Спосіб виготовлення струмообмежувального елемента

Винахід відноситься до області основних елементів електроустаткування, а саме, до захисних вимикачів з електротермічним розмиканням чи спрацьовуванням. Відомі різноманітні конструкції термовимикачів з використанням струмообмежувальних елементів у вигляді пружинного дроту, біметалів, матеріалів з пам'яттю форми та ін.(див., наприклад, а.с. СРСР: №357772, Н01Н37/00 Вимикач максимального струму з біметалічною пластиною; №1529310, Н01Н37/32 Пристрій захисту від неприпустимого нагрівання (чуттєвий елемент із матеріалу з пам'яттю форми у вигляді пружини); №729686, Н01Н37/40 Електротеплове реле (пружинний дріт) для захисту електродвигунів від перевантаження; №924771, Н01Н37/40 Термочутливий елемент термозапобіжника (порожні циліндри з полісульфона); №1647687, Н01Н37/50,61/06 Термоелектричний вимикач (комутаційний апарат з використанням матеріалу з ефектом пам'яті форми з термочутливим елементом із плівки полііміда чи поліамідоіміда); патент РФ №2040819, Н01Н37/46,61/06 Термочутливий вимикач з термочутливим елементом, виготовленим з фольгової стрічки з ефектом пам'яті форми у вигляді замкнутої криволінійної фігури з твердим з'єднанням її кінців). Відомі і знаходять широке застосування в техніці електропровідні полімерні композиційні матеріали (ЕПКМ), одержані шляхом модифікації полімерних композитів речовинами, що володіють високою електропровідністю. Найбільш відомими електропровідними компонентами є сажа, графіт, вуглецеве волокно, вуглецеві тканини. Певний практичний інтерес у якості електропровідного наповнювача являє особлива форма графіту - так званий терморозширений графіт (ТРГ), структура якого має специфічні особливості, обумовлені технологією його одержання. Червоподібна форма часток ТРГ, сотова структура його поверхні, значна пластичність дозволяють одержувати композиційні матеріали із широким спектром електрофізичних і фізико-механічних властивостей (див. Л.С.Семко и др. Электрические свойства композиционных материалов на основе полипропилена и ТРГ. Пластические массы, 1996, №6, с.22-24; В.Н.Горшенев и др. Электропроводящие материалы на основе терморасширенного графита. Журнал прикладной химии, 2003, т.76, в.4, с.624-628; В. А. Белошенко и др. Восстановление формы в полимерных композитах с уплотняющимся наполнителем. Высокомолекулярные соединения, 2003, т.45А, №4, с.597-605). У роботах Duggal A. R., Levinson I.M. A novel high current density switching effect in electrically conductive polymer composite materials. J. Appl. Phys., 1997, vol.82, №11, p.5532-5539; Пономаренко А.Т. и др. Электродинамические свойства полимерных композитов и функциональных структур на их основе: моделирование и экспериментальные результаты. Сб. трудов межд. конф. "Поликом - 98", Гомель, показана можливість розробки ЕПКМ, що забезпечують нові не механічні засоби зниження струму короткого замикання. Особливий інтерес представляють полімерні композиції зі змістом вуглецевого наповнювача в кількості, близькій до граничної, при якій здійснюється перехід провідник-діелектрик. Унаслідок термічного розширення полімерної матриці в деякій критичній області температур у них реалізується ефект саморегулювання температури нагрівання, що полягає в різкому збільшенні електричного опору (див. Н.А. Коваленко, И.К. Сыроватская. Влияние механической деформации на электропроводность углеродосодержащих композиций. Пластические массы, 2000, №10, с.7-9). Данне рішення обране як прототип. Недоліком наявних на сьогоднішній день подібних ЕПКМ є той факт, що для інтервалу граничних концентрацій спостерігається дуже великий розкид значень електроопору, викликаний негомогенністю розподілу часток наповнювача за об'ємом матриці, що ускладнює одержання необхідних струмообмежувачів. Крім того, необхідне збільшення електричного опору відбувається в досить широкому діапазоні температур, що теж небажано. Загальною ознакою винаходу, що заявляється, і прототипу є те, що в якості електропровідного полімерного композиційного матеріалу використовують полімерний матеріал з добавкою вуглецевого наповнювача, головним чином у кількості, близькій до граничної, при якій здійснюється перехід провідник - діелектрик. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого способу виготовлення струмообмежувальних елементів на основі ЕПКМ, за яким за рахунок вибору відповідного матеріалу, що володіє ефектом пам'яті форми, тобто відновлюючого свою вихідну форму при нагріванні, забезпечується надійність спрацьовування, знижується розкид значень електричного опору, здійснюється істотне зменшення температурного інтервалу стрибкоподібної зміни електричного опору, досягаються прийнятні абсолютні значення питомого об'ємного електричного опору. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в якості електропровідного полімерного композиційного матеріалу вуглецевим наповнювачем в кількості, близькій до граничної, при якій відбувається перехід провідникдіелектрик, використовують відомий епоксидний полімер ангідридного ствердіння з температурою силування в межах 50-100°С, змішаний з бінарним наповнювачем у вигляді терморозширенного графіту та каоліну при співвідношенні вказаних компонентів 100:(5-8):(2-4)мас. % готують стрижневі заготовки струмообмежувального елемента шляхом заливки отриманої маси в циліндричні форми з наступним ствердінням при 120°С з забезпеченням гомогенного розподілу бінарного наповнювача за всім перерізом, після чого деформують їх у високоеластичному стані одновісним пресуванням у прес-формі зі ступенем деформації 20-25% з наступним охолодженням під навантаженням до температури нижче температури силування. Підставою для такого підходу стали результати роботи: В.Е. Гуль и др. Структура эпоксидной композиции с бинарным наполнителем. Пластические массы, 1972, №10, с.47-49. У ній показано, що при введенні в електропровідну композицію ЕПМ-Е на основі епоксидної смоли ЕД-6 здрібнених графіту КЛТ і каоліну при співвідношенні компонентів бінарного наповнювача 1:5,6 чи 2,2:4,5мас. ч. виходить матеріал з досить низьким об'ємним питомим електричним опором pv. Так, для для композиції складу 29мас. ч. ЕД-6, 10мас. ч. графіту і 3 -2 Ом × см . 56мас. ч. каоліну rv = 1× 10 - 2 ×10 В якості епоксидної композиції нами використана епоксидна композиція ангідридного ствердіння з добавкою 5-8мас. % терморозширеного графіту, що дає за рахунок одноосьового пресування розширення при нагріванні в осьовому напрямку. Технологія одержання стрижневих зразків і властивості цього матеріалу досить докладно викладені на стор.2-3 роботи, що вище цитувалася: В. А. Белошенко и др. Восстановление формы в полимерных композитах с уплотняющимся наполнителем. Высокомолекулярные соединения, 2003, т.45А, №4, с.597-605. Конкретна відмінність матеріалу струмообмежувального елемента полягає в тому, що співвідношення компонентів ЕПКМ (епоксидний компаунд: ТРГ: каолін) складає 100:5-8:2-4мас. ч., а ступінь деформації, створюваної одноосьовим стиском у прес-формі, складає 20-25%. Причинно-наслідковий зв'язок оптимальних ознак і технічного результату, що досягається, полягає в реалізації ефекту пам'яті форми в ЕПКМ за рахунок вибору відповідного співвідношення компонентів і наступного деформування заготовки у високоеластичному стані в циліндричній прес-формі одноосьовим тиском зі ступенем деформації, що забезпечує максимально можливе відновлення довжини стрижня при нагріванні в межах температури склування ЕПКМ. Як полімерний матеріал використовували модифіковану епоксидну композицію на основі складного дигліциділового ефіру фталевої чи гідрофталевої кислоти і блоколігомеру з аліфатичної епоксидної смоли і кислого олігоефіру, що затвердівається ізометілтетрагідрофталевим ангідридом (В.А. Белошенко и др. Способ муфтоклеевого соединения труб, эпоксидная композиция для изготовления соединительных элементов и способ их изготовления . Патент РФ №2141600, бюл. №32, 20.11.1999). Температура склування зазначеної композиції складала близько 70°С. ТРГ одержували (див. О.П. Ярошенко та ін. Спосіб одержання графіту, що терморозширюється. Патент України №18065А, бюл. №5, 31.10.1997) при взаємодії графіту ливарного із сірчаною кислотою в присутності хромової кислоти з наступним відмиванням до рН водяної витяжки, рівної 6,5-7, і сушінням при 105°С до постійної ваги. Висушений окислений графіт піддавали термоудару при температурі 1000°С протягом 3 хвилин, що досить для видалення води з міжплощинного простору. Насипна щільність ТРГ складала 0,02г/см , зміст вуглецю - 95,2 % Зразки для дослідження виготовляли змішуванням компонентів епоксидної композиції з ТРГ і каоліном у необхідному співвідношенні з наступним ствердінням полімерної заготовки в циліндричній формі при 120°С протягом 4 годин. З метою гомогенізації структури ствердіння проводили при обертанні форми з частотою 1 оберт/с. Надалі затверділі заготовки деформували у високоеластичному стані з наступним охолодженням під навантаженням до температури нижче Т с для «заморожування» досягнутого нерівноважного стану. Деформацію здійснювали одноосьовим стиском у циліндричній прес-формі. У результаті одержували вироби у вигляді прутків діаметром 8мм і довжиною 8мм. Ступінь деформації s розраховували за формулою: l -l e = i ×100% li , де li , l - відповідно початкова і кінцева довжина зразка. Електричний опір високопровідних зразків композитів вимірювали двузондовим потенциометричним методом при постійному струмі за допомогою цифрового універсального приладу 31/2DIGIT DMM. Електроопір високоомних зразків - за допомогою тераомметра Е6-13А. Швидкість нагрівання зразків складала 2град/хв. На фіг.1 як приклад приведені температурні залежності електричного опору R композиції ЕП-ТРГ при вмісті наповнювача 6мас. % (крива 1), а також композиції ЕП-ТРГ-каолін при вмісті ТРГ 6мас. % і каоліну 2 (крива 2), 3 (крива 3), 4мас. % (крива 4), отримані при нагріванні зразків, деформованих з e = 25% . Процес відновлення форми у таких зразків відбувається шляхом збільшення довжини при збереженні діаметра. Ступінь відновлення визначається як величиною e , так і концентрацією компонентів наповнювача. Оскільки коректне графічне відображення всієї динаміки зміни питомого об'ємного електричного опору являє певні труднощі, у таблиці дані значення початкового pn і кінцевого pk питомого електроопору досліджених зразків, а також відношення їхній питомих електроопорів pk/pn. Каолін, % 0 2 3 4 pn, Ом×м 109 154 5,6 90 pk ×10-3, Ом×м 60 11 4 30 pk/pn 550 71 714 333 Для всіх досліджених концентрацій наповнювача залежності R(T) мають подібний характер: в області температур відновлення форми спостерігається різке збільшення електричного опору. Величина цього стрибка корелює зі ступенем відновлення. Найбільші значення pk/pn мають місце при концентрації каоліну, рівної 3мас %. При цьому спостерігаються найменші абсолютні значення питомого об'ємного електричного опору, завдяки чому розширюється область можливого застосування струмообмежувального елемента з даного матеріалу.