Электропроводящий композиционный материал, шихта для его получения и электропроводящая композиция



Электропроводящий композиционный материал, шихта для его получения и электропроводящая композиция
Электропроводящий композиционный материал, шихта для его получения и электропроводящая композиция
H01C7 - Нерегулируемые резисторы, имеющие один или несколько слоев или покрытий; нерегулируемые резисторы из порошкообразного токопроводящего или порошкообразного полупроводникового материала с диэлектриком или без него (состоящие из свободного, т.е.незакрепленного, порошкообразного или зернистого материала H01C 8/00; резисторы с потенциальным или поверхностным барьером, например резисторы с полевым эффектом H01L 29/00; полупроводниковые приборы, чувствительные к электромагнитному или корпускулярному излучению, например фоторезисторы H01L 31/00; приборы, в которых используется сверхпроводимость H01L 39/00; приборы, в которых используется гальваномагнитный или подобные магнитные эффекты, например резисторы, управляемые магнитным полем H01L 43/00; приборы на твердом теле для выпрямления, усиления, генерирования или переключения без потенциального или

Владельцы патента RU 2390863:

Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук (ТНЦ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для изготовления электропроводящих покрытий, пленочных нагревательных элементов. Электропроводящий композиционный материал содержит в мас.%: нитрид титана TiN - 65-70 и железо Fe - 30-35. Для получения заявляемого электропроводящего композиционного материала используют шихту, содержащую в мас.%: ферротитан 60-70 и предварительно азотированный ферротитан 30-40. Электропроводящая композиция содержит заявляемый электропроводящий композиционный материал 30-70 мас.% и связующее, в качестве которого используют кремнийорганическое соединение в количестве 30-70 мас.%. Техническим результатом изобретения является расширение рабочего интервала температур электропроводящего композиционного материала при его высокой температурной стабильности. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении электропроводящих покрытий, пленочных нагревательных элементов.

Известно, что создание новых электропроводящих композиционных материалов возможно как на пути разработки новых видов связующих, так и на пути поиска перспективных наполнителей.

Известны разнообразные полимерные электропроводящие композиции на основе полимерных связующих и содержащие проводящие наполнители: порошки металлов, графит, сажу, оксиды, силициды и карбиды металлов и бора, а в качестве связующего - различные органические соединения и силикатные стекла (Гуль В.Е. Электропроводящие полимерные материалы. М.: Химия, 1968, с.11-16; RU 2054720, 1996; RU 2082239, 1997; RU 2280657, 2006).

Недостатками известных технических решений являются невозможность совмещения в одном материале высоких электрофизических и механических характеристик, нестабильность электрофизических свойств, невысокая химическая стойкость материалов, дороговизна получаемых композиций либо многостадийность, длительность и трудоемкость процесса их изготовления.

В качестве перспективных наполнителей для создания электропроводящих полимерных композитов, способных заменить порошки драгоценных металлов, предлагаются нестехиометрические соединения титана - карбиды TiCx, нитриды TiNx и карбинитриды TiCxNy (где 0.5<х или х+у≤1.0), полученные по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Эти наполнители обладают преимуществами по сравнению с широко используемыми в настоящее время для создания электропроводящих композитов порошками Au, Ag, посеребренными Ni и Fe и др. Кроме их меньшей стоимости и возможности простого получения по технологии СВС нестехиометрические соединения титана характеризуются тугоплавкостью, высокой механической прочностью и достаточной электропроводностью, а также стойкостью к воздействию различных внешних факторов, что приводит к повышению стабильности электрофизических характеристик композитов (А.В.Ишков, A.M.Сагалаков. Исследование и моделирование особенностей структуры композитов с нестехиометрическими проводящими соединениями титана. Письма в ЖТФ, 2006, том 32, вып.11, с.22).

Электропроводящая композиция, содержащая в качестве проводящего наполнителя нестехиометрический нитрид титана TiNx и порошкообразное термореактивное полиаминимидное связующее ПАИС-104, позволяет достичь температуру эксплуатации 300-350°С (RU 2189998, 2002). Недостатком такой композиции является невысокая электропроводность у образцов, особенно с низким содержанием наполнителя (удельное объемное электросопротивление 60% наполненного материала, содержащего TiNx, составляет 2.8 Ом/см) и ограниченный диапазон применения композиции из-за сложности получения используемого наполнителя нестехиометрического нитрида титана заданного состава в автотермическом проточном реакторе.

В электропроводящем полимерном материале с использованием карбонитрида титана TiCxNy и полиаминимидного связующего ПАИС-104 (RU 2237071, 2004) электропроводность образцов увеличивается на 1-3 порядка по сравнению с TiNx в зависимости от содержания наполнителя как для низко-, так и для высоконаполненного материала.

Материалы, содержащие в качестве проводящего наполнителя нестехиометрические соединения титана (карбонитрид и нитрид титана) и недостаточно термостойкое полиаминимидное связующее ПАИС-104 (до 200°С), не обеспечивают долговременную работу нагревателя при заявленных 300-350°С. Кроме того, вследствие слишком высокой электропроводности они применимы только в виде пластин, стержней, трубок и др. При использовании таких материалов в пленочной технологии нагреватель будет иметь слишком низкое сопротивление, что влечет за собой утрату функции нагревателя.

Наиболее близким по техническому результату является электропроводящий композиционный материал, шихта для его получения и электропроводящая композиция (RU 23418396, 2008).

Электропроводящий материал получен в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из промышленного ферросплава -ферросилиция, титана и углерода. СВС-продукт представляет собой композиционный материал, состоящий из карбосилицида титана, карбида титана и фазы на основе железа, в котором основу составляет карбосилицид титана, a TiC и фаза на основе железа равномерно распределены в объеме материала.

Электропроводящая композиция содержит электропроводящий композиционный материал - карбисилицид титана, карбид титана и фазу на основе железа и связующее - кремнийорганическое полимерное соединение, характеризующееся высокой теплостойкостью (до 400°С).

Такая композиция характеризуется высокой стабильностью, имеет электропроводность, меняющуюся в широких пределах однако рабочий интервал температур не превышает 350°С, композиция имеет отрицательный коэффициент сопротивления (ТКС) что предполагает возможность нестабильной работы нагревателя.

Задачей настоящего изобретения является расширение рабочего интервала температур электропроводящего композиционного материала и композиции в целом со стабильными характеристиками и снижение их стоимости.

Задача решается электропроводящим композиционным материалом следующего состава, мас.%: TiN - 65-70, Fe - 30-35.

Материал получен в режиме СВС при давлении газообразного азота 0,2-10.0 МПа. Состав электропроводящего композиционного материала задается составом шихты, состоящей из порошков промышленного ферротитана (марки ФТи 65) и предварительно азотированного ферротитана, взятых в следующих количествах, мас.%: FeTi - 60-70, FeTiN - 30-40.

Предельные составы шихты и режимы СВС электропроводящего материала установлены экспериментально и обусловлены максимальным содержанием в синтезированном продукте нитрида титана.

При количестве ферротитана в шихте менее 60 мас.% горение организовать не удается, а при более 70 мас.% - образуется продукт с низким содержанием азота.

Важно использование реагентов с размером частиц менее 315 мкм. При использовании крупных фракций ферротитана продукт горения имеет низкую степень азотирования. При использовании только мелкой фракции исходного ферротитана (менее 40 мкм) в процессе горения получают материал неоднородного фазового состава.

При давлении менее 0.2 МПа реализация процесса возможна, однако продукт получается с низким содержанием азота, при этом обладает неудовлетворительными электропроводящими свойствами. При давлении свыше 10.0 МПа снижается уровень безопасной работы и повышаются требования к технологическому оборудованию.

Не менее важно для получения материала однородного фазового состава доазотирование продукта горения после синтеза путем его выдержки в реакторе в течение 0.1-1.0 часа при первоначальном давлении азота (0.2-10.0 МПа).

Полученный электропроводящий материал представляет собой матрицу из нитрида титана, в которой равномерно распределены частицы железа, поэтому отпадает необходимость в тщательном механическом перемешивании отдельных компонентов с целью их равномерного распределение между собой, а также в полимерном связующем.

Электропроводящую композицию готовят в соответствии с прототипом следующим образом.

Композиционный материал на основе нитрида титана смешивают с 40%-ным раствором кремнийорганического полимерного связующего в количестве 30-70 мас.% каждого из компонентов. Полученную суспензию с помощью кисти, валика или краскопульта наносят на подложки с нанесенными металлическими электродами, высушивают на воздухе при комнатной температуре и обжигают при температуре 250-350°С. Измерения электрического сопротивления покрытий проводят с помощью омметра Ф-400. Для приготовления суспензии и получения электропроводящего покрытия используют широко распространенное оборудование, применяемое для лакокрасочных работ. Используемые в изобретении кремнийорганические полимерные связующие характеризуются высокой теплостойкостью (до 400°С).

При увеличении количества полимерного связующего более 70 мас.% покрытие имеет недостаточно высокую электропроводность для его использования в качестве резистивного слоя нагревательных элементов.

Уменьшение содержания полимерного связующего (менее 30 мас.%) не приводит к уменьшению сопротивления, но при этом ухудшается адгезия, однородность и механическая прочность покрытия.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Порошки ферротитана марки ФТи 65 и предварительно азотированного ферротитана той же марки дисперсностью менее 315 мкм, взятые в количестве 70 и 30 мас.% соответственно, тщательно перемешивают, смесь засыпают в цилиндрический тигель и помещают в атмосферу азота при давлении 1.0 МПа. Локальным нагревом шихты инициируют экзотермическую реакцию образования нитрида титана, далее продукт горения выдерживают в реакторе в течение 0.1 часа при первоначальном давлении азота. По результатам рентгенофазового, химического и микрорентгеноспектрального анализов продукт представляет собой нитрид титана TiN0.7 (65 мас.%), в котором равномерно распределено железо (35 мас.%). Продукт горения представляет собой практически неспеченный материал, который легко превращается в порошок дисперсностью менее 40 мкм.

Полученный композиционный материал на основе нитрида титана смешивают с 40%-ным раствором кремнийорганического полимерного связующего в количестве 70 и 30 мас.% соответственно. Полученную суспензию с помощью кисти, валика или краскопульта наносят на подложки с нанесенными металлическими электродами, высушивают на воздухе и обжигают при температуре 250°С и далее проводят измерения электрического сопротивления.

Электрическое сопротивление композиции составляет температура эксплуатации до 300°С, термический коэффициент сопротивления (ТКС) положительный и составляет ά=(4-80)·10-2 К-1. Кроме того, проявляется эффект автоматического ограничения температуры.

Пример 2. Готовят шихту из ферротитана марки ФТи 65 и FeTiN в количествах 60 и 40 мас.% соответственно, проводят синтез и готовят электропроводящую композицию аналогично примеру 1. Получают продукт, состоящий из нитрида титана TiN0,95 (70 мас.%) и железа (30 мас.%).

Электрическое сопротивление полученной композиции температура эксплуатации 450°С. Термический коэффициент сопротивления (ТКС) ά=(5-60)·10-4 К-1 обеспечивает стабильную работу нагревателя.

На фигуре 1 показано влияние температуры обработки на сопротивление электропроводящей композиции на основе карбисилицида титана (прототип) и электропроводящей композиции на основе нитрида титана (заявляемое изобретение).

На фигуре 2 изображена температурная зависимость электрического сопротивления образцов по прототипу и заявляемому изобретению.

Применение композиционного материала на основе нитрида титана и кремнийорганического полимерного связующего позволяет получить материал с более низким электрическим сопротивлением, расширенным температурным диапазоном эксплуатации и снизить его стоимость, исключив применение дорогостоящего титана.

1. Электропроводящий композиционный материал, полученный в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и включающий титансодержащий компонент и железо, отличающийся тем, что материал получен при давлении газообразного азота 0,2-10,0 МПа из ферротитана и предварительно азотированного ферротитана с выдержкой продукта горения после синтеза 0,1-1,0 ч при первоначальном давлении и содержит в качестве титансодержащего компонента нитрид титана при следующих количествах компонентов, мас.%:

TiN 65-70
Fe 30-35

2. Шихта для получения электропроводящего композиционного материала, включающая титан- и железосодержащие компоненты, отличающаяся тем, что в качестве титан- и железосодержащих компонентов она содержит ферротитан и предварительно азотированный ферротитан с размером частиц от 40-315 мкм в следующих количествах, мас.%:

FeTi 60-70
FeTiN 30-40

3. Электропроводящая композиция, содержащая электропроводящий композиционный материал и связующее - кремнийорганическое соединение, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего композиционного материала она содержит материал по п.1 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

электропроводящий композиционный
материал 30-70
кремнийорганическое соединение 30-70


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении обжатого узла. .

Изобретение относится к микроэлектронике, а более конкретно к технологии изготовления высокоомных поликремниевых резисторов, и может быть использовано в производстве поликремниевых резисторов как в качестве дискретных элементов, так и в составе интегральных схем.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к конструкции высокоомных поликремниевых резисторов, и может быть использовано как в качестве дискретных приборов, так и в качестве элемента при создании больших и сверхбольших интегральных схем различного назначения.

Изобретение относится к области электротехники и касается ограничителя перенапряжений, который содержит, по меньшей мере, один варисторный блок (1), один концевой соединительный элемент (3), один усиливающий элемент (9), который прочно закрепляет варисторный блок (1) на концевом соединительном элементе (3) благодаря силе натяжения, и, по меньшей мере, один фиксирующий элемент (27), который прочно закрепляет усиливающий элемент (9) на концевом соединительном элементе (3) благодаря силе натяжения, причем фиксирующий элемент (27) содержит, по меньшей мере, один край (29), который врезается в усиливающий элемент (9).

Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений. .
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. .
Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалу и изготовлению из него тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. .
Изобретение относится к области электротехники, в частности к композиционному резистивному материалу, который может быть использован при изготовлении нагревательных элементов для местного обогрева в технических и бытовых условиях.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к сверхпроводящим многожильным проводам для переменных и постоянных токов, и может быть использовано в криогенной электротехнике.

Изобретение относится к способам получения высоковольтных полимерных изоляторов методом литья под давлением и может быть использовано в электротехнической промышленности.
Изобретение относится к технологии изготовления толстопленочных структур методом трафаретной печати и может быть использовано в электронной технике при производстве индикаторных приборов, в частности катодолюминесцентных дисплеев.

Изобретение относится к области электромонтажных работ, а именно к устройствам, предназначенным для индикации отсутствия напряжения на ремонтируемом электрическом кабеле.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к саморегулирующемуся токопроводящему герметизирующему материалу, выполненному на основе полисульфидных олигомеров (тиоколов), и может найти применение при создании гибких электронагревательных элементов, а также герметиков.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полимерному электролиту и электрохимическому устройству, использующему полимерный электролит. .

Изобретение относится к сверхпроводящей многофазной кабельной системе с охлаждением текучей средой, содержащей: а) кабель с, по меньшей мере, тремя электрическими проводами, составляющими, по меньшей мере, две электрических фазы и нулевой или нейтральный провод, причем упомянутые электрические провода взаимно электрически изолированы друг от друга, и b) тепловую изоляцию, задающую центральную продольную ось и имеющую внутреннюю поверхность и окружающую кабель, причем упомянутая внутренняя поверхность упомянутой тепловой изоляции образует радиальный предел камеры охлаждения, предназначенной для удерживания охлаждающей текучей среды для охлаждения упомянутых электрических проводов.

Изобретение относится к области химической технологии получения покрытий так называемых сверхпроводящих проводников второго поколения. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для армирования в процессе производства подвесных изоляторов. .

Изобретение относится к изолирующим устройствам, обеспечивающим электроизоляцию приборов от высокого электрического напряжения

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для изготовления электропроводящих покрытий, пленочных нагревательных элементов

Наверх