СИНТЕЗ МАТРИЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ГРАФИТА И КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ

Введение

Тепловое обслуживание жилых и производственных зданий, с целью создания комфортных микроклиматических условий, образует ряд современных проблем, в частности социальных, экономических и экологических. Замена традиционного отопления на системы инфракрасного излучения позволит снизить экономические и экологические риски, связанные с потерей тепла конвективных потоков, и качеством воздуха за счет последнего. Различные методики рационального использования возобновляемой энергии предлагают обратить внимание на синтез новых технологий на основе графита [1-5].

Стоит выделить еще один важный аспект электрических обогревателей – температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКЭС). Необходимо достичь положительного ТКЭС, т.к. это позволит получить эффект саморегуляции тепловых потоков [6, 7]. Система при значительном выделении тепла переходит в напряженное состояние, расстояние между электроконтактами графита увеличивается, увеличивается электрическое сопротивление самой системы, и, следовательно, температура падает до номинального.

Материалы и методы исследования

Используемые материалы для получения композитов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Используемые материалы

№ п/п	Наименование	ГОСТ, ТУ
1	Графит ГЛ-1	ГОСТ 17022-81
2	Карбонат кальция	ТУ 113-08-667-98
3	Титанат бария	ТУ 6-09-3963-84
4	Карбид кремния	FEPA F220

 

Процесс формирования образцов заключается в использовании пресса и формочки для пресса на цилиндр диаметром 1,5 см., выдерживается под давлением 8632,8 кПа в течение 10–15 мин.; смачивание торцевых поверхностей графитовой пастой.

Удельную электрическую проводимость образцов рассчитывали по их сопротивлению в зависимости от температуры нагрева.

Изучали дисперсность графита при помощи лазерного дифракционного анализатора размера частиц Analysette 22 NanoTec plus. Зернистость электропроводящего материала представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Гранулометрический состав графита марки ГЛ-1

Основные результаты

В качестве состава нами было предложено использовать графит марки ГЛ-1, как электропроводящий нагреватель, в диэлектрической среде. Диэлектрическая среда – карбонат кальция – щелочноземельный металл с положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления.

Порог активации электропроводящего контакта составляет 10%. Менее 10% графита имеет несоизмеримо высокие показатели электрического сопротивления. Свыше 20% - проявления электропроводности только графита.

Из графика видно (рис. 2), что при 10% проявляется положительный ТКЭС. При увеличении концентрации токопроводящей фазы свыше 0,10 масс., ТКЭС заметно не меняется, но электрическое сопротивление образцов значительно ниже, что свидетельствует о замедлении скорости реакции с ростом температуры (рис. 3).

Рисунок 2. Зависимость удельной электропроводностиот концентрации графита марки ГЛ-1

1-4: 10, 15, 20, 25% соответственно

Рисунок 3. Изменение энергии активации от массовой концентрации графита марки ГЛ-1

Далее частично заменили диэлектрическую среду карбидом кремния при содержании графита 10%, т.е. введя в состав варистивный компонент для интенсивного прохождения электрического заряда через весь объем гетерогенной системы (рис. 4). Процесс активации SiC начинается с 5%, т.к. меньшая доля этого материала никак не отражается на составе. Измененный состав выравнивает ТКЭС, но при концентрациях карбида кремния 15…25% снижает основное электрическое сопротивление. Это свидетельствует о безбарьерном протекании реакции (рис. 5).

Изменяя первоначальную систему «графит – карбонат кальция», добавляя в нее титанат бария (сегнетоэлектрик с точкой Кюри 120° С, и с более низким электрическим сопротивление по сравнению с CaCO₃) можно увидеть, рис. 6-7, снижение электрического сопротивления при концентрации последнего 10…25%. Изменения также влияют на ТКЭС поддерживая значения на одном уровне.

Рисунок 4. Зависимость удельной электропроводности от концентрации SiC

1-5: 5, 10, 15, 20, 25 % соответственно

Рисунок 5. Изменение энергии активации от массовой концентрации SiC

Рисунок 6. Зависимость удельной электропроводности от концентрации BaTiO₃

1-5: 5, 10, 15, 20, 25% соответственно

Рисунок 7. Изменение энергии активации от массовой концентрации BaTiO₃

Применяя в состав оба компонента, можно добиться необходимых показателей для создания низкоомных нагревателей с положительным ТКЭС, что обеспечит безопасность и стабильность работы резистивных нагревателей.

 

Рисунок 8. Зависимость удельной электропроводности от концентрации SiC при содержании, BaTiO₃ а)-в): 10, 15, 20%

1-4: 5, 10, 15, 20% соответственно

Изменения, согласно рисунку 8, при концентрациях BaTiO₃ 10…20% и содержания в данном составе SiC 5…20% позволит подобрать стойкость композита к высокому напряжению, что даст возможность к длительному использованию как основу конструкции инфракрасного нагревателя.

Заключение

Установлены зависимости удельной электрической проводимости графита в диэлектрической среде. Наличие карбида кремния в составе облегчает туннельно-барьерный механизм прохождения заряда через весь объем композита, что способствует электрической перколяцией с насыщением электрофизических свойств карбоната кальция и титаната бария.