa się inteligentnymi, co
jest przybliżonym odpowiednikiem bardziej adekwatnego angielskiego
słowa smart - sprytny.
Inteligentne układy materiałowe
Przykładem elementu bez złożonych układów kontrolnych są elementy grzejne,
np. suszarek ubrań, wyparek paliwa, które same regulują temperaturę. Powietrze
przepływa tu pod ciśnieniem przez szereg mikroskopijnych otworów w grzejniku
wykonanym z domieszkowanego BaTiO3 w postaci plastra miodu. Gdy
wskutek przepływu prądu przez grzejnik, temp. wzrasta, rośnie rezystancja
BaTiO3. Powoduje to zmniejszenie natężenia prądu i tym samym obniżenie
temperatury. Temperatura grzejnika reguluje się sama, nie przekraczając pewnego
ustalonego poziomu.
Ogniwa paliwowe
Ogniwo paliwowe jest elektrochemicznym generatorem prądu,
który w sposób ciągły zamienia energię chemiczną w energię
elektryczną, w miarę jak dostarczane są paliwo i utleniacz. Zwykle
pojedyncze ogniwa paliwowe łączone są w stosy, aby uzyskać
lepsze parametry generatora prądotwórczego, przede wszystkim
wyższe napięcia pracy i moc.
Ogniwo paliwowe składa się z 2 elektrod i elektrolitu. Elektrolit
jest przewodnikiem elektryczności o przewodnictwie jonowym.
Ogniwa paliwowe
Efektem reakcji elektrodowych jest powstawanie napięcia na
biegunach ogniwa, dzięki czemu może ono być użyte jako źródło
stałego prądu.
Jeżeli elektrolitem jest tlenek (np. ZrO2)w postaci stałej to takie
ogniwo nazywa się SOFC (solid oxide fuel cell).
Ogniwa paliwowe SOFC
Zaletami ogniw o stałym elektrolicie są:
 brak problemów związanych z korozją czy zalewaniem porów
elektrody jak w przypadku elektrolitu ciekłego
 szybkość procesów zachodzących w ogniwie jest wysoka.
Wady:
 różnice w rozszerzalności termicznej materiałów, z których
wykonane są elementy ogniwa
 trudny proces wytwarzania materiałów odpornych na wysoką
temperaturę i jednocześnie dużą opornością elektryczną
elektrolitu.
Ogniwa paliwowe SOFC
obudowa
ceramiczna
www.cerel.eu
kolektory
prądu
płytka SOFC na
podłożu anodowym