Дослідження механічних та електричних характеристик нових резистивних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження механічних та електричних характеристик нових резистивних матеріалів

Володько О.В.

Постановка проблеми. Створення нових композитних матеріалів, ефективних як з економічної, так і технологічної точок зору, є актуальним завданням сучасної будівельної індустрії.

Особливий інтерес представляють резистивні композитні матеріали, ефективність яких може регулюватися фізико-механічними і електричними властивостями їх компонентів [1]. Серед таких перспективних матеріалів є резистивні композити, армовані хімічними електропровідними волокнами (фібробетели) [2]. Відомі резистивні композиції мають низку недоліків, пов'язаних з нестабільністю електричних характеристик і недостатньою міцністю. Тому доцільна розробка нових складів резистивних матеріалів на основі бетонної матриці, які володіли б стабільними електричними та покращеними механічними характеристиками.

Аналіз резистивних композитів. Відомимі електропровідні бетони з армуванням матриці дискретними електропровідними волокнами [2]. Істотним недоліком таких матеріалів є низька механічна міцність. Ці резистивні композити призначені, в основному, для виготовлення об'ємних резисторів енергетичного устаткування, які працюють в короткочасному режимі в схемах комутаційної апаратури енергетичних установок і ліній високої напруги, а також заземлювачів. Використання їх для виготовлення нагрівальних елементів, що тривало працюють у циклічному режимі при температурі більше 100 °С, веде до зниження механічної міцності і нестабільності електричних характеристик. Це пояснюється деструктивними процесами в матеріалі, які спостерігаються при (120-150) °С і супроводжуються дегідратацією сульфатовмісних і гідроалюмінатних фаз (при нагріванні відбувається втрата води молекулами кристалогідратів і гідрату двокальцієвого силікату, причому при тривалій дії тепла відбувається повний розпад цих сполук).

Композити, які можуть працювати довгий час при достатньо високих температурах, висвітлені в роботі [3]. Вони теж мають недоліки - високий вміст волокнистого наповнювача знижує міцність на стиск та зменшує густину композиції.

Одним з реальних шляхів усунення недоліків відомих резистивних матеріалів на основі гідравлічного в'яжучого є підвищення тепловипромінювальної здатності провідників, що досягається шляхом збільшення числа електропровідних ланцюжків в композиції та рівномірності їх розподілу в об'ємі, підвищення густини і теплоємності композиції, а також забезпечення міцності на розтяг і стійкості до утворення тріщин [4]. Цій вимозі більшою мірою відповідає волоконний резистивний матеріал, розроблений за участю автора [5]. Матеріал володіє стабільними електричними характеристиками, достатньою міцністю, високим модулем пружності і стійкістю проти стирання. Але, введений до складу матеріалу електрокорунд, що володіє густиною 3,9…4,0 г/см³ та істотно підвищує модуль повздовжньої пружності композиту, має доволі високу вартість.

Тому ставилася задача створення резистивного матеріалу, що мав би стабільні електричні характеристики в умовах підвищених температур і відносно високі механічні характеристики при меншій вартості.

Результати досліджень. За участю автора був розроблений і досліджений резистивний композиційний матеріал [6], що містить: в'яжуче на основі швидкотверднучого цементу, колоїдний графіт, термічно стабільний наповнювач у вигляді кварцового піску і гранвідсіву, волоконний наповнювач, електропровідним компонентом якого додатково є технічний вуглець з питомою поверхнею S_г=(90…100) м²/г, а волоконним наповнювачем - хімічні електропровідні волокна. Як кварцовий пісок використовувався стандартний вольський пісок по ГОСТ 6139-78, як гранвідсів - відсів граніту Кременчуцького гранітного заводу. Склади сумішей інгредієнтів композитного матеріалу ( мас. %) наведені у таблиці 1.

Зразки матеріалу виготовлялись серіями. Елементи першої серії піддавалися випробуванням по визначенню питомого електричного опору, другої - випробуванням на розтяг при згині і на стиск, третьої - тривалій дії змінного струму.

Таблиця 1. Cуміші інгредієнтів композитного матеріалу

Для порівняння показників властивостей досліджуваного матеріалу була виготовлена контрольна суміш інгредієнтів, що містила, мас. %: швидкотверднучий цемент марки М400 - 34,6, вольський пісок - 56,4 і воду - решта до 100%. При цьому водоцементне відношення суміші було прийнято приблизно рівним водокомпозиційному відношенню резистивного композиційного матеріалу, що пропонується ( водокомпозиційне відношення визначалося як відношення маси води до суми мас цементу, технічного вуглецю, колоїдного графіту і хімічного електропровідного волокна, рівного в даному випадку 0,26).

Вимірювання електричного опору резистивних елементів проводилося після їх висушування при t=(105±5°С) і охолоджування до кімнатної температури (+22)°С в ексикаторі при зусиллі пресу, що дорівнювало 500 Н по схемі, зображеній на рисунку 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - резистивний елемент;

2 - рухома плита гідропресу;

3 - нерухома плита гідропресу;

4 - прокладка з відпаленої міді;

5 - міст постійного струму;

6 - прокладка з гуми

Рисунок 1. Схема вимірювання електричного опору композиту

Питомий електричний опір резистивного матеріалу визначався розрахунковим шляхом з виразу

(1)

де R - опір резистивного елементу, Ом;

s= 4·16 = 64 см² - площа поперечного перетину резистивного елементу, см²;

l - висота резистивного елементу, см, (l = 4 см у напрямі руху електричного струму).

Результати вимірювань електричного опору наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Результати вимірювань електричного опору

Результати випробувань на механічну міцність подані в таблиці 3.

Таблиця 3. Результати випробувань на механічну міцність

Елементи третьої серії піддавалися тривалій дії змінного електричного струму частотою 50 Гц. На резистивні елементи подавалась напруга, при якій на елементи поступала теплова потужність (P₀), що дорівнює 75 Вт. Зміна напруги живлячої мережі забезпечувалася регулюючим автотрансформатором ЛАТР.

При подачі електроенергії резистивні елементи нагрівалися до температури не вище за 150 °С.

Після 100 годин випробувань електричний опір позначений R₁, після 500 годин - R₂, після 1000 годин - R₃; споживна потужність позначена відповідно Р₁, Р₂, Р₃. Результати випробувань на дію змінного електричного струму наведені в таблиці 4.

Таблиця 4. Результати випробувань на дію змінного електричного струму

В результаті випробувань доведено, що поєднання волоконної провідної фази з ультрадисперсним технічним вуглецем і колоїдним графітом полегшує утворення орієнтовних ланцюжкових структур і веде до їх зростання, що підтверджується зниженням питомого електричного опору композиції.

Волоконна провідна фаза суттєво підвищує міцність на розтяг при згині та стійкість до утворення тріщин. Найбільший ефект впливу волоконної арматури на міцність при згині спостерігається при введенні її в композицію в кількості 2-4% від маси цементу. Це запобігає розвитку деструктивних процесів, які виникають при нагріванні і охолодженні композиції. Довжина волокон 4…6 мм сприяє більш рівномірному їх розподілу в композиції.

Колоїдний графіт менш схильний до окислення, чим зменшує зміну електричного опору композиції при її нагріванні. Гранвідсів - дешевий і досить термостійкий матеріал з високою теплопровідністю. Введення його в композицію інтенсифікує відведення тепла від локальних осередків нагріву і сприяє усереднюванню температури по всьому об'єму матеріалу, перешкоджає проходженню деструктивних процесів та знижує внутрішні напруження в композиції. Дисперсність гранвідсіву у межах 0,1…0,5 мм, а кварцового піску у межах 0,2…2,5 мм сприяє більш рівномірному їх розподілу в об'ємі композиції.

Результати проведених випробувань підтверджують, що композитний матеріал володіє досить стабільними значеннями електропровідності в умовах підвищених температур, високим модулем повздовжньої пружності, високою міцністю на розтяг при згині. Він може бути використаний у різних галузях електроенергетики та будівництва: при виготовленні об'ємних резисторів, низькотемпературних нагрівальних елементів побутового та промислового призначення з температурою нагріву (50…150) ⁰С, заземлюючих та екрануючих пристроїв, антистатичної підлоги, тротуарів, дорожніх покриттів та стоянок для автомобілів, що підігріваються [7-8]. Тому подальші дослідження, пов'язані з визначенням модуля повздовжньої пружності та теплових характеристик композитного матеріалу, будуть продовжені.

Література

композитний електричний опір

1. Volodko O.V. Composite materials for building warmed road coyerages and air strips of air fields / Piskunov V.G, Volodko O.V., Porkhunov A.I. // Fourteenth international conference «Mechanics of composite materials»: Book of abstracts, May 29-june 2, 2006. - Riga, Latvia. - Р. 170.

2. Piskunov V.G. Composite materials for building heated coverings of roads fnd runways of airdromes / Piskunov V.G., Volodko O.V., Porkhunov A.I. // Mechanics of composite materials. - New York, NY 10013, USA - Vol. 44. - No. 3. - Р. 215-220.

3. Володько О.В. Конструювання та розрахунок дорожнього та аеродромного нагрівних покриттів: дис. канд. техн. наук: 05.22.11 / Володько Ольга Василівна. - K., 2012. - 200 с.

4. Володько О.В. Резистивный композитный материал для нагреваемых строительных конструкций / О.В. Володько // Матер. 28-мой Межд. наук.-прак. конф. «Композиционные материалы в промышленности», 26-30.05.08. - Ялта. - С. 447-449.

5. Патент на корисну модель № 39376, Н01С7/00. Резистивний композиційний матеріал / Піскунов В.Г., Володько О.В., Порхунов О.І.; заявник та власник Національний транспортний університет. - № u200804332; заявл. 07.04.08; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4.

6. Пат. на корисну модель № 82232, Н01С7/00. Резистивний композиційний матеріал / Піскунов В.Г., Володько О.В., Порхунов О.І.; Цибульський В.М.; заявник та власник Національний транспортний університет. - № u2013 01785; заявл. 13.02.13; опубл. 25.07.13, Бюл. № 14.

7. Володько О.В. Нагрівні покриття для безпечного зимового утримання автомобільних доріг / О.В. Володько //Вісник Національного транспортного університету. - 2010. - № 21. - С. 261-265.

8. Володько О.В. Інноваційні технології будівництва об'єктів готельно-ресторанних комплексів /О.В. Володько //тези Міжн. наук.-прак. конф. «Актуальні проблеми та перспективи розвитку харчових виробництв, готельно-ресторанного та туристичного бізнесу», 20-21.11.14. - П.: ПУЕТ, 2015.- С. 156-157.

Размещено на Allbest.ru