ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ ТЕРМОСТОЙКИЙ ФОСФАТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2014 года по МПК H01B1/14 

Изобретение относится к термостойким материалам фосфатного твердения, обладающих высокой электропроводностью. Могут быть использованы в области электромагнитных, авиационных и космических технологий, в строительной отрасли.

В настоящее время особый интерес представляют термостойкие материалы, обладающие хорошей (высокой) электропроводностью. В большинстве случаев основу (матрицу) термостойких материалов составляют фосфатные вяжущие системы как наиболее эффективные с точки зрения технологии изготовления изделий, так и сточки зрения эксплуатационных характеристик [1. В.А.Копейкин, А.П.Петрова, И.Л.Рашкован. материалы на основе металлофосфатов. // -М. :Химия», 1976, стр 3-200. 2. А.Г.Судакас. Фосфатные вяжущие системы. // -Санкт-Петербург, 2008, стр.227-228]. Термостойкие материалы с повышенной электропроводностью получают путем введения в матрицу металлических или неметаллических проводящих компонентов. Использование металлических и, в большинстве случаев, неметаллических наполнителей приводит к значительному увеличению массы (веса) вещества, что является весьма нежелательным для многих изделий, особенно тех, которые используются в ракетно-космической и авиационной технике. Очень эффективными с этой точки зрения оказались углеродсодержащие волокнистые материалы и углеродные нанотрубки. Кроме хорошей электроводности, они обладают высокой прочностью, химической и радиационной стойкостью.

Известен электропроводящий термостойкий фосфатный материал (вяжущее), включающее ортофосфорную кислоту (27,8-34,8 вес. %), фосфорсодержащее углеродное волокно (16,7-21,7 вес. %) и окись меди (остальное) [3. Авторское свидетельство СССР, №522158, кл. С04В 29/02, 1976].

Введение в состав вяжущего фосфорсодержащего углеродного волокна привело к уменьшению удельного электросопротивления на 7-8 порядков, а коэффициента термического расширения в 25 раз. Кроме того, материалы обладают водостойкостью и высокой прочностью. Недостатком данного материала является невысокая электропроводность и трудоемкий процесс получения фосфорированного углеродного волокна.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электропроводящий термостойкий фосфатный материал (сырьевая смесь для изготовления вяжущего [4. Авторское свидетельство СССР №1701695А1, кл. С04В 28/34, 1991], который содержит (масс. %): ортофосфорную кислоту (28,6-31,0) - связующее, оксид меди (57,5-68,0) - наполнитель, медьсодержащее углеродное волокно (3,4-11,5) - модифицирующая добавка. Изобретение позволило повысить водостойкость указанного материала в 4 раза, а удельное объемное электросопротивление снизить до 10-30 Ом·м. Недостатком этого изобретения является невысокая электропроводность и трудоемкость процесса получения медьсодержащего углеродного волокна. Полученные значения не являются достаточно высокими и ограничивают широкое использование данного материала в промышленности.

Задачей заявляемого изобретения является снижение удельного объемного сопротивления разрабатываемого материала при сохранении его высоких показателей по прочности и термостойкости.

Поставленная задача достигается тем, что электропроводящий термостойкий фосфатный композиционный материал, состоящий из связующего, наполнителя и модифицирующей добавки, содержит в качестве связующего - алюмофосфатное соединение (АФС), в качестве наполнителя - смесь оксида и нитрида алюминия (9,0:1,0), а в качестве модифицирующей добавки - углеродные нанотрубки (УНТ) при следующем соотношении компонентов, масс. %.: алюмофосфатная связка: -14-16, УНТ -0,5-2, наполнитель (Al₂O₃-AlN): - остальное.

Отличительными признаками изобретения являются: состав и соотношение компонентов.

Предлагаемый электропроводящий термостойкий композиционный материал состоит из алюмофосфатного связующего, наполнителя, состоящего из смеси оксида алюминия(Al₂O₃₎ и нитрида алюминия(AlN) при массовом соотношении, равном 9,0:1,0 соответственно и модифицирующей добавки.

Алюмофосфатное связующее готовится путем растворения гидроксида алюминия в растворе фосфорной кислоты с массовой долей 60%. Мольное отношение H₃PO₄/Al(ОН)₃ равно - 3. Растворение производится при непрерывном перемешивании и слабом нагревании (80-90°С) до получения прозрачного гомогенного раствора. После охлаждения раствора до комнатной температуры (15-25°С) раствор разбавляют до плотности, равной 1,35-1,45 г/см³.

Наполнитель: однородная смесь порошков оксида и нитрида алюминия с массовым соотношением 9,0:1,0.

Модифицирующая добавка - углеродные нанотрубки (УНТ), получены известным способом парофазного осаждения (CVD) с использованием раствора ферроцена (2 масс. %) в толуоле при температуре 800°С, скорость потока 250 см³/мин, продолжительность синтеза - 15 мин. Средний размер УНТ: длина 10-20 мкм, толщина - 9-20 нм.

Приготовление образцов

Алюмофосфатную связку (АФС), смесь основного наполнителя и УНТ в массовых соотношениях в соответствии с таблицей 1 перетирают в агатовой ступке до получения однородной массы, которую затем помещают в пресс-форму с диаметром 15 мм и прессуют при давлении 50 кгс/см². Полученные образцы (бруски, таблетки) отверждают при комнатной температуре в течение суток, а затем нагревают до 200°С со скоростью 1°С/мин, после выдержки в течение 1 часа образцы охлаждают в печи.

Сочетание качественного и количественного соотношения компонентов позволило повысить функциональные характеристики материала. Результаты измерения удельного объемного электросопротивления (Ом·м) образцов представлены в таблице.

Пример Состав
композиционногоматериала, масс. % Удельное объемное электросопротивление, Ом·м Связующее АФС Наполнитель Al₂O₃-AlN УНТ 1 15 85,0 0 более 10¹¹ 2 14 85,5 0,5 8,2 10⁸-9,8 10⁸ 3 15 84,5 0,5 3,3 10⁸-4,3 10⁸ 4 15 84,0 1,0 9,1 10²-1,2 10³ 5 15 83,0 2,0 9,5 10^-2-9,7 10^-2 6 16 83,0 1,0 7,1 10³-9,2 10³ 7 прототип 10-30

Термостойкий алюмофосфатный композиционный материал с УНТ характеризуется более низким, в сравнении с прототипом, значением удельного объемного сопротивления (ниже на 1,5-2 порядка) при практически неизменных параметрах по прочности (σ_сжатия ≥ 30 МПа) и термостойкости (до 600°С). При использовании смеси состава 2, 3 не достигается эффект приобретения композицией максимальных значений электропроводимости. Превышение содержания УНТ над предлагаемым (более 2 масс. %) не позволяет достичь необходимой гомогенности состава при перемешивании компонентов и ухудшает физико-механические свойства композиционного материала.

Таким образом, заявленный электропроводящий термостойкий фосфатный композиционный материал позволяет снизить удельное объемное сопротивление на 1,5-2 порядка и сократить количество введенной дорогостоящей модифицирующей добавки до 2%.

Изобретение относится к термостойким материалам фосфатного твердения, обладающих высокой электропроводностью, которые могут быть использованы в области электромагнитных, авиационных и космических технологий, а также в строительной отрасли. Изобретения позволяет снизить удельное объемное сопротивление композиционного материала при сохранении высоких показателей по прочности и термостойкости. Электропроводящий термостойкий фосфатный композиционный материал содержит алюмофосфатное связующее, наполнитель- смесь оксида и нитрида алюминия и модифицирующую добавку - углеродные нанотрубки (УНТ), при соотношении компонентов композиционного материала, масс. %: алюмофосфатная связка - 14-16, УНТ - 0,5-2, наполнитель (Аl₂О₃-AlN) - остальное. 1 табл.

Электропроводящий термостойкий фосфатный композиционный материал, состоящий из связующего, наполнителя и модифицирующей добавки, отличающийся тем, что он содержит в качестве связующего - алюмофосфатное связующее (АФС), в качестве наполнителя - смесь оксида алюминия и нитрида алюминия (9,0:1,0), а в качестве модифицирующей добавки - углеродные нанотрубки (УНТ) при следующем соотношении компонентов, масс.%:
алюмофосфатная связка 14-16 УНТ 0,5-2 наполнитель (Al₂O₃-AlN) остальное