Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

Дослідження впливу режимів температурної обробки на фазовий склад новоутворень лужних в'яжучих та на процеси структуроутворення електропровідних матеріалів здійснені за допомогою комплексу фізико-хімічних методів: рентгенофазового, диференційно-термічного, мікроскопічного та інфрачервоної спектроскопії.

Оптимізацію складів та технологічних параметрів отримання електропровідних матеріалів проводили за допомогою методів експериментально-статистичного моделювання.

Для встановлення фізико-механічних, електро- та теплофізичних характеристик композицій були використані зразки-циліндри, діаметр і висота яких становить 22 мм, та зразки-пластини розмірами 10х125х3, 5 мм. Зразки виготовляли методом пресування (питомий тиск 50 МПа/см2) шихти вологістю 8-10%. Механічні властивості резистивних матеріалів визначали згідно ГОСТ 2055. Розрахунки електрофізичних і теплофізичних характеристик (питомого опору, коефіцієнтів нелінійності, температурного опору, теплопровідності, лінійного температурного розширення та середньої теплоємкості) резистивних композитів здійснено за традиційними методиками. Довговічність отриманих матеріалів оцінена за методикою, що передбачає встановлення середнього часу безвідмовної роботи електропровідних матеріалів з використанням розподілення Вейбулла.

У третьому розділі встановлено основні фізико-хімічні закономірності отримання резистивних композиційних матеріалів на основі лужних в'яжучих і електропровідних заповнювачів у системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”.

За допомогою двофакторного трирівневого плану експерименту досліджено вплив параметрів рідкого скла та температури обробки в системі “в-C2S-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” на особливості направленого синтезу діелектричної матриці, яка характеризується мінімальною зміною питомого опору (1, 2-2, 3%) і показано, що найбільш високими фізико-механічними властивостями (50-60 МПа) і питомим опором більшим 108 ОмЧм відзначаються композиції, що отримані при використанні лужного компоненту з силікатним модулем Мс=1, 9 і густиною 1250 кг/м3 (рис. 1). Згідно даних рентгенофазового аналілу склад продуктів гідратації і дегідратації діелектричної матриці представлений кристалохімічно подібними мінералами a- і b-CS, які характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих силікатів кальцію.

Особливості продуктів дегідратації даної в'яжучої системи, яка представлена метасилікатами кальцію з високим питомим опором, дозволяють відмовитися від додаткового введення діелектричного заповнювача. Враховуючи діелектричні властивості матриці, як струмопровідний компонент доцільно використовувать компоненти з електронним типом провідності, наприклад, карбід кремнію та графіт.

Так, за допомогою двофакторного трирівневого плану експерименту оптимізовані склади резистивних матеріалів в модельній системі “в-C2S-SiC-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, які дозволяють після випалювання при Т=1273К одержати штучний камінь із заданими характеристиками (міцність при стиску більша 20 МПа, а величина питомого опору не більша 106 ОмЧм)  (рис. 2, а). Встановлено, що при введенні карбіду кремнію в кількості 68-85%, можливе отримання високоомних матеріалів, величина питомого опору яких становить 5, 3-8, 8Ч105 ОмЧм.

Для розширення сфери застосування отриманих високоомних матеріалів і зниження їх питомого опору до величин 10-1-103 ОмЧм доцільно у вищезгадану систему крім карбіду кремнію ввести графіт, який змінює розподіл зарядів на поверхні зерен карбіду кремнію та знижує величину “запірного шару”.

За допомогою симплекс-решітчастого методу планування експерименту оптимізовано склади низькоомних композицій в модельній системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O” і показано, що оптимальні значення електромеханічних характеристик (міцність при стиску не менша 15 МПа, величина питомого опору не більша 0, 3 ОмЧм) досягаються після термообробки композицій, що вміщують b-C2S – (15-28) мас. %, SiC – (54-67) мас. % і С – (14-23) мас. % (рис. 2, б).

За допомогою фізико-хімічних методів досліджень визначено, що SiC виконує роль не тільки струмопровідного компоненту, але і структуроутворюючого, що сприяє збільшенню кількості діелектричної складової за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів випалювання матриці, та призводить до стабілізації значень її питомого опору. Введення до складу композицій графіту обумовлює формування в продуктах дегідратації низькоосновних силікатів кальцію та тилеїту, які сприяють стабілізації значень питомих опорів отриманих низькоомних матеріалів.

Четвертий розділ присвячений розробці та оптимізації складів резистивних композиційних матеріалів в системі “в-C2S-SiC-C-Na2OЧnSiO2ЧmH2O”, отриманих на основі техногенної сировини, та дослідженню їх основних властивостей.

На основі лужного в'яжучого оптимального складу відповідно до плану двофакторного трирівневого експерименту було розроблено склади високоомних електропровідних матеріалів (рис. 3, а), в яких як силікатний компонент використано нефеліновий шлам, помелений до питомої поверхні 400 м2/кг, а як струмопровідний заповнювач – відходи виробництва карбідкремнієвих нагрівачів, що були подрібнені до фракцій 16-64 мкм.

Отримані високоомні матеріали характеризуються міцністю при стиску після випалу при Т=1273К не менше 64 МПа, питомим опором – 1, 8Ч105 ОмЧм, коефіцієнтом нелінійності – 0, 18-0, 23 і можуть бути рекомендовані для виготовлення нелінійних елементів систем управління енергетичними, виробничими та будівельними процесами.

На основі лужного в'яжучого оптимального складу відповідно до плану симплекс-решітчастого експерименту розроблено низькоомні електропровідні матеріали (рис. 3, б) в яких як силікатний компонент використано шлак марганця металічного, помелений до питомої поверхні 400 м2/кг, а як струмопровідні заповнювачі – відходи виробництва карбідкремнієвих нагрівачів, які були подрібнені до фракцій 8-12 мкм та графітових електродів, помелених до питомої поверхні 700 м2/кг.