СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ ГРАФИТОКЕРАМИКИ Российский патент 1998 года по МПК C04B35/52 C04B33/00 

Изобретение относится к производству композиционных материалов на основе природного минерального сырья - легкоплавкой глины и графита, с получением графито-керамики, обладающей электропроводностью и удельным сопротивлением, позволяющим использовать электропроводящий графито-керамический материал в качестве нагревательных элементов, работающих в широком интервале температур.

Известен способ получения электропроводящих полимерных материалов с наполнителем углеродной сажей [1].

Недостатком исходных смесей компонентов - органического полимеризующегося вещества и получаемой из угля или графита специальной тонкодисперсной сажи является их дефицит и дороговизна, недостаток получаемых электропроводящих полимерных материалов - их разрушение при нагреве до температур выше 180-200^oC.

Известен графито-керамический состав для фасонных изделий литейного оборудования [2] , который содержит 25-45% натурального графита, 50-20% синтетического графита или графитовых отходов, 20-40% огнестойкой глины или каолина, 5-20% карбида кремния или ферросилиция и 0,2% обожженной огнеупорной глины.

Недостатком сырьевой смеси является большое число дорогих и дефицитных компонентов, а получаемый материал не обеспечивает устойчивое значение электропроводности.

Известен графито-керамический состав для резистивных элементов печей, обладающих устойчивым и регулируемым электросопротивлением и характеризуемый тем, что содержит 35-45% графита, 10-25% каолина, 0-15% огнеупорной глины, 1-5% кристаллического кремния, 0,5-3% алюминия, 10-20% карбида кремния, 0-5% стекольного песка и 0-10% оксида алюминия. Обжиг сформованных масс ведут в бескислородной атмосфере при 1300-1400^oC [3].

Недостатком этого технического решения является сложность состава, дефицитность и дороговизна исходных компонентов, большое содержание графита, получают материалы и изделия на его основе обжигом при очень высоких температурах - 1300-1400 ^oC и только в бескислородной среде, что удорожает технологию изготовления, материалы и изделия обладают низкой электропроводностью и высоким удельным сопротивлением, что исключает возможность их использования в качестве нагревательных элементов. Наиболее близким техническим решением является способ получения электропроводящей графито-керамики [4].

Задачей изобретения является получение электропроводящего графито-керамического материала с широким диапазоном величин удельного электрического сопротивления и его удешевление.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения графитосодержащего материала, включающем смешение компонентов сырьевой смеси, формование или прессование изделий, обжиг, используют сырьевую смесь, содержащую мас.%: графит 5-30 и глину легкоплавкую - 70-95, а обжиг изделий ведут в условиях, ограничивающих доступ воздуха, при температуре 600-800^oC.

В предлагаемом техническом решении используют в составе сырьевой смеси кристаллический графит, равномерно распределенный между частицами легкоплавкой глины при доле графита 5-30 мас.%, что обеспечивает образование в объеме изделий единой сетки из кристаллитов графита. Легкоплавкая глина в обожженном состоянии образует прочную керамическую матрицу, в которой такие сетки графита создают необходимую электропроводность во всем объеме материала, и при задаваемом удельном электрическом сопротивлении изделие работает как нагревательный элемент. Обжиг изделий в интервале температур 600-800^oC переводит глину в керамический материал без разрушения сетчатой структуры из кристаллов графита и без заметного выгорания графита в объеме изделия, поскольку интенсивное горение графита начинается при температуре выше 700^oC, а обжигаемые образцы размещают под кожухом, защищающим изделия от доступа воздуха.

В прототипе используют такой состав компонентов сырьевой смеси, для которого образование прочной керамической матрицы достигается только при обжиге материала при температуре 1300-1400^oC, для уменьшения выгорания графита обжиг ведут в бескислородной среде, однако при этом трудно исключить структурные изменения в кристаллах графита и сохранить единую сетчатую структуру его кристаллов в объеме керамического изделия, т.е. имеет место новая совокупность признаков решения - новый состав сырьевой смеси и новые условия обжига изделий, приводящие в совокупности к новому свойству получаемой графито-керамики - приобретению ее повышенной электропроводности с удельным сопротивлением, соответствующим использованию изделий в качестве нагревательных элементов, что отвечает критерию "существенные отличия" и свидетельствует о наличии изобретательского уровня.

Изобретение является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано в производстве нагревательных элементов, питаемых электрическим током различной силы и напряжения.

Химический состав природных материалов для сырьевой смеси, представленных легкоплавкой глиной и графитом, может меняться в пределах, указанных в табл. 1.

Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Легкоплавкую глину (Гл) и графит (Г) смешивают в весовом соотношении, мас.%:
ГЛ + Г + 96+4; 95+5; 94+6; 88+12; 70+30; 60+40,
подготовленные порошки сырьевых смесей увлажняют до полусухого состояния и прессуют, изделия-цилиндры размером 15х18 мм сушат при 105^oC, помещают в печь, закрывают керамическим кожухом и нагревают до температуры 700^oC, выдерживают в течение 10 мин, изделия извлекают из печи и охлаждают на воздухе. Свойства полученных изделий приведены в табл. 2.

В примере 1 показана существенность выбранного соотношения компонентов сырьевой смеси Гл: Г = 95-70 - 5-30, поскольку при соотношении 96:4 графито-керамический материал имеет более 10⁴ Ом•м, при соотношении 60:40 прочность изделия менее 50 кг/см².

Пример 2.

Легкоплавкую глину (Гл) и графит (Г) смешивают в весовом соотношении Гл: Г = 94:6, подготовленные порошки сырьевых смесей увлажняют до полусухого состояния и прессуют, изделия-цилиндры размером 15х18 мм сушат при 105^oC, помещают в печь, закрывают керамическим кожухом и нагревают каждый набор образцов до одной из указанных температур: 500, 600, 700, 800, 900^oC, выдерживают в течение 10 мин, охлаждают в печи.

Пример 3.

Легкоплавкую глину (Гл) и графит (Г) смешивают в весовом соотношении, мас.%:
Гл:Г = 70:30,
подготовленные порошки сырьевых смесей увлажняют до полусухого состояния и прессуют, изделия-цилиндры размером 15х18 мм сушат при 105^oC, помещают в печь, закрывают керамическим кожухом и нагревают каждый набор образцов до одной из указанных в табл. 3 температур.

В примерах 2 и 3 показана существенность выбранного интервала температур обжига 600-800^oC, поскольку при температуре обжига 500^oC не достигается необходимая прочность графито-керамического материала - более 50 кг/см², а при температуре обжига 900^oC графито-керамический материал с содержанием графита 6% теряет способность проводить электрический ток, что иллюстрируется данными таблицы 2, а при содержании графита 30% недостаточна прочность графито-керамического материала, что иллюстрируется табл. 4.

Использование заявляемого изобретения позволяет:
получить изделия с широким диапазоном удельного электрического сопротивления и использовать их в качестве нагревательных элементов в интервале температур 30-550^oC;
удешевить изделия из графито-керамики, за счет сокращения затрат на сырье, снижения энергозатрат на обжиг и упрощения технологии изготовления изделий.

Использование: изобретение относится к области производства композиционных материалов на основе природного минерального сырья и может быть использовано в производстве нагревательных элементов различного назначения. Сущность изобретения: для производства электропроводящего графито-керамического материала с широким диапазоном величин удельного электрического сопротивления используют сырьевую смесь, содержащую 10 - 30 мас.% кристаллического графита и 70 - 90 мас.% легкоплавкой глины, а обжиг изделий ведут в условиях, ограничивающих доступ воздуха, при температуре от 700 до 800^oС. Полученный материал имеет электрическое сопротивление от 1,8 • 10² до 4 • 10^- 3 Ом•м. 4 табл.

Способ получения электропроводящей графитокерамики, включающий смешение компонентов сырьевой смеси, содержащей графит и глину, прессование порошков или формование пластичных масс, сушку и обжиг изделий, отличающийся тем, что используют сырьевую смесь, содержащую графит кристаллический 10 - 30 мас.% и легкоплавкую глину 70 - 90 мас.%, а обжиг изделий ведут в условиях, ограничивающих доступ воздуха, при температуре 600 - 700^oС.