Резистивный композиционный материал

 

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.

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.

Формула изобретения

1. Резистивный композиционный материал, содержащий быстротвердеющий цемент, крупнодисперсную фракцию шамота, кварцевый песок и коллоидный графит, отличающийся тем, что дополнительно включает мелкодисперсную фракцию шамота, электрокорунд и минеральное волокно.

2. Резистивный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что мелкодисперсная фракция шамота имеет размер частиц от 0,05 до 0,09 мм.

3. Резистивный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что электрокорунд имеет размер частиц от 0,1 до 0,5 мм.

4. Резистивный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что минеральное волокно имеет волокна длиной от 3 до 10 мм.

5. Резистивный композиционный материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что количество мелкодисперсной фракции шамота в композиции составляет от 0,1 до 15 вес.%.

6. Резистивный композиционный материал по п.1 или 3, отличающийся тем, что количество электрокорунда в композиции составляет от 0,1 до 20 вес.%.

7. Резистивный композиционный материал по п.1 или 4, отличающийся тем, что количество минерального волокна в композиции составляет от 1 до 5 вес.%.

8. Резистивный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что материал состоит из следующих компонентов, вес.%:

Быстротвердеющий цемент 34-56

Коллоидный графит 3-15

Кварцевый песок, фракция от 0,2 до 2,5 мм 1-34

Крупнодисперсный шамот, фракция

от 0,15 до 2,5 мм 1-35

Мелкодисперсный шамот, фракция

от 0,05 до 0,09 мм 0,1-15

Электрокорунд, фракция от 0,1 до 0,5 мм 0,1-20

Минеральное волокно, длина от 3 до 10 мм 1-5

Вода Остальное