Способ изготовления композиционного материала

 

Использование: получение композиционного материала. Сущность изобретения: способ включает формирование частиц электропроводного металлического наполнителя в виде сферических капель одинакового диаметра из расплава металла - свинца, олова или сплавов на их основе, охлаждают капли в инертной среде до твердого состояния, смешивают частицы диаметром 10 - 300 мкм в количестве 30 - 74 об.% с эпоксидной смолой, полимеризуют. Характеристики материала: при 30%-ном содержании наполнителя удельное сопротивление 0.9·10³ Ом м, теплопроводность 1.07 Вт·м^-1·К^-1, при 63% содержании наполнителя удельное сопротивление 3.1·10^-6, теплопроводность 3.1 Вт·м^-1·K^-1. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к технологии композиционных материалов, создаваемых путем комбинирования полимерного материала и материала наполнителя.

Известен способ изготовления композиционного материала, состоящий в том, что диспергируют металл в виде частиц произвольной формы и размера, заданное количество этих частиц смешивают с компонентами полимерной основы - эпоксидной смолой и отвердителем и полимерируют смесь, при этом характерный размер частиц составляет 0,1-0,3 мкм, а концентрация наполнителя не превышает 30 об.% от объема композиционного материала.

Недостаток способа состоит в том, что в качестве материала наполнителя могут быть использованы только металлы, на поверхности которых не образуется окисная пленка в воздушной среде. Такой способ требует использования дорогостоящих металлов. Высокая стоимость наполнителя приводит к тому, что широкое использование композиционного материала является экономически невыгодным, верхняя граница по концентрации невелика (30 об.%). Исключается использование таких недорогих металлов, как алюминий, магний, свинец, железо и т.п. Материал имеет неоднородную структуру и, как следствие, его свойства плохо воспроизводятся при серийном производстве. Неоднородность структуры возникает из-за того, что частицы наполнителя, входящие в композиционный материал, имеют произвольную форму и размеры. Распределение частиц по объему материала носит случайный характер. На практике это приводит к тому, что потребительские свойства деталей из материала меняются от образца к образцу в широком диапазоне и не представляется возможным уменьшить этот разброс. Композиционный материал практически невозможно применить для изготовления конструкционных деталей.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления композиционного материала, применяемого в качестве тонкого слоя при склеивании деталей. Способ состоит в том, что вначале диспергируют наполнитель - медь в виде частиц произвольных формы и размера, отбирают заданное количество этих частиц, удаляют окисную пленку с их поверхности, обрабатывают их с компонентами полимера - эпоксидной смолой и отвердителем и полимеризуют смесь, при этом характерный размер частиц составляет 0,1-0,3 мкм, а концентрация наполнителя не превышает 30 об.%.

Недостатком прототипа является сложность и трудоемкость операций, направленных на удаление окисной пленки с частиц и покрытие частиц специальным составом. Удельное сопротивление композиционного материала ρ_Vm является высоким и его нельзя сделать меньшим, чем ρ_Vm при х=30 об.% путем изменения концентрации наполнителя. Теплопроводность материала ограничена значением λ_m при х=30 об.% и имеет меньшую величину, чем λ_m при более высоких концентрациях. Прочностные свойства ( σ_m и др.) при х ≅ 30 об.% существенно отличаются от таковых для чистого металла или для материала при х=50-74 об.%. Аналогично теплопроводность материала при х ≅ 30 об.% имеет меньшее значение, чем λ_m материала, который содержит большее количество наполнителя. В итоге известный способ не позволяет получить композиционный материал, который имеет меньшее сопротивление, большие σ_m и λ_m , чем соответствующие параметры при х=30 об.%. Материалы имеют неодородную структуру и, как следствие, их свойства плохо воспроизводятся при серийном производстве.

Цель изобретения - уменьшение электрического сопротивления, увеличение механической прочности, теплопроводности и однородности композиционного материала.

Поставленная цель достигается тем, в способе изготовления композиционного материала, включающего диспергирование электропроводного металлического наполнителя, смешения его с эпоксидной смолой смеси, при диспергировании формируют частицы наполнителя в виде сферических капель одинакового диаметра из расплава металла, охлаждают капли в инертной среде до твердого состояния и смешение частиц с эпоксидной смолой проводят в инертной среде, причем в качестве металлического наполнителя используют частицы свинца, олова и сплава на их основе диаметром 10-300 мкм в количестве 30-74 об.%.

П р и м е р. С помощью усовершенствованной известной установки диспергируют расплав металла и получают сферические частицы, имеющие постоянный диаметр и заданный размер (10-300 мкм).

Выбор верхней и нижней границ дисперсности обусловлен следующими факторами. Вынужденный распад струи, который позволяет сформировать частицы наполнителя в виде сферических капель одинакового диаметра (монодисперсные капли) и достаточно полно реализуется в известном способе получения наполнителя, зависит от комплекса параметров. В последний входят поверхностное натяжение, вязкость и плотность жидкости и диаметр струи d_ст. Работа с фильтрами различного диаметра показала, что в широком диапазоне d_ст среднее квадратичное отклонение σ диаметра частицы d_ст находится в диапазоне 2-5% . При d_ст равном 5 мкм отклонение σ достигает 10%. При уменьшении d_ст за пределы этой границы происходит устойчивое увеличение σ , т.е. монодисперсность частиц нарушается.

При увеличении d_ст за пределы 300 мкм начинает существенно возрастать период стабилизации и затвердевания капель. В результате возрастает количество частиц, диаметр которых существенно (>5%) превышает средний диаметр.

В табл. 1 приведены значения дисперсности частиц наполнителя в зависимости от диаметра струи.

Необходимое количество частиц отбиралось и перемешивалось с компонентами и эпоксидной смолой в инертной среде и полимеризовалось. В качестве металла-наполнителя использовался свинец. Диаметр частиц составлял 120±2 мкм. Концентрация наполнителя 55 об.%. В качестве полимера использовалась смола ЭД-22. Полимеризацию проводят в течение 2 ч. Полученный образец имеет следующие характеристики: ρ_Vm=36˙10^-4 Oм˙м; σ_m=50 МПа; λ =2,8 Вт˙м^-1˙K^-1 при Т= 298 К. Для смолы ЭД-22 λ_п=0,2 Вт˙м^-1˙К^-1 и ρ_Vп=10¹⁴ Ом˙м; для свинца ρ_Vн = 19˙10^-8 Ом˙м; для ЭД-22 σ_п=100 МПа, для свинца σ_м=28 МПа. Образец имел форму конструкционной детали - цилиндра диаметром 20 мм и высотой 30 мм.

Был изготовлен второй образец композиционного материала аналогично первому образцу, только операция охлаждения и перемешивания частиц осуществлялись в воздухе, а не в инертной среде.

По сравнению с первым образцом второй имел большее сопротивление ( ρ_Vm= 5˙10¹² Ом˙м) и такое же разрушающее напряжение σ_m=50 МПа.

Были также изготовлены образцы с другими наполнителями - металлами и сплавами, близкими по температуре плавления свинцу, из олова и сплавов свинца с кадмием. Значения ρ_V и λ для композиционных материалов, изготовленных из этих наполнителей и смолы ЭД-22, совпадают со свойствами композиционных материалов, изготовленными из свинца и ЭД-22, в пределах указанных выше допусков (±5-10%).

В таблице 2 приведены характеристики композиционного полимерного материала, полученного согласно способу по изобретению в зависимости от концентрации наполнителя.

На чертеже показана типичная зависимость ρ_Vm от концентрации наполнителя. В зоне 1 (0<х<25 об.%) ρ_Vm линейно убывает с ростом х. В зоне 2 (25 об. %<х<40 об.%) ρ_Vm убывает существенно быстрее (по соотношению ρ_Vm (x-x_к) α , α > 1, x_к≈ 25 об.%). В зоне 3(х>40 об.%) ρ_Vm убывает до значения ρ_Vн при х= 100 об. % . При х=30 об.% значение ρ_Vm заметно отличается от ρ_Vn и является минимально допустимым для создания электрического контакта между склеиваемыми деталями. Изобретение существенно расширяет диапазон концентраций наполнителя до 74 об.%. Верхняя граница 74 об.% соответствует плотной упаковке одинаковых сфер. При х=74 об;% ρ_Vm близко к ρ_Vн , т.е. при таком выборе концентрации удается снизить сопротивление до сопротивления металла-наполнителя. При х= 74 об. % упаковка частиц становится плотной, при этом σ_м максимально приближается к σ_н , т.е. при условии выбора прочного материала наполнителя ( σ_н > σ_п ) и высокой концентрации (х>>30 об.%) можно существенно увеличить прочностные характеристики композиционного материала по сравнению с таковыми при х<30 об.%.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, включающий диспергирование электропроводного металлического наполнителя, смешение его с эпоксидной смолой с последующей полимеризацией смеси, отличающийся тем, что, с целью уменьшения электрического сопротивления, увеличения механической прочности, теплопроводности и однородности композиционного материала, при диспергировании формируют частицы наполнителя в виде сферических капель одинакового диаметра из расплава металла, охлаждают капли в инертной среде до твердого состояния, а смешение частиц с эпоксидной смолой проводят в инертной среде, причем в качестве металлического наполнителя используют частицы свинца, олова и сплава на их основе диаметром 10 - 300 мкм в количестве 30 - 74 об.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3