Резистивный композит

Классификация по МПК: H01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2515507
Дата публикации: 
Суббота, Май 10, 2014
Начало действия патента: 
Понедельник, Декабрь 24, 2012

Изобретение относится к электропроводящим композиционным материалам и может быть использовано для получения материалов строительного назначения и в качестве высокотемпературных резистивных элементов. Изобретение позволяет увеличить стойкость резистивного композита к воздействию высокого напряжения, дает возможность длительного его использования в качестве высокотемпературного элемента. Резистивный композит включает метасиликат натрия, графит, 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. 1 табл.

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.

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].

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.

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.

[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.

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.

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.

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.

Резистивный материал готовили следующим образом.

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).

Смеси остальных составов готовили аналогичным образом. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1
Электрические и физико-химические свойства опытных образцов
Сопротивление R, Ом Площадь, S, м2Длина, l, м Удельное сопротивление, ρ уд, Ом·мУдельная электропроводность, χ , Ом-1·м-1 Соотношение компонентов, мас.%
1*3,5·1050,0003 0,0110500 9,524·10-5Карбид кремния - 85;
графит - 7,
метасиликат натрия -8
20,8·105 2400 4,167·10-4Карбид кремния - 68,
титанат бария - 17;
графит -12;
метасиликат натрия - 3
328,8 0,8641,157 Карбид кремния - 60;
титанат бария - 20;
графит - 15;
метасиликат натрия - 5
4* 19,6 0,588 1,701Карбид кремния - 80;
графит - 15,
метасиликат натрия - 5.
54,2 0,1267,937 Карбид кремния - 35,
титанат бария - 45;
графит - 15;
метасиликат натрия - 5
6 3,50,105 9,524Карбид кремния - 40;
титанат бария - 40;
графит - 15;
метасиликат натрия - 5
7* 4,00,12 8,333Карбид кремния - 74;
графит - 20,
метасиликат натрия - 6
83,1 0,09310,753 Карбид кремния - 50,
титанат бария - 22;
графит - 25;
метасиликат натрия - 3
* - образцы, в состав которых не входит титанат бария, т.к. он резко увеличивает потребляемую мощность образцов.

Анализ данных табл.1 показывает следующие результаты:

1. Уменьшение процентного содержания метасиликата натрия ниже 3% приводит к снижению механической прочности композита вследствие нарушения монолитности.

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.

3. При выходе из оптимальных пределов концентраций титаната бария и карбида кремния наблюдается снижение электропроводности материала.

4. Снижение содержания графита менее 12% вызывает резкое увеличение сопротивления, что негативно отражается на технологических свойствах резистивного композита (снижение температуры нагревающей поверхности).

5. Увеличение концентрации графита более 16% нецелесообразно ввиду незначительного увеличения характеристик образцов. Оптимальное соотношение компонентов смеси придает материалу высокие качественные характеристики.

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.

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.

Формула изобретения

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.