RU2515507C1 - Resistive composite - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: resistive composite includes sodium metasilicate, graphite, grinded silicon carbide and barium titanate with the following ratio of components, wt %: sodium metasilicate 3-5, graphite 12-16, barium titanate 17-22, silicon carbide 57-68.

EFFECT: invention allows improving of the resistive composite endurance towards high voltage, provides its long-term use as a high-temperature element.

1 tbl

Description

Изобретение относится к электропроводящим композиционным материалам и может быть использовано для производства строительных материалов, а именно для получения композиционных материалов, соответствующих требованиям оптимальных параметров микроклимата, и в качестве высокотемпературных (1000-1300°С) резистивных элементов.The invention relates to electrically conductive composite materials and can be used for the production of building materials, namely, to obtain composite materials that meet the requirements of optimal microclimate parameters, and as high-temperature (1000-1300 ° C) resistive elements.

Известен электропроводящий материал, включающий полиаминимидное связующее ПАИС-104, карбид титана, углеродный наполнитель в виде порошка графита, сажи, нефтяного или каменноугольного кокса. Способ получения материала включает смешение компонентов с последующим горячим прессованием и термоотверждением [Патент РФ №2280657, «Электропроводящий полимерный материал и способ его получения», МПК⁷ C08L 79/08, С08К 3/14, С08К 3/04, опубл. 27.07.2006].Known electrically conductive material, including PAIS-104 polyaminimide binder, titanium carbide, carbon filler in the form of graphite powder, carbon black, petroleum or coal coke. The method of obtaining the material involves mixing the components, followed by hot pressing and thermosetting [RF Patent No. 2280657, “Electrically conductive polymer material and method for its preparation”, IPC ⁷ C08L 79/08, S08K 3/14, S08K 3/04, publ. July 27, 2006].

Недостатком такого материала является то, что входящее в его состав полиамидное связующее ПАИС-104 позволяет достичь температуру эксплуатации 300-350°С, что ниже рабочей температуры предлагаемого резистивного композита.The disadvantage of this material is that the PAIS-104 polyamide binder included in its composition allows to reach an operating temperature of 300-350 ° C, which is lower than the operating temperature of the proposed resistive composite.

Наиболее близкой, принятой за прототип, является суспензия для получения токопроводящего покрытия, содержащая, мас.%: метасиликат натрия 28-30; графит 11-15,5; оксид алюминия 3,5-3,7; оксид железа (III) 3,5-3,7; карбонат стронция 3,5-3,7; титанат калия 4,2-4,5; оксид бария 1,2-1,5; соляная кислота 4,9-5,1; вода остальное.The closest adopted for the prototype is a suspension to obtain a conductive coating containing, wt.%: Sodium metasilicate 28-30; graphite 11-15.5; aluminum oxide 3.5-3.7; iron oxide (III) 3.5-3.7; strontium carbonate 3.5-3.7; potassium titanate 4.2-4.5; barium oxide 1.2-1.5; hydrochloric acid 4.9-5.1; water the rest.

[Патент РФ №2277733, «Суспензия для получения токопроводящего покрытия», МПК⁷ Н01В 1/00, Н01В 1/24, опубл. 10.06.2006, бюл. №16]. Смеси получают простым смешиванием компонентов, суспензию кистью наносят на поверхность слюдяных пластин, которые прокаливают при температуре 300°С в течение 5-7 часов.[RF patent №2277733, «slurry to obtain a conductive coating", IPC ⁷ 1/00 N01V, N01V 1/24, publ. 06/10/2006, bull. No. 16]. Mixtures are obtained by simple mixing of the components, the suspension is applied with a brush to the surface of the mica plates, which are calcined at a temperature of 300 ° C for 5-7 hours.

Недостатками прототипа являются низкие механическая прочность и надежность пленочных нагревательных элементов при повышенных тепловых нагрузках. Эти недостатки ухудшают технические и эксплуатационные характеристики пленочных токопроводящих изделий.The disadvantages of the prototype are the low mechanical strength and reliability of the film heating elements at high thermal loads. These shortcomings worsen the technical and operational characteristics of film conductive products.

Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения сырьевой базы для производства резистивных элементов с широким диапазоном потребительских свойств: высокими температурой эксплуатации при сверхнизком напряжении и механической прочностью.The present invention solves the problem of increasing the raw material base for the production of resistive elements with a wide range of consumer properties: high operating temperature at ultra-low voltage and mechanical strength.

Технический результат достигается тем, что в состав вводят компоненты, регулирующие температурные и электрические свойства материала: молотые карбид кремния и титанат бария, при следующем соотношении компонентов, мас.%: метасиликат натрия 3-5, графит 12-16, титанат бария 17-22, карбид кремния 57-68.The technical result is achieved by the fact that the composition regulates the temperature and electrical properties of the material: ground silicon carbide and barium titanate, in the following ratio, wt.%: Sodium metasilicate 3-5, graphite 12-16, barium titanate 17-22 Silicon carbide 57-68.

Резистивный материал готовили следующим образом.Resistive material was prepared as follows.

Пример. Взвесили сухие компоненты смеси: порошок графита в количестве 1,5 г (15%, см. табл.1, образец 4), карбид кремния 6,0 г (60%), титанат бария - 2,0 г (20%), и перемешивали до равномерного распределения, увлажняли метасиликатом натрия (5%) до формовочной влажности. Образцы из полученной смеси формовали способом полусухого прессования на прессе при давлении 200 МПа, а затем обжигали в муфельной печи при температуре 350°С в течение 2 часов. Полученный образец имеет форму цилиндра диаметром диаметром 2·10^-2 м, длиной 1·10^-2 м. После охлаждения определяли удельное электрическое сопротивление и удельную электропроводность (табл.1).Example. The dry components of the mixture were weighed: graphite powder in an amount of 1.5 g (15%, see Table 1, sample 4), silicon carbide 6.0 g (60%), barium titanate - 2.0 g (20%), and mixed until even distribution, moistened with sodium metasilicate (5%) to molding moisture. Samples from the resulting mixture were molded by semi-dry pressing on a press at a pressure of 200 MPa, and then calcined in a muffle furnace at a temperature of 350 ° C for 2 hours. The obtained sample has the shape of a cylinder with a diameter of 2 × 10 ⁻² m, length 1 × 10 ⁻² m. After cooling, the electrical resistivity and electrical conductivity were determined (Table 1).

Смеси остальных составов готовили аналогичным образом. Результаты испытаний представлены в таблице 1.Mixtures of the remaining compositions were prepared in a similar manner. The test results are presented in table 1.

Таблица 1Table 1 Электрические и физико-химические свойства опытных образцовElectrical and physico-chemical properties of prototypes №No. Сопротивление R, ОмResistance R, Ohm Площадь, S, м² Area, S, m ² Длина, l, мLength, l, m Удельное сопротивление, ρ_уд, Ом·мResistivity, ρ _beats , Ohm · m Удельная электропроводность, χ, Ом^-1·м^-1 Electrical conductivity, χ, Ohm ^-1 · m ^-1 Соотношение компонентов, мас.%The ratio of components, wt.% 1*one* 3,5·10⁵ 3,510 ⁵ 0,00030,0003 0,010.01 1050010500 9,524·10^-5 9.52410 ^-5 Карбид кремния - 85;Silicon Carbide - 85; графит - 7,graphite - 7, метасиликат натрия -8sodium metasilicate -8 22 0,8·10⁵ 0.8 · 10 ⁵ 24002400 4,167·10^-4 4,16710 ^-4 Карбид кремния - 68,Silicon Carbide - 68, титанат бария - 17;barium titanate - 17; графит -12;graphite -12; метасиликат натрия - 3sodium metasilicate - 3 33 28,8 28.8 0,8640.864 1,1571,157 Карбид кремния - 60;Silicon Carbide - 60; титанат бария - 20;barium titanate - 20; графит - 15;graphite - 15; метасиликат натрия - 5sodium metasilicate - 5 4*four* 19,6 19.6 0,5880.588 1,7011,701 Карбид кремния - 80;Silicon Carbide - 80; графит - 15,graphite - 15, метасиликат натрия - 5.sodium metasilicate - 5. 55 4,24.2 0,1260,126 7,9377,937 Карбид кремния - 35,Silicon Carbide - 35, титанат бария - 45;barium titanate - 45; графит - 15;graphite - 15; метасиликат натрия - 5sodium metasilicate - 5 66 3,53,5 0,1050.105 9,5249,524 Карбид кремния - 40;Silicon Carbide - 40; титанат бария - 40;barium titanate - 40; графит - 15;graphite - 15; метасиликат натрия - 5sodium metasilicate - 5 7*7 * 4,04.0 0,120.12 8,3338,333 Карбид кремния - 74;Silicon Carbide - 74; графит - 20,graphite - 20, метасиликат натрия - 6sodium metasilicate - 6 88 3,1 3,1 0,0930,093 10,75310,753 Карбид кремния - 50,Silicon Carbide - 50, титанат бария - 22;barium titanate - 22; графит - 25;graphite - 25; метасиликат натрия - 3sodium metasilicate - 3 * - образцы, в состав которых не входит титанат бария, т.к. он резко увеличивает потребляемую мощность образцов.* - samples that do not include barium titanate, because it dramatically increases the power consumption of the samples.

Анализ данных табл.1 показывает следующие результаты:Analysis of the data in table 1 shows the following results:

1. Уменьшение процентного содержания метасиликата натрия ниже 3% приводит к снижению механической прочности композита вследствие нарушения монолитности.1. A decrease in the percentage of sodium metasilicate below 3% leads to a decrease in the mechanical strength of the composite due to a violation of monolithicity.

2. Добавление в состав композита метасиликата натрия в количестве более 5% от общей массы образца вызывает нарушение пластических характеристик образца при прессовании давлением более 0,5 МПа, а при термообработке происходит его вспучивание.2. The addition of sodium metasilicate in the composition in an amount of more than 5% of the total mass of the sample causes a violation of the plastic characteristics of the sample when pressed with a pressure of more than 0.5 MPa, and during heat treatment it swells.

3. При выходе из оптимальных пределов концентраций титаната бария и карбида кремния наблюдается снижение электропроводности материала.3. When you exit from the optimal concentration limits of barium titanate and silicon carbide, a decrease in the conductivity of the material is observed.

4. Снижение содержания графита менее 12% вызывает резкое увеличение сопротивления, что негативно отражается на технологических свойствах резистивного композита (снижение температуры нагревающей поверхности).4. A decrease in graphite content of less than 12% causes a sharp increase in resistance, which negatively affects the technological properties of the resistive composite (lowering the temperature of the heating surface).

5. Увеличение концентрации графита более 16% нецелесообразно ввиду незначительного увеличения характеристик образцов. Оптимальное соотношение компонентов смеси придает материалу высокие качественные характеристики.5. An increase in graphite concentration of more than 16% is impractical due to a slight increase in the characteristics of the samples. The optimal ratio of the components of the mixture gives the material high quality characteristics.

Физико-химическая сущность заявляемого технического решения достижения задачи заключается в следующем: сохранение значений электрофизических параметров материала достигается предлагаемым составом материала. При этом в резистивном композите происходит образование устойчивых проводящих структур, содержащих значительное количество титаната бария, имеющего высокую диэлектрическую проницаемость, разделенных частицами проводящего материала, содержащего графит. Так как разделяющие частицы в структуре материала обладают электропроводностью, то при формировании проводящей сетки внутри всего материала не происходит резкого падения проводимости при разрыве проводящего канала из материала, содержащего титанат бария.The physicochemical nature of the claimed technical solution to the problem is as follows: the conservation of the values of the electrophysical parameters of the material is achieved by the proposed composition of the material. In this case, in the resistive composite, stable conductive structures are formed containing a significant amount of barium titanate having a high dielectric constant, separated by particles of a conductive material containing graphite. Since the separating particles in the structure of the material have electrical conductivity, when forming a conductive network inside the entire material, there is no sharp drop in conductivity when the conductive channel is broken from a material containing barium titanate.

Таким образом, изобретение позволяет увеличить стойкость резистивного композита к воздействию высокого напряжения, дает возможность длительного его использования в качестве высокотемпературного элемента. Достоинством также является дешевизна и доступность компонентов, входящих в состав композита, и повышение его конструкционных свойств.Thus, the invention allows to increase the resistance of the resistive composite to high voltage, makes it possible to use it as a high-temperature element for a long time. The advantage is also the low cost and availability of the components that make up the composite, and increase its structural properties.

Claims (1)

Резистивный композит, включающий метасиликат натрия и графит, отличающийся тем, что в нем дополнительно используют молотые карбид кремния и титанат бария, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
метасиликат натрия 3-5,
графит 12-16,
титанат бария 17-22,
карбид кремния 57-68. A resistive composite comprising sodium metasilicate and graphite, characterized in that it additionally uses ground silicon carbide and barium titanate, in the following ratio, wt.%:
sodium metasilicate 3-5,
graphite 12-16,
barium titanate 17-22,
silicon carbide 57-68.