مزايا الأداء ومجالات تطبيق قضيب كربيد السيليكون كمادة حرارية كهربائية

يمكن للمواد الكهروحرارية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وتُستخدم لتصنيع عناصر التسخين المقاومة، والتي تُستخدم على نطاق واسع في المعدات الصناعية والمدنية. في مجال المعالجة ذات درجات الحرارة العالية، تزداد العمليات تحت ظروف العمل القاسية باستمرار، مما يجعل اختيار المواد الكهروحرارية أمرًا حاسمًا. تتناول هذه المقالة الجوانب الأساسية لقضبان الكربون السيليكوني: أنواعها، وخصائصها، والمواد المستخدمة في تصنيعها، وفوائد التطبيق، وتحليل التطبيق.

1. أنواع وخصائص المواد الكهروحرارية

يمكن تقسيم المواد الكهروحرارية بشكل تقريبي إلى نوعين: معدني وغير معدني.

تشمل المواد الكهروحرارية المعدنية بشكل رئيسي سبائك النيكل (مثل سلك النيكل-كروم Ni-Cr) وسبائك الحديد (مثل سلك الحديد-كروم-ألومنيوم Fe-Cr-Al).

تشمل المواد الكهروحرارية غير المعدنية قضبان الكربون السيليكوني، وقضبان السيليكون-الموليبدينوم، وعناصر الكهروحرارية PTC، وMoSi2، إلخ.

· المواد الكهروحرارية المعدنية

نظرًا لأن المواد الكهروحرارية المعدنية تتمتع بتوصيل حراري وكهربائي جيد، وسهولة التشكيل، تُستخدم على نطاق واسع كعناصر تسخين للأفران الكهربائية في الصناعات التقليدية والأجهزة المنزلية.

تصل درجة حرارة التسخين القصوى لسبائك النيكل-كروم إلى 1150 درجة مئوية، وسبائك الحديد-كروم إلى 1400 درجة مئوية. عمومًا، عندما تتجاوز درجة حرارة التشغيل 1000 درجة مئوية، ستظهر مشاكل مثل التبخر، والتشوه، وحتى الانصهار.

بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل الأكسدة لعناصر التسخين المعدنية يكون سريعًا نسبيًا، ويصعب ضمان الاستقرار والفعالية طويلة الأمد في الاستخدام المستمر. علاوة على ذلك، سيزداد معدل المقاومة لعناصر التسخين المعدنية عند درجات الحرارة العالية، مما يقلل من التوصيل الحراري عند درجات الحرارة العالية.

· المواد الكهروحرارية غير المعدنية

تتميز المواد الكهروحرارية غير المعدنية بمقاومة عالية للحرارة، واستقرار حراري جيد، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للأكسدة، ومعدل تحويل كهربائي حراري عالي، وخصائص ميكانيكية ممتازة.

لذلك، تكون المواد الكهروحرارية غير المعدنية أكثر استقرارًا من المواد المعدنية في البيئات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية والتآكل الشديد، حيث تُستخدم على نطاق واسع في الأفران الكهربائية والأفران الكهربائية التجريبية في الصناعات ذات درجات الحرارة العالية وكذلك في مجالات الطيران والطب الحيوي والسيارات وغيرها.

2. مواد الكربون السيليكوني ومزايا قضبان كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة غير معدنية جديدة تُنتج عن طريق صهر رمل السيليكا والمواد الخام المحتوية على الكربون عند درجة حرارة عالية. تم اكتشاف كربيد السيليكون المُصنع بشكل مصطنع عن طريق الصدفة من قبل العالم الأمريكي إديسون في عام 1891 خلال تجربة.

يمتلك كربيد السيليكون العديد من المزايا، بما في ذلك الصلابة العالية، والتوصيل الحراري العالي، والاستقرار الكيميائي العالي، والاستقرار الحراري العالي، وخصائص أشباه الموصلات. وقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الأجهزة الإلكترونية، والمواد الكاشطة وأدوات القطع، والمواد المقاومة للحرارة، وصناعة الطيران، وصناعة السيارات، والمعدات الأخرى.

تُصنع قضبان الكربون السيليكوني من كربيد السيليكون الأخضر السداسي النقي كمواد خام رئيسية، والتي يتم صياغتها ومعالجتها بدقة إلى الشكل المطلوب، ثم تُحرق عند درجة حرارة 2200 درجة مئوية لتشكيل مكون تسخين كهربائي غير معدني على شكل قضيب أو أنبوب.

نقطة انصهار قضبان كربيد السيليكون عالية جدًا، حيث يمكن أن تصل درجة حرارة العمل في بيئة مؤكسدة إلى 1450 درجة مئوية، ويمكن أن تعمل بشكل مستمر ومستقر لمدة 2000 ساعة.

بالإضافة إلى خصائص الاستقرار الحراري العالي ومقاومة الأكسدة القوية، تتمتع قضبان كربيد السيليكون أيضًا بمزايا مقاومة التآكل العالية، ومقاومة التآكل الممتازة، والتسخين السريع، وسهولة التركيب والاستخدام.

بالإضافة إلى ذلك، عند درجات حرارة معينة، تنخفض مقاومة قضبان كربيد السيليكون بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة، مما يوفر توصيلًا حراريًا أكثر كفاءة من المكونات المعدنية عند درجات الحرارة العالية.

بالإضافة إلى كونها العنصر الأساسي للتسخين الكهربائي لأفران النفق، والأفران الدوارة، وأفران صهر الزجاج، والأفران الفراغية وغيرها من أجهزة التسخين المختلفة، يمكن لقضبان الكربون السيليكوني أيضًا العمل مع أنظمة التحكم الإلكتروني المتقدمة لتحقيق التحكم الدقيق في درجة الحرارة الثابتة، وأداء ضبط تلقائي لدرجة الحرارة على شكل منحنى وفقًا لمتطلبات عملية الإنتاج المحددة.

3. تحليل تطبيقات قضبان كربيد السيليكون

على الرغم من أن قضبان الكربون السيليكوني لديها العديد من المزايا التي لا تمتلكها عناصر التسخين الكهربائي المعدنية، إلا أن استخدامها محدود بسبب سعرها الأعلى من المواد الحرارية الكهربائية المعدنية التي تُستخدم عمومًا عندما تكون درجة حرارة التشغيل أقل من 1000 درجة مئوية. تُستخدم قضبان كربيد السيليكون بشكل أكثر شيوعًا في البيئات العملية القاسية حيث لا يمكن للمواد الحرارية الكهربائية المعدنية التأهل.

تطبيقات قضبان كربيد السيليكون

· معدات الأفران الصناعية: يمكن استخدام قضبان كربيد السيليكون كعناصر تسخين، ومواقد، وقوالب صب لمختلف الأفران الكهربائية في صناعات مثل التعدين والتصنيع.

· صناعة الإلكترونيات: أثناء عملية معالجة الحرارة للمواد مثل أشباه الموصلات، يمكن لقضبان كربيد السيليكون توفير بيئة عالية الحرارة يتم التحكم فيها بدقة لتلبية المتطلبات التقنية الصارمة.

· تحضير المواد المغناطيسية: غالبًا ما تُستخدم قضبان كربيد السيليكون في التلبيد والتلدين للمواد المغناطيسية، حيث تضمن استقرارها الحراري العالي للغاية أداء وجودة المواد المغناطيسية.

· صناعة تصنيع السيراميك والزجاج: يمكن لقضبان كربيد السيليكون الحفاظ بشكل فعال على درجة الحرارة العالية الثابتة المطلوبة أثناء التحضير، مما يضمن تسخينًا موحدًا للفراغ، وبالتالي تحسين جودة المنتج.

· البحث العلمي: تُناسب قضبان كربيد السيليكون البيئات التجريبية التي تتطلب تحكمًا صارمًا في تغيرات درجة الحرارة.

علاوة على ذلك، أظهرت قضبان كربيد السيليكون إمكانات كبيرة في التطبيقات في مجالات مثل الطب، الغذاء، مراقبة البيئة بفضل أدائها الممتاز في الخصائص الكيميائية والميكانيكية والبصرية وغيرها.

4. الملخص

في العمليات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية، تعتمد التشغيل المستمر للأفران بشكل خاص على المواد طويلة العمر لتقليل وقت التوقف إلى الحد الأدنى وزيادة العائد على الاستثمار إلى الحد الأقصى. لذلك، تحتاج المواد الحرارية الكهربائية إلى أن تكون متخصصة للغاية ولديها أداء ممتاز لتتناسب مع أنواع الأفران المختلفة. لذلك، تُعتبر قضبان كربيد السيليكون الخيار المثالي للمواد الحرارية الكهربائية ذات درجات الحرارة العالية. مع النمو المستمر للاقتصاد العالمي وتقدم عملية التصنيع، يتوسع سوق تطبيق قضبان الكربون السيليكوني بشكل مطرد.