Резистивный композиционный материал - RU2231845C2
Код документа: RU2231845C2
Описание
Изобретение относится к электроэнергетике и, в частности, к области создания композиционных электропроводных материалов для изготовления из них нагревательных элементов бытового, промышленного и сельскохозяйственного назначения, а также изготовления элементов заземляющих устройств и антистатических полов.
Известен электропроводный композиционный материал по авторскому свидетельству №495900, М.кл. С 04 В 15/00, содержащий, вес.%:
Цемент 15 - 85
Тонкоизмельченное углеродистое вещество 4,5 - 6,5
Сажа 0,1 - 10
Вода 10 - 20
Известен резистивный материал, приведенный в авторском свидетельстве №774440, М.кл. Н 01 С 7/00, в состав которого входят, вес.%:
Портландцемент 35 - 52
Сажа 4 - 12
Кварцевый песок 32 - 54
Вода Остальное
Оба известных материала предназначены, в основном, для изготовления резисторов электроэнергетического назначения и заземлителей, работающих эпизодически и кратковременно. Они не пригодны для изготовления нагревательных элементов, работающих длительное время в циклическом режиме при температуре выше 100°С. При нагревании происходит потеря воды молекулами кристаллогидратов и гидрата двухкальцевого силиката, образовавшихся при твердении цемента. При 120-160°С происходит дегидратация сульфатсодержащих и гидроалюминатных фаз, причем при длительном воздействии этот процесс идет до полного распада данных соединений, что приводит к снижению механической прочности, нестабильности электрических характеристик и снижению электрической мощности. На характеристики нагревательных элементов из композиционных материалов большое влияние оказывают локальные точки нагрева внутри композиции в точках контактирования токопроводящих частиц, где температура нагрева достигает 400°С. Эти локальные точки нагрева создают напряжения в материале за счет различного линейного расширения, что приводит к деструктивным процессам.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому материалу является композиционный электропроводящий материал, приведенный в патенте WO 00/40519, С 04 В 28/02; 14/06, Н 05 В 3/14, в состав которого входят, вес.%:
Быстротвердеющий цемент 34 - 50
Крупнодисперсная фракция шамота 1 - 45
Кварцевый песок 1 - 52
Коллоидный графит 2 - 17
Вода Остальное
Данный материал позволяет изготовлять нагреватели с более высокими характеристиками по сравнению с указанными выше за счет наличия в нем шамота, быстротвердеющего цемента и коллоидного графита. Шамот при повышенных температурах частично связывает свободную СаО и так препятствует проявлению деструктивных процессов, а коллоидный графит менее подвержен окислению (по сравнению с сажей) и тем самым уменьшается изменение электрического сопротивления композиции при ее нагреве.
Однако и этот материал полностью не свободен от перечисленных недостатков. При нагревании выше 120°С образуются микротрещины в зонах локального нагрева, что приводит к снижению механической прочности, увеличению электрического сопротивления, снижению электрической мощности и снижению долговечности работы нагревательного устройства из данного материала.
Задачей изобретения является создание материала, обладающего стабильными электрическими характеристиками в условиях повышенных температур.
При решении поставленной задачи имеет место положительный эффект. Предлагаемый материал пригоден для изготовления элементов различного размера и разной электрической мощности для обогрева бытовых, производственных и сельскохозяйственных помещений. Особенно они могут найти широкое применение для обогрева отдельно стоящих помещений, куда подведение других теплоносителей экономически нецелесообразно. Перспективно применение нагревателей из предлагаемого материала для создания теплых полов в жилых зданиях, торговых точках, а также в качестве нагревателей для дополнительного подогрева грунта в теплицах и пола в животноводческих помещениях и т.д.
Большая теплоотдающая поверхность нагревателей из заявляемого материала не приводит к ее перегреву, что исключает возможность получения ожогов и возгорания легковоспламеняющихся материалов и исключает возникновение пожаров от нагревателей.
Технический результат достигается за счет включения в материал компонентов, обеспечивающих стабильные электрические его характеристики. Мелкодисперсный шамот фракции 0, 05-0,09 мм при высоких температурах связывает образующиеся в цементном камне свободные СаО эффективнее, чем крупнодисперсный, предупреждая возникновение деструктивных процессов, и обеспечивает стабильность электрических характеристик материала.
Электрокорунд, являясь термостойким материалом, повышает термостойкость композиции по сравнению с известными. Кроме того, он обладает высокой теплопроводностью (в 17 раз больше, чем кварцевый песок и в 100 раз больше, чем шамот) и поэтому способствует быстрому отводу тепла от локальных очагов нагрева, усредняя температуру во всем объеме материала, снижая внутренние температурные напряжения в нем, и препятствует прохождению деструктивных процессов.
Минеральное волокно (например, стекловолокно, базальтовое волокно и др.) повышает прочность композитного материала на растяжение и изгиб и тем самым предотвращает развитие деструктивных процессов, которые возникают при нагреве и остывании из-за различного температурного коэффициента расширения ингредиентов композиции.
Поставленная задача решается за счет того, что материал дополнительно включает мелкодисперсную фракцию шамота, электрокорунд и минеральное волокно. Размер частиц мелкодисперсной фракции шамота 0,05-0,09 мм. Размер частиц электрокорунда 0,1-0,5 мм. Минеральное волокно длиной 3,0-10,0 мм. Весовой процент мелкодисперсный фракции шамота в композиции 0,1-15. Весовой процент электрокорунда в композиции 0,1-20. Весовой процент минерального волокна в композиции 1-5. Материал состоит из компонентов в соотношении весовых процентов:
Быстротвердеющий цемент от 34 до 56
Коллоидный графит от 3 до 15
Кварцевый песок, фракция 0,2-2,5 мм от 1 до 34
Крупнодисперсный шамот, фракция 0,15-2,5 мм от 1 до 35
Мелкодисперсный шамот, фракция 0,05-0,09 мм от 0,1 до 15
Электрокорунд, фракция 0,1-0,5 мм от 0,1 до 20
Минеральное волокно, длина 3-10 мм от 1 до 5
Вода Остальное
Предложенный материал состоит из компонентов, способствующих стабилизации электрических характеристик, при следующем оптимальном соотношении весовых процентов:
Быстротвердеющий цемент от 34 до 56
Коллоидный графит от 3 до 15
Кварцевый песок, фракция 0,2-2,5 мм от 1 до 34
Крупнодисперсный шамот, фракция 0,15-2,5 мм от 1 до 35
Мелкодисперсный шамот, фракция 0,05-0,09 мм от 0,1 до 15
Электрокорунд, фракция 0,1-0,5 мм от 0,1 до 20
Минеральное волокно, длина 3-10 мм от 1 до 5
Вода Остальное
Материал прошел технические испытания. Образцы были выполнены из композиций прототипа и предлагаемого состава. Результаты испытаний подтвердили достижение улучшения электрических характеристик и возможность эксплуатации его при высоких температурах.
Реферат
Изобретение относится к электроэнергетике и, в частности, к области создания композиционных материалов для изготовления из них нагревательных элементов бытового, промышленного и сельскохозяйственного назначения, а также изготовления элементов заземляющих устройств и антистатических полов. Материал содержит быстротвердеющий цемент, крупнодисперсную фракцию шамота, кварцевый песок и коллоидный графит, дополнительно содержит мелкодисперсную фракцию шамота с размером частиц от 0,05 до 0,09 мм - в весовом проценте 0,1-15; электрокорунд, фракция 0,1-0,5 мм - в весовом проценте от 0,1 до 20; минеральное волокно длиной от 3 до 10 мм - в весовом проценте от 0 до 5. Техническим результатом является улучшение электрических характеристик в условиях повышенных температур. 7 з.п. ф-лы.
