谁说材料的电阻率都是固定的?日本东北大学开发出可自由设计阻抗的“金属陶瓷”材料

 

中学物理老师要哭晕在讲台上了。。。...



日本东北大学的研发让可以自由设计与控制体积电阻率的金属玻璃材料的实用化有了眉目。这种新型金属玻璃复合材料的特点是:一般为固有值的金属等材料的体积电阻率可以在较大范围内被设计与控制,而且通过强化复合材料的构造,弯曲强度与断裂韧性也都可设计得更高。开发出这种新型金属陶瓷材料的是日本东北大学大学院工学研究科材料开发专业的和久芳春客座教授。和久教授把这种材料暂命名为“金属陶瓷材料”。



用这种金属陶瓷材料试制的条状加热棒

利用烧结工艺可制作各种形状的平板加热器

加热器的线圈通常使用镍铬合金(NiCr)制成,而镍铬合金的体积电阻率按照材料成分的不同大致为10-2~10-3Ωcm的某个固定值。为此,要想得到某个电阻值,就必须对线圈的形状进行2次加工与调整。

而此次开发的新材料,其体积电阻率可在10~10-5Ωcm的范围内调整100万倍,为此仅需用烧结工艺制作成平板等简单的形状就可以获得所需电阻值。可是的工艺大幅简化,降低制造成本,有助于与发热器材的小型轻量化。

此次开发的金属陶瓷材料,其中玻璃材料采用普通的苏打玻璃系材料(SiO2、Na2CO3、CaCO3系材料),金属材料采用普通的镍铬合金材料(80质量%Ni+20质量%Cr)。

以普通的苏打玻璃为原料价格便宜

使用炭化硅素以及钢轴承的湿式球磨机,将苏打玻璃粉和铬粉进一步细微化后搅拌均匀。在这一处理过程中铬粉在细微化的同时还变成了圆盘状,这一变化使得材料强度从构造上获得了强化。粉碎细微化的苏打玻璃粉和铬粉通过离子放电烧结(SPS=Spark Plasma Sintering)成形,成形物的体积比为铬粉30体积%-80体积%之间。观察成形物的结构可发现,铬粉粒子称扁平圆盘状时,与均匀的球状粒子相比,其弯曲强度提高3倍左右与断裂韧性提高9倍左右。



通过烧结工艺制作的金属陶瓷材料

对此现象,和久教授推测道:“估计这是因为复合材料中起到强化作用的粒子变成扁平状后,破环这种扁平状的粒子所需能量就大幅上升的结果”

扁平状的粒子可提高强度

用此次试制的金属陶瓷材料制作的平板电阻条,与以往的电阻条相比,其优点是在体积和质量上都能够小型与轻量化。和久教授认为“主要原料是便宜的苏打玻璃,所以减少相对较贵的镍与铬,就可以降低成本”。

今后的开发计划是明确将该材料作为加热棒时的加热范围以及均匀加热的实际数据,实际验证该材料可以应用于远红外加热器。


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