Полімерний композитний матеріал

Реферат: UA 86325 U UA 86325 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до композитних матеріалів і може бути використана в електронній промисловості як струмообмежувачі та багатофункціональні перемикачі. Відомі і знаходять широке застосування в техніці електропровідні композиційні матеріали (ЕПКМ), що можуть бути одержані шляхом модифікації полімерних композитів речовинами, що мають високу електропровідність. Найбільш розповсюдженими електропровідними наповнювачами є сажа, графіт, вуглецеве волокно, вуглецеві тканини. Недоліками 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 по об'єму матриці, що ускладнює отримання необхідних струмообмежувачів. Крім того, необхідне збільшення електричного опору відбувається в досить широкому діапазоні температур, що теж небажано. Перспективні у плані стабілізації властивостей об'ємні композиційні матеріали, основою яких є компонент з фазовим переходом метал-напівпровідник. Відомим полімерним композитним матеріалом є композит на основі обмідненого графіту у поліетиленовій матриці [1] з додатковим введенням вуглецевих нанотрубок у співвідношенні, в % мас: поліетилен - 70,0-90,0; обміднений графіт - 5,0-25,0; вуглецеві нанотрубки - 5,0-25,0. Проте такий полімерний композит не може бути використаний як струмообмежувачі через деградацію, що пов'язана з окисом мідного шару. Найбільш близькою до корисної моделі є полімерна композиція з ПТК [2] на основі поліетилену високої щільності та малеїнового ангідриду, в якому провідний наповнювач складається з часток вуглецевої сажі. Вона містить полімерної матриці 55-70 об. % та 30-45 об. % провідного наповнювача. Недоліками такої композиції є: - низька механічна стійкість матеріалу; - розшаровування композиту; - низька гомогенність композитного матеріалу; - великий розкид значень електроопору; - достатньо широкий температурний діапазон стрімкої зміни електричного опору. В основу корисної моделі поставлено задачу звуження температурного діапазону стрімкої зміни електричного опору та підвищення гомогенності і механічної стійкості композитного матеріалу. Поставлена задача вирішується тим, що ПКМ на основі поліетилену низької щільності як полімерної матриці додатково містить діоксид ванадію у такому співвідношенні компонентів в об. %: поліетилен 30-75; діоксид ванадію 25-70. Вихідними компонентами композиту є дрібнодисперсний кристалічний діоксид ванадію (VO2), отриманий методом відновлення із пентаоксиду ванадію (V2О3) вуглецем, і поліетилен низької щільності (15803-020). 3 3 Значення щільностей діоксиду ванадію  VO  4,339 г/см та поліетилену PE  0,92 г/см . 2 40 Теоретичне значення щільності зразків композиту  th можна отримати з відомої частки X наповнювача (мікрочасток VO2) VVO . 2 Експериментальні значення щільності синтезованих зразків композиту ρX можна визначити безпосередньо за їх масами та об'ємом. В таблиці представлені деякі фізичні параметри зразків композиту. Експериментальна 45 щільність композитів ρX при малих об'ємних частках VO2 вище теоретичної  th , а при високих X VVO навпаки. Ефективні значення щільності поліетилену, що утворює матрицю композита ρРЕ 2 були оцінені у відповідності до формули для двокомпонентної гетерогенної системи, з невзаємодіючими компонентами: PE   X   VO 2  VVO 2 / 1  VVO 2 та у припущенні, що щільність VO2 не змінюється у процесі виготовлення композиту.    50 1 UA 86325 U Таблиця Щільності досліджуваних зразків композиту Параметр Об'ємна частка VO2, VVO 2 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 1,77 1,94 2,29 2,63 2,97 2,22 2,36 2,22 2,65 2,80 2,15 2,25 2,12 2,58 2,68 PE , г/см 1,51 1,51 0,81 0,97 0,49  PE , г/см 1,42 1,35 0,65 0,83 0,20  th , г/см X 3 3  X , г/см  , X 3 г/см 3 3 5 10 15 20 25 30 35 40 При малих VVO ефективна щільність перевищує максимально можливі значення цього 2 3 параметру (1 г/см ) для чистого поліетилену, коли він увесь знаходиться у кристалічному стані. Цей результат можна пов'язати зі створенням поверхневих більш щільних фаз, що є вірогідним для композитів з напівпровідниковим наповнювачем. В області більших концентрацій наповнювача VO2 спостерігається зменшення значень щільності ρРЕ, які менше мінімального 3 значення цього параметру для чистого ПЕ (0,85 г/см ), що свідчить про пористість матеріалу. Електричний опір таких полімерних композиційних матеріалів з об'ємною часткою діоксиду ванадію 25-30 об. % має два стрибка. Стрибок з від'ємним температурним коефіцієнтом опору в області температури 64 °C пов'язаний з фазовим переходом метал-напівпровідник у VO2. Стрибок в області температури 80-90 °C, що має позитивний температурний коефіцієнт опору (позисторний ефект), може бути інтерпретований розривом ланцюгів протікання електричного струму по часткам провідної фази VO2 у наслідок різкого збільшення вільного об'єму полімерної матриці в указаній температурній області через її розм'якшення. Зразки з вмістом активного наповнювача менше 25 об. % проявляють характеристики чистого діелектрика, тому в наслідок температурного розширення матриці спостерігається збільшення опору. Для зразків з об'ємною концентрацією 50-70 об. % VO2 позисторної ділянки не спостерігається. Це можна пояснити тим, що такий вміст провідної компоненти відповідає області вище порога протікання й характер провідності у зразку визначається самим наповнювачем. Зразки з більшою об'ємною концентрацією наповнювача мають низьку механічну міцність внаслідок недостатньої кількості матричного матеріалу. Для зразків з низьким вмістом напівпровідникового наповнювача вольт-амперні характеристики близькі до лінійних залежностей. Питомий електричний опір досить великий, для зразка з об'ємною часткою наповнювача 25-30 об. % - ρ порядку 5-10 МОм·см при кімнатній температурі та 2-5 МОм·см при 90 °C. Зразки з більшою об'ємною часткою VO2 50-70 об. % мали менший питомий опір, 1-500 кОм·см при кімнатній температурі та 0,2-5 кОм·см при 90 °C, і вольт-амперні характеристики Sподібного типу. Це може бути пояснено таким чином, що при збільшенні напруги теплова потужність, що виділяється в зразку, збільшується, і він нагрівається. При температурі фазового переходу напівпровідник-метал у фазі діоксиду ванадію його опір стрибкоподібно зменшується, що веде до істотного перерозподілу електричного поля в такій структурі і обумовлює спостережувану нелінійність і S-подібність ВАХ. З наведених даних виходить, що концентрації компонентів композиту поліетилен-діоксид ванадію, в межах, які заявляються, найкращим чином забезпечують поєднання електрофізичних і механічних характеристик. Джерела інформації: 1) Патент UA 72801, МПК С08K 13/04 (2006.01). Електропровідна полімерна композиція. Опубл. 27.08.2012. бюл. № 16. 2) Патент US 6059997, МПК Н01В 1/20, Н01В 1/24. Polymeric PTC compositions. Опубл. 9.05.2000. 45 2 UA 86325 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Полімерний композитний матеріал, що містить поліетилен низької щільності як полімерну матрицю, який відрізняється тим, що він додатково містить діоксид ванадію як наповнювач у такому співвідношенні компонентів, в об. %: поліетилен 30-75 діоксид ванадію 25-70. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3