Quelles sont les propriétés thermiques et mécaniques du mica comme isolant dans la construction de plaques chauffantes ?

À l’intérieur de nombreuses plaques chauffantes industrielles se trouve un mince matériau feuilleté qui isole l’élément chauffant actif du corps métallique mis à la terre. Ce matériau est le mica et il est essentiel dans certaines conceptions de radiateurs en raison de son mélange unique d’isolation électrique et de stabilité à haute température. Connaissant les qualités thermiques et mécaniques du mica, les ingénieurs peuvent sélectionner le matériau d'isolation approprié pour les bandes chauffantes, les bandes chauffantes, les cartouches chauffantes et les systèmes de chauffage à plaques.

Qu’est-ce que le mica mica ? Un isolant naturel Le mica est une série de minéraux silicatés naturels qui se brisent en fines feuilles élastiques et transparentes. Les deux variétés les plus populaires utilisées dans les applications de chauffage électrique sont

Mica muscovite (silicate d'aluminium et de potassium) - La qualité la plus courante, avec de bonnes qualités électriques et une bonne résistance thermique.

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Synonymes

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Mica phlogopite (silicate d'aluminium et de magnésium) – rigidité diélectrique légèrement inférieure, mais température nominale continue plus élevée, utilisée dans les appareils de chauffage industriels à haute température.

Le mica est extrait et transformé en feuilles, en films ou en formes. Il peut être coupé, percé ou moulé autour des appareils de chauffage. Les feuilles de mica sont courantes et recouvertes d'un fil de résistance, tel que du nichrome ou équivalent, pour constituer un ensemble d'éléments chauffants en mica pour les appareils de chauffage.

Propriétés thermiques : conductivité moyenne et résistance à haute température
Un attribut fondamental du mica est sa capacité à résister à des températures élevées sans se désintégrer, dégazer ou perdre ses capacités d’isolation électrique.

Les températures maximales de service continu varient selon les différents types de mica :

Mica muscovite : 932-1112 degrés F (500-600 degrés)

Phlogopite Mica : 700 à 800 degrés (1 292 à 1 472 degrés F)

Même une courte exposition à des températures plus élevées (par exemple 900 à 1 000 degrés pour la phlogopite) est concevable, mais un fonctionnement au-delà de la limite continue pendant une période prolongée entraîne une perte progressive de l'intégrité mécanique et une résistance isolante plus faible.

Le mica a une conductivité thermique d'environ 0,5 à 0,7 W/m·K. C'est beaucoup plus élevé que la plupart des isolants polymères (par exemple PTFE à 0,25 W/mK) mais inférieur à celui des isolants en céramique (par exemple alumine à 25-30 W/mK). La conductivité intermédiaire permet à la chaleur de s'écouler du fil de résistance à travers la couche de mica jusqu'au corps chauffant métallique, tout en assurant une isolation électrique.

Coefficient de dilatation thermique - Le mica a une structure cristalline en couches et se dilate donc de manière anisotrope. L'expansion selon le plan des tôles est importante, l'expansion transversale aux tôles est moindre. Cette anisotropie est généralement bien adaptée aux éléments chauffants métalliques dans les bonnes constructions.

Propriétés électriques Rigidité diélectrique élevée Résistance d’isolation élevée
Le mica est apprécié pour sa haute rigidité diélectrique. Pour le mica, la valeur est d'environ 20 kV/mm (kilovolt par millimètre d'épaisseur). La tension de claquage est de l'ordre de 4 000 volts pour une feuille de mica standard de 0,2 mm d'épaisseur, ce qui est bien supérieur aux tensions d'alimentation courantes de 240 V ou 480 V utilisées dans les radiateurs industriels.

La résistivité volumique est extrêmement élevée, généralement de l'ordre de 10^13 à 10^15 Ω·cm à température ambiante, diminuant considérablement à des températures plus élevées mais restant suffisante pour la plupart des utilisations de chauffage.

La constante diélectrique (permittivité relative) du mica est de l’ordre de 6 à 8 et stable sur une large gamme de fréquences et de températures.

Le mica est également utilisé comme isolant pour les fils de résistance fonctionnant à des températures élevées qui feraient fondre ou carboniser les isolants polymères. Le mica possède des propriétés électriques adaptées à cet usage.

Propriétés mécaniques : Souplesse, Cassant, Sensible à l'humidité
Les feuilles de mica minces (0,05-0,5 mm) sont flexibles, mais les feuilles de mica épaisses sont cassantes. Le matériau peut être plié autour des courbes, mais des plis prononcés le feront craquer. Dans la fabrication des appareils de chauffage, le mica est généralement découpé pour obtenir des formes exactes avec des trous pour les broches des bornes ou des fentes pour le fil de résistance.

La résistance à la traction est généralement faible et le matériau est faible en cisaillement. Le mica ne doit pas être utilisé comme élément structurel, mais doit être soutenu mécaniquement par le boîtier métallique du radiateur ou les plaques de serrage.

Un inconvénient est l'absorption de l'humidité. Le mica est un matériau hygroscopique. L'absorption d'humidité réduit la résistance d'isolation de la surface et peut provoquer des fuites électriques ou des courts-circuits. Ainsi, les radiateurs en mica ne conviennent pas au service par immersion ou aux réglages d’humidité élevée à moins qu’ils ne soient scellés hermétiquement. Un radiateur au mica utilisé doit être « cuit » (premier cycle de préchauffage-) pour éliminer toute humidité absorbée, car les lectures initiales de faible isolation ne sont pas recommandées.

Mauvaise résistance à l'abrasion. Les bords du métal brut peuvent racler ou poudrer les surfaces de mica. L'assemblage doit être lisse et les pièces ébavurées sont correctes.

Isolateurs en mica, céramique et polymère – Quelle est la différence ?
Le tableau ci-dessous compare le mica avec d’autres matériaux isolants électriques couramment utilisés pour les éléments chauffants :

Propriété Mica (Muscovite) Céramique (Alumine, Stéatite) Polymère (PTFE, PEEK, Silicone)
Max. température continue 500-600 degrés 800-1200 degrés (alumine) PTFE : 260 degrés ; COUP D'OEIL : 250 degrés ; Silicone : 200 ºC
Conductivité thermique (W/mK) 0.5 - 0.7 25 - 30 (alumine) PTFE : 0,25 ; Silicone : 0,2-0,3
Rigidité diélectrique (kV/mm) ~20 10 - 15(alumine)PTFE : ~20, PEEK : ~20, Silicone : ~15
Souplesse dans les feuilles finesFlexibilité mécaniqueRigide, cassant Flexible (notamment silicone)
Résistance à l'humidité Faible (hygroscopique) Excellente (non absorbante)Excellente (hydrofuge-)
Types courants de radiateursChauffage à bande, chauffage à bande, isolation du noyau de chauffage à cartoucheRéchauffeurs à immersion, haute-température, éléments chauffants-encastrés, radiateurs tubulairesÉléments chauffants flexibles, coussins chauffants à basse-température
Coût relatif Faible à modéréMoyen à élevé Moyen élevé (PEEK)
Applications d'isolation en mica dans les plaques chauffantes
Le mica est le plus souvent utilisé dans la fabrication de plaques chauffantes.

Bandes chauffantes en mica - Le mica sous forme de feuilles incurvées est enroulé autour d'une surface cylindrique, avec un fil de résistance enroulé sur le mica et une deuxième couche de mica sur le dessus. L'ensemble de la structure est fixé dans une bande métallique.

Bandes chauffantes en mica - Assemblages de mica plats ou incurvés utilisés pour chauffer les plateaux, les matrices et les plaques de presse.

Noyaux chauffants de cartouche - Le fil de résistance est torsadé dans des rainures sur un noyau ou un mandrin en céramique, qui est enveloppé dans une feuille de mica. Le mica isole électriquement le fil de la gaine métallique extérieure.

Aérothermes. Le mica est utilisé dans les chauffe-conduits pour isoler les fils à résistance de bobine ouverte-à des températures supérieures aux limites de l'isolation polymère.

Le mica est généralement utilisé dans la conception de radiateurs à haute température lorsque la température de fonctionnement dépasse la limite de 200 à 260 °C du PTFE ou du silicium, mais un isolant fin et formable est requis. Au-dessus de 800 C, des isolants céramiques (alumine ou stéatite) sont généralement utilisés, mais ils ne sont pas flexibles.

Considérations et contraintes de conception
Il convient de noter que le mica présente de nombreuses restrictions qui doivent être prises en compte lors de la conception du radiateur.

Sensibilité à l'humidité - Les radiateurs en mica qui ont été stockés dans un environnement humide doivent être « cuits » à basse température (100-150 degrés) pendant plusieurs heures avant d'être appliqués à pleine puissance. Les terminaisons scellées et l’encapsulation aident à réduire la pénétration d’humidité.

Cassant sous contrainte mécanique - Les feuilles de mica peuvent se briser si le boîtier du radiateur est trop serré ou si des déséquilibres de dilatation thermique provoquent des contraintes de compression. Un dégagement adéquat et des dispositifs de serrage à ressort sont recommandés.

Résistance d'isolement à haute température - Le mica reste un excellent isolant à haute température, mais sa résistivité volumique diminue de plusieurs ordres de grandeur. Pour les applications à très haute tension (par exemple 1 000 V+), plus d'une couche de mica ou un mica plus épais peut être nécessaire.

Pas pour l'immersion - Le mica ne doit jamais être en contact direct avec des liquides. L'eau pénètre, l'isolation se détériore rapidement et l'électricité s'échappe. Les thermoplongeurs sont fabriqués à la place avec de la poudre d’oxyde de magnésium (MgO) ou du PTFE.

Conclusion : un isolant éprouvé-pour plusieurs modèles de plaques chauffantes-à haute température
Le mica offre une combinaison unique d'isolation électrique à haute température dans une feuille mince et formable. Le mica peut combler le fossé entre les polymères à basse température et les céramiques rigides à haute température, avec des températures de service continu de 500 à 600 degrés (muscovite) ou de 700 à 800 degrés (phlogopite), une rigidité diélectrique d'environ 20 kV/mm et une conductivité thermique de 0,5 à 0,7 W/m·K.

Il convient parfaitement aux bandes chauffantes, aux bandes chauffantes et aux cartouches chauffantes où la flexibilité, le profil fin et la résistance à la température sont nécessaires. Cependant, sa fragilité, son absorption d’humidité et son incapacité à fonctionner dans des environnements humides doivent être surmontés par une conception et une application soignées. Le choix du matériau isolant est important pour la sécurité électrique et les performances thermiques et le mica reste un choix éprouvé pour une large gamme de plaques chauffantes industrielles travaillant dans des situations sèches à haute température.