Резистивний композиційний матеріал

Реферат: Резистивний композиційний матеріал, що містить в'яжуче на основі швидкотверднучого цементу, колоїдний графіт, термічно стабільний наповнювач, волокнистий наповнювач - хімічні електропровідні волокна завдовжки 4-6 мм, ультрадисперсний технічний вуглець з питомою 2 поверхнею Sг=(90…100) м /г, причому термічно стабільний наповнювач складається з кварцового піску і гранвідсіву. UA 82232 U (54) РЕЗИСТИВНИЙ КОМПОЗИЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ UA 82232 U UA 82232 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до будівництва і електроенергетики і може бути використана в технології отримання резистивних композиційних матеріалів при будівництві мостів, дорожніх покриттів та злітно-посадкових смуг аеродромів, тротуарів, що підігріваються, а також для виготовлення об'ємних композиційних резисторів, низькотемпературних нагрівальних елементів побутового, промислового і сільськогосподарського призначення з температурою нагріву (50…150) °С, заземлюючих і екрануючих пристроїв, антистатичної підлоги і т.п. 3 Відомий резистивний матеріал по а.с. № 913460 (СРСР) М.кл. Н 01 С 7/00 [1] (аналог), що містить, мас. %: хімічне електропровідне волокно 1,5-5,2 цемент 19,0-20,0 кварцовий пісок 43,3-46,0 вода решта Суттєвим недоліком цього матеріалу є низька механічна міцність. Відомий резистивний 4 матеріал по а.с. № 1429826 (СРСР) М.кл. Н 01 С 7/00 [2] (аналог), що містить, мас. %: цемент 22,6…31,7 кварцовий пісок 45,6…54,7 хімічне електропровідне волокно 0,5…1,0 2 технічний вуглець з питомою поверхнею (90…100) м /г 5,0…22,1 вода решта Відомий матеріал призначений, в основному, для виготовлення об'ємних резисторів енергетичного призначення, які працюють в короткочасному режимі в схемах комутаційної апаратури енергетичних установок і ліній високої напруги, а також заземлювачів. Використання його для виготовлення нагрівальних елементів, що тривало працюють у циклічному режимі при температурі більше 100 °C веде до зниження механічної міцності, нестабільності електричних характеристик, що знижує електричну потужність. Це пояснюється деструктивними процесами в матеріалі, які спостерігаються при (120-150) °С і супроводжуються дегідратацією сульфатовмісних і гідроалюмінатних фаз матеріалу (при нагріванні відбувається втрата води молекулами кристалогідратів і гідрату двокальцієвого силікату, причому при тривалій дії тепла відбувається повний розпад цих сполук). Як відомо, одним із реальних шляхів усунення недоліків відомих резистивних матеріалів на основі гідравлічного в'яжучого, є підвищення тепловипромінювальної здатності провідників, що досягається шляхом збільшення числа електропровідних ланцюжків в композиції та рівномірності їх розподілу в об'ємі, підвищення густини і теплоємності композиції, а також забезпечення міцності на розтяг і стійкості до утворення тріщин. 3 Відомий резистивний матеріал, описаний в патенті RU № 2231845 С2 кл. МКИ 7 НО1 С 7/00 [3] (аналог), що містить, мас. %: швидкотверднучий цемент 34-56 колоїдний графіт 3-15 термостабільний наповнювач, що містить, наприклад, кварцовий пісок електрокорунд, шамот або їх суміші 2,2-8,9 волокнистий наповнювач довжиною від 3 до 10 мм 1-5 вода решта Недолік цього матеріалу - високий вміст волокнистого наповнювача, що знижує міцність на стиск і не підвищує міцність на розтяг при вигині, зате зменшує густину композиції і збільшує нерівномірність розподілу електропровідних ланцюжків в ній. Найбільш близьким по технічній суті й ефекту, що досягається, є резистивний матеріал по патенту на корисну модель UA № 24417 U МПК НО1 С 7/00 [4] (прототип), що містить, мас. %: швидкотверднучий цемент 25…35 колоїдний графіт 2…6 2 ультрадисперсний технічний вуглець з питомою поверхнею Sг=(90…100) м /г 1,5…6 кварцовий пісок, фракція від 0,2 до 2,5 мм 1…50 електрокорунд, фракція від 0,1 до 0,5 мм 1…50 хімічне електропровідне волокно 0,5…1,4 вода решта, причому хімічні електропровідні волокна складають оптимально 2,0…4,0 % від маси цементу. Недолік композиту: висока вартість електрокорунда. Задача корисної моделі - створення матеріалу, що має стабільні електричні характеристики в умовах підвищених температур і відносно високими механічними характеристиками: міцністю на розтяг при вигині та міцністю на стиск при меншій вартості. 1 UA 82232 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Ця мета досягається тим, що в резистивному композиційному матеріалі, який містить в'яжуче на основі швидкотверднучого цементу, колоїдний графіт, термічно стабільний наповнювач, волокнистий наповнювач - хімічні електропровідні волокна завдовжки 4-6 мм, 2 ультрадисперсний технічний вуглець з питомою поверхнею Sг=(90….100) м /г і воду, термостабільний наповнювач складається з кварцового піску і гранвідсіву при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: швидкотверднучий цемент 25…35 колоїдний графіт 2…6 2 ультрадисперсний технічний вуглець з Sг=(90…100)м /г 1,5…6 кварцовий пісок, фракція від 0,2 до 2,5 мм 1…50 електрокорунд, фракція від 0,1 до 0,5 мм 1…50 хімічне електропровідне волокно 0,5…1,4 вода решта. Матеріал пройшов технічні випробування. При цьому доведено, що поєднання волокнистої провідної фази з ультрадисперсним вуглецем і колоїдним графітом, що має здатність структуруватися, полегшує утворення орієнтовних ланцюжкових структур і веде до їх зростання, що підтверджується зниженням питомого електричного опору композиції (див. нижче). Отже, для отримання певної питомої електропровідності матеріалу, потрібна менша масова (об'ємна) частка електропровідної фази, а це, як випливає з теорії бетела, сприяє збільшенню механічної міцності матеріалу. Крім цього, раніше нами доведено, що волокниста провідна фаза, армуючи матрицю за рахунок механічного зв'язку з цементним каменем (цементний камінь проникає у пори волокон; волокна є орієнтиром при рості новоутворень, що ущільнюються), суттєво підвищує міцність на розтяг при згинанні та стійкість до утворення тріщин. Найбільший ефект впливу волокнистої арматури на міцність при згинанні спостерігається, як встановлено нашими дослідженнями, при введенні її в композицію в кількості 2-4 % від маси цементу. Це запобігає розвитку деструктивних процесів, що виникають при нагріванні і охолодженні композиції. Довжина волокон 4…6 мм сприяє більш рівномірному їх розподілу в композиції. Колоїдний графіт менш схильний до окислення, чим зменшує зміну електричного опору композиції при її нагріванні. Технічний результат досягається також і за рахунок запровадження в матеріал швидкотверднучого цементу, що забезпечує стабільність електричних характеристик. Швидкотверднучий цемент дозволяє підтримувати практично незмінними фізико-механічні характеристики композиції практично до 1200 °C. Гранвідсів - дешевий і досить термостійкий матеріал з високою теплопровідністю. Коефіцієнт теплопровідності гранвідсіву вищий, ніж кварцового піску, тому він інтенсифікує відведення тепла від локальних осередків нагріву і усереднювання температури по всьому об'єму матеріалу, перешкоджає проходженню деструктивних процесів і знижує внутрішні напруження в композиції. Середня густина 3 гранвідсіву складає 2,6 г/см , що підвищує густину всього матеріалу і сприяє швидкому відведенню тепла. Доцільна дисперсність гранвідсіву в межах 0,1…0,5, а кварцового піску - в межах 0,2…2,5 мм, що сприяє більш рівномірному розподілу цих компонентів в об'ємі композиції. Технічних рішень з подібними ознаками не знайдено, на підставі чого можна зробити висновок про те, що технічне рішення, що заявляється, володіє суттєвими відмінностями. Для отримання резистивного композиційного матеріалу були приготовані суміші інгредієнтів, кожна, зокрема, містить, мас. % (таблиця 1). Як кварцовий пісок використовувався стандартний вольський пісок по ГОСТ 6139-78, як гран відсів - відсів граніту Кременчуцького гранітного заводу. Кожну суміш готували таким чином. Спочатку готували водоволокнисту суспензію шляхом змішування хімічних електропровідних волокон з водою протягом 5 хв. Потім окремо змішували вольський пісок, технічний вуглець і інші сухі компоненти протягом 3-х хв. 45 2 UA 82232 U Таблиця 1 Склад суміші Кварцовий пісок Швидкотверднучий цемент марки М400 Хімічне електропровідне волокно типу "Углен-9" Колоїдний графіт Гранвідсів Технічний вуглець марки П234 ГОСТ 7888-77 Вода Номер складу 4 5 4,0 49,0 1 25,5 2 50,0 3 7,5 6 30,0 7 1,0 30,0 25,0 25,0 35,0 28,0 25,0 35,0 0,9 0,5 0,5 1,4 1,0 0,5 1,1 4,0 25,5 6,0 7,5 2,0 50,0 6,0 35,5 6,0 1,0 2,0 33,0 2,0 49,0 4,0 2,0 6,0 6,0 4,0 1,5 1,5 10,1 9,0 9,0 12,6 11 8,0 10,4 Примітка: вказані відсоткові співвідношення компонентів за впливом води належать до сухої маси. 5 10 15 20 25 30 Після чого в отриману суміш вводили цемент і проводили сухе перемішування ще протягом 3-х хв. Отриману суху суміш компонентів вводили у водоволокнисту суспензію і перемішували вручну протягом 1 хв., потім протягом 3-х хв. в бігунковій мішалці по ГОСТ 310.4-76. Після чого з суміші формували об'ємні елементи у вигляді балочок 40×40×160 мм. Одночасно для порівняння показників властивостей матеріалів була виготовлена контрольна суміш інгредієнтів, що містить, мас. %: швидкотверднучий цемент марки М400-34,6, вольський пісок - 56,4 і воду - решта до 100 %. При цьому водоцементне відношення суміші було прийнято приблизно рівним водокомпозиційному відношенню резистивного композиційного матеріалу, що пропонується (водокомпозиційне відношення визначалося як відношення маси води до суми мас цементу, технічного вуглецю, колоїдного графіту і хімічного електропровідного волокна, рівного в даному випадку 0,26). Вказана суміш готувалася за відомою технологією шляхом перемішування інгредієнтів з додаванням води. З отриманої суміші формувалися контрольні зразки у вигляді балочок 40×40×160 мм. Об'ємні резистивні елементи і контрольні зразки виготовлялись шляхом пресування в пресформах при певному тиску. Всі отримані таким чином об'ємні резистивні елементи і контрольні зразки із контрольної суміші і сумішей, що пропонуються, піддавали попередньому тужавленню у прес-формі протягом 15 год. в закритому приміщенні, після чого проводили тужавлення в пропарювальній камері в однакових умовах за режимом 3+5+2 год. (3 год. - прогрівання до t=80-85 °C, 5 год. ізотермічна витримка при t=80-85 °C, 2 год. - охолодження в камері до нормальної температури). Резистивні елементи і контрольні зразки для проведення експериментів виготовлялись з відповідних сумішей серіями. Було виготовлено три серії резистивних елементів із сумішей, що пропонуються. В першій і другій серіях було виготовлено відповідно 21 резистивний елемент по 3 елементи із кожної суміші. Елементи першої серії піддавалися випробуванням на визначення питомого електричного опору, другої - випробуванням на розтяг при вигині і на стиск. В третій серії було також виготовлено 21 елемент по 3 елементи з кожної суміші, які потім піддавалися тривалій дії змінного електричного струму частотою 50 Гц. Вказані елементи мали циліндричну форму діаметром 40 мм завдовжки 160 мм. Їх конструкція відповідала описаному в а.с. № 1539848 [5]. Випробуванням на механічну міцність піддавалися елементи, що пройшли висушування до постійної маси при температурі (105±5) °С. Результати випробувань наведено в таблиці 2. 35 3 UA 82232 U Таблиця 2 Показники Номер складу, що Міцність на розтяг при вигині, МПа Міцність при стиску, МПа пропонується середнє з двох середнє з чотирьох балочки балочки найбільших значень найбільших значень 1 2 3 4 5 4,3; 33,15; 31,7; 1 4,5; 4,33 32,3; 31,9; 31,9 4,2 31,9; 32,0 4,6; 31,4; 31,0; 2 4,7; 4,57 31,2; 31,0; 31,1 4,4 30,7; 31,1 5,0; 30,4; 31,5; 3 4,8; 4,8 29,3; 30,2; 31,08 4,6 33,2; 31,9 4,0; 26,3; 26,6; 4 4,1; 4,0 26,1; 28,1; 26,6 3,9 26,3; 26,0 4,0; 29,0; 29,0; 5 3,9; 4,1 28,7; 30,0; 29,3 4,4 30,0; 29,0 5,6; 34,0; 34,4; 6 5,7; 5,6 33,9; 33,7; 33,9 5,5 33,8; 33,8 6,0; 34,2; 33,8; 7 5,8; 5,8 33,3; 33,6; 33,5 5,6 33,4; 32,9 5,0; 43,5; 41,4; Контрольний 4,7; 4,8 42,4; 41,0; 41,5 зразок 4,6 40,0; 40,4 5 10 15 Вимірювання електричного опору резистивних елементів проводилися по схемі, зображеній на Фіг. На кресленні зображено резистивний елемент 1, опір якого вимірюється, розміщений в проміжку між нерухомою 2 та рухомою 3 плитами гідропресу. Вимірювання опору здійснювалось мостом постійного струму 5, який з'єднано із зовнішнім ланцюгом, що складається із резистора і двох прокладок 4 із відпаленої міді, розміщених по обидва боки резистора і відділених від гідропреса прокладками 6 із гуми. Вимірювання опору всіх резистивних елементів здійснювалися при тому самому зусиллі преса, що дорівнювало 500 Н. Вимірювання здійснювалися після висушування резистивних елементів і охолоджування їх до кімнатної температури 22 °C в ексикаторі. Питомий електричний опір резистивного матеріалу р визначався розрахунковим шляхом з виразу: l R , s де: R - опір резистивного елемента, Ом; I - висота резистивного елемента, см (l=4 см у напрямі руху електричного струму); 2 2 s - площа перерізу резистивного елемента, см (S=4·16=64 см ). Результати вимірювань електричного опору наведені в таблиці 3. 20 4 UA 82232 U Таблиця 3 Показники 1 Питомий об'ємний електричний опір після сушіння при 124 t=(105±5 °C), Ом·см Електричний опір Ro, Ом (середнє 7,75 з трьох показників) 5 10 Склад суміші 4 5 2 3 135 142 70 8,44 8,88 4,38 6 7 92 290 220 5,75 18,1 13,75 Резистивні елементи третьої серії випробували на дію перемінного електричного струму, напругу якого змінювали, але попередньо вибирали такою, щоб вироблялася теплова потужність Q0(P0), що дорівнює 75 Вт. Зміна напруги живлячої мережі здійснювалася регулюючим автотрансформатором ЛАТР. При подачі електроенергії резистивні елементи нагрівалися до температури не вище за 150 °C. Електричні властивості елементів вимірювали після 100, 500 і 1000 годин з метою імітації роботи різної тривалості. Після 100 годин випробувань електричний опір позначений R1, після 500 годин - R2, після 1000 годин - R3; споживана потужність позначена відповідно Р1, Р2, Р3. В таблиці 4 наведено результати випробувань. Таблиця 4 Показники 1 2 3 Склад суміші 4 Початковий електричний опір Ro 112,0 120,0 116,0 57,0 (Ом) Питомий об'ємний електричний опір після сушіння при 127,0 138,0 130,0 65,0 t=(105±5)°С, Ом·см Після нагрівання протягом 100 год. R1(Ом) 115,0 126,0 117,0 58,0 Р2(Вт) 73,0 71,4 74,3 73,5 R1/R0 1,027 1,05 1,01 1,02 Р1/Р0 0,974 0,95 0,99 0,98 Після нагрівання протягом 500 год. R2(Ом) 118,0 127,3 123,0 59,3 Р2(Вт) 71,4 70,7 70,8 72,1 R2/R0 1,054 1,06 1,06 1,04 Р2/Р0 0,952 0,943 0,943 0,96 Після нагрівання протягом 1000 год. R3(Ом) 122,0 132,0 128,0 62,0 Р3(Вт) 69,3 69,1 68,2 70,1 R3/R0 1,09 1,1 1,1 1,09 Р3/Р0 0,918 0,91 0,906 0,92 15 Для порівняння в таблиці 5 наводяться характеристики прототипу. 5 5 6 7 74,0 242,0 200,0 83,0 273,0 227,0 75,0 73,96 1,014 0,986 263,0 69,0 1,087 0,92 208,0 72,1 1,04 0,961 77,6 71,4 1,05 0,952 27,0 67,0 1,12 0,893 220,0 68,2 1,1 0,91 81,0 70,4 1,09 0,91 275,0 64,7 1,14 0,88 228,0 67 1,14 0,877 UA 82232 U Таблиця 5 Інгредієнти суміші 1 25,5 25,5 2 50,0 7,5 3 7,5 50,0 Кварцовий пісок Електрокорунд Хімічне електропровідне волокно 0,9 0,5 0,5 типу "Углен-9" Швидкотверднучий цемент М400 30,0 25,0 25,0 Технічний вуглець марки П234 ГОСТ 7888-77 з питомою поверхнею 4,0 2,0 6,0 2 Sг=(90…100) м /г Колоїдний графіт 4,0 6,0 2,0 Вода 10,1 9,0 12,6 Показники властивостей Міцність на стиск, МПа 33,8 32,6 34,5 Питомий електричний опір після 120,0 140,0 135,0 сушіння при t=(105±5) °С, Ом·см Електричний опір, R0, Ом 7,5 8,75 8,44 5 10 15 Склад 4 4,0 35,5 5 49,0 1,0 6 30,0 33,0 7 1,0 49,0 1,4 1,0 0,5 1,1 35,0 28,0 25,5 35,0 6,0 4,0 1,5 1,5 6,0 11,0 6,0 8,0 2,0 10,4 2,0 28,9 29,3 36,6 37,6 67,0 89,0 280,0 230,0 4,2 5,6 17,5 14,4 Отже, аналіз результатів випробувань свідчить про те, що матеріал, який пропонується, володіє, як і очікувалось, трохи меншими, порівняно з прототипом властивостями, але достатніми для виготовлення виробів з метою використання їх в різних галузях техніки в умовах високих температур. Слід підкреслити, що матеріал відрізняється доволі високою міцністю на розтяг при вигині стабільними значеннями електропровідності в умовах високих температур. Джерела інформації: 3 1. А.с. № 913460 (СССР) М. кл. Н 01 С 7/00. Резистивный материал/ А.К. Северин, Л.А. Сердюк, О.Д. Филенко. - Опубл. 15.03.1982. 4 2. А.с. № 1429826 (СССР) М. кл. Н 01 С 7/00. Резистивный материал/ А.И. Порхунов, А.К. Северин, А.Г. Любимов. - ДСП, заявл. 11.09.1985. 3 3. Патент RU № 2231845 С2 кл. МКИ 7 Н 01 С 7/00. Резистивный композиционный материал/ Г.А. Раевская, Л.Н. Репях. - Опубл. 27.06.2004. 4. Патент на корисну модель № U 24417, Н01С7/00. Резистивний композиційний матеріал / В.Г. Піскунов, О.В. Володько, О.І. Порхунов. - Опубл. 25.06.07. 5 5. А.с. № 1539848 (СССР) М. кл. Н01 С 7/00. Объемный резистор / Н.Б. Соколова, Г.Д. Семченко, Е.В. Майстренко, А.И. Порхунов и А.А. Минченко.- Опубл. 30.01.90. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 1. Резистивний композиційний матеріал, що містить в'яжуче на основі швидкотверднучого цементу, колоїдний графіт, термічно стабільний наповнювач, волокнистий наповнювач - хімічні електропровідні волокна завдовжки 4-6 мм, ультрадисперсний технічний вуглець з питомою 2 поверхнею Sг=(90…100) м /г, який відрізняється тим, що термічно стабільний наповнювач складається з кварцового піску і гранвідсіву при співвідношенні компонентів, мас. %: швидкотверднучий цемент 25…35 колоїдний графіт 2…6 2 ультрадисперсний технічний вуглець з питомою поверхнею (90…100) м /г 1,5…6 кварцовий пісок, фракція від 0,2 до 2,5 мм 1…50 гранвідсів, фракція від 0,1 до 0,5 мм 1…50 хімічне електропровідне волокно 0,5…1,4 вода решта. 2. Резистивний композиційний матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що хімічні електропровідні волокна складають оптимально 2…4 % від маси цементу. 6 UA 82232 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 7