СОСТАВ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1995 года по МПК H01B1/18 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технологии производства неорганических композиционных электропроводных материалов, применяемых, в частности, для изготовления объемных резисторов различного назначения и нагревательных элементов.

Известна сырьевая смесь для изготовления электропроводного бетона, включающая неорганическое связующее (портландцемент), углеродный наполнитель (смесь кокса и технического углерода) и воду [1]. Недостатком материала является узкий диапазон стабильных значений удельного электрического сопротивления (0,10-0,50 Ом ˙ м) и низкая механическая прочность (10-25 МПа).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является композиционный электропроводный материал, содержащий железофосфатное связующее в виде смеси оксида железа (III) с ортофосфорной кислотой и мелкодисперсного графита.

Материал имеет следующие недостатки: невозможность повышения удельного электрического сопротивления более 0,1-1,0 Ом.м при обеспечении стабильности его значений. Объясняется это тем, что из-за низкого сопротивления проводника - мелкодисперсного графита - имеет место резкий переход от низкоомной области к области близкой к порогу протекания, где малое изменение объемного содержания проводника вызывает значительное, на порядки, увеличение сопротивления; относительно небольшое объемное содержание проводника (удельное сопротивление от ≈0,01 Ом.м и выше) предопределяет низкую плотность проводящего каркаса и тем самым уменьшает надежность резистивных свойств материала.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона электрического сопротивления в высокоомную область и повышения надежности резистивных свойств.

Достигается это тем, что композиционный электропроводный материал содержит в качестве углеродного компонента дисперсный силицированный графит при следующем содержании компонентов, мас.%: Оксид железа (III) 6,0-63,7 Силицированный графит 15,5-73,2 Ортофосфорная кислота 16,0-50,0
Сопоставление с прототипом, а также анализ известных составов электропроводных композитов, показывает, что использование дисперсного силицированного графита в качестве электропроводного наполнителя неизвестно. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Силицированный графит получают пропиткой пористых графитовых заготовок парами кремния. В результате готовые изделия представляют собой конгломераты из графита, кремния и карбида кремния - продукта высокотемпературного взаимодействия графита и кремния.

Положительный эффект в предлагаемом изобретении обуславливается структурными особенностями силицированного графита и связанными с ними его индивидуальными свойствами.

1. Удельное электрическое сопротивление силицированного графита существенно выше (в зависимости от степени пропитки), чем у чистого графита (сравниваются материалы в монолитном состоянии при температуре 400К):
Силицированный графит (марки СГ-Т) (42-50)10^-6 Ом.м
Графит (разных марок) (5,8-20,5)10^-6 Ом.м
2. Пропитка парами кремния мелкопористой графитовой заготовки приводит к заполнению пор карбидной фазой и тем самым к уменьшению общей пористости материала. Подобная структурная особенность силицированного графита существенно влияет на следующие его свойства:
механическая прочность значительно возрастает за счет заполнения поровой структуры карбидной фазой, обладающей высокой твердостью, с образованием армирующего каркаса. Это обстоятельство позволяет увеличить содержание силицированного графита в композиционном материале без потери прочности;
уменьшение открытой пористости препятствует доступу кислорода воздуха внутрь материала и замедляет процесс окисления графита. В системе графит-кремний последний из-за более низкой электроотрицательности будет окисляться в первую очередь. Таким образом, силицированный графит имеет повышенную стойкость к окислению и не окисляется на воздухе до температуры 1250^оС.

В дисперсном состоянии силицированный графит сохраняет структуру конгломерата и соответствующий набор свойств.

Перечисленные выше свойства силицированного графита способствуют повышению надежности резистивных свойств композиционного материала на его основе. Силицированный графит как материал, обладающий электропроводностью, может быть использован в качестве материала для изготовления резисторов. Однако из-за относительно низкого удельного сопротивления монолитных изделий это назначение утрачивает практическую значимость.

Таким образом, предлагаемый композиционный материал имеет новую совокупность свойств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

Для экспериментальной проверки предлагаемого материала было приготовлено 12-ть смесей компонентов. В качестве порошковой составляющей железофосфатного связующего использовался оксид железа (III) по ГОСТу 4173-77, в качестве жидкости затворения - кислота ортофосфорная термическая по ГОСТу 10678-76. Углеродный компонент - бой изделий из силицированного графита, измельченного до размера частиц менее 40 мкм. Составы смесей выбирались варьированием в широких пределах соотношения силицированный графит - порошковая составляющая связующего (Г:С) при фиксированном значении отношения твердые компоненты смеси - жидкие (Т:Ж). Вначале смешивали твердые компоненты, затем вводили кислоту (75%-ный раствор) и продолжали перемешивание до получения однородной массы. Приготовленную смесь уплотняли прессованием при давлении 50 МПа.

Для определения граничных значений содержания жидкости затворения исследовались различные случаи отношения Т:Ж при фиксированном соотношении Г: С. Максимальное значение Т: Ж соответствует минимально требуемому для твердения количеству кислоты и при котором не возникает дефектов при прессовании. Минимальное значение Т:Ж - максимально возможному количеству кислоты, при котором смесь не теряла способность к твердению. Получаемую в последнем случае пластичную смесь уплотняли ручным тромбованием. При промежуточных значениях Т:Ж способы уплотнения также будут иметь переходный характер от прессования при максимальном давлении к ручному трамбованию. Свойства материала также будут находиться в диапазоне свойств для данных крайних случаев.

Термообработку образцов проводили со скоростью 10-50^оС/ч до температуры 250^оС. Были изготовлены образцы-цилиндры диаметром и высотой по 2,5 ˙ 10^-2 м.

Измерение электрического сопротивления образцов проводили при температуре окружающего воздуха 20^оС универсальным цифровым измерителем Е7-8. Критерием надежности резистивных свойств служила наработка на отказ образцов при разогреве их электрическим током до температуры 250^оС с фиксированием времени до увеличения сопротивления на 10%. Проведены сравнительные испытания образцов одинакового сопротивления из предлагаемого и известного материалов.

Составы и измеренные значения удельного электрического сопротивления образцов из предлагаемого материала приведены в табл. 1; результаты сравнительных испытаний - в табл. 2.

Проведенные исследования показали, что варьированием в широких пределах соотношения Г:С можно получать материал с широким диапазоном значений удельного электрического сопротивления. Максимальное содержание силицированного графита (состав 9) ограничивает невозможность изготовления образцов без дефектов при большем содержании графита. Минимальное содержание силицированного графита (состав 2) ограничивается приближением к области, близкой к порогу протекания, где электрические свойства материала имеют нестабильный характер (состав 1).

Минимально возможное количество кислоты (max T:Ж) - состав 10 - подобрано для обеспечения максимального давления прессования с учетом следующих факторов: отсутствие текучести смеси при прессовании; количество жидкости затворения должно обеспечивать схватывание и твердение смеси. Минимальное содержание кислоты (min T:Ж) - состав 12 - ограничивается потерей смесью способности к твердению, а также образованием трещин при уплотнении и термообработке из-за избытка жидкой фазы.

Сравнительный анализ показал, что предлагаемый материал имеет значительно большее удельное электрическое сопротивление, чем известный даже при большем объемном содержании проводника. Надежность резистивных свойств, оцененная по наработке на отказ при равном удельном сопротивлении предлагаемого и известного материалов в первом случае значительно выше.

Использование предлагаемого материала позволит изготавливать объемные резисторы различного назначения и нагревательные элементы с широким диапазоном номинальных значений электрического сопротивления и, следовательно, на различные напряжения питания (для нагревательных элементов), обеспечить повышенную надежность при эксплуатации.

Использование: для производства неорганических композиционных материалов, применяемых, в частности, для изготовления объемных резисторов различного назначения и нагревательных элементов. Сущность изобретения: с целью расширения функциональных возможностей за счет расширения диапазона электрического сопротивления в высокоомную область и повышения надежности резистивных свойств состав содержит оксид железа /Ш/, ортофосфорную кислоту, силицированный графит. Использование изобретения позволит расширить диапазон номинальных значений электрического сопротивления резистивных изделий и повысить надежность при эксплуатации. 2 табл.

СОСТАВ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО МАТЕРИАЛА, содержащий оксид железа (III), углеродный компонент и ортофосфорную кислоту, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем расширения диапазона электрического сопротивления в высокоомную область и повышения надежности резистивных свойств изделий на основе материала, он содержит в качестве углеродного компонента силицированный графит при следующем содержании компонентов, мас.%:
Оксид железа (III) - 6,0 - 63,7
Силицированный графит - 15,5 - 73,2
Ортофосфорная кислота - 16,0 - 50,0