Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

 

Гузій Сергій Григорович

 

УДК 691. 327: 666. 974. 033. 13+621. 315/365

 

Резистивні матеріали будівельного призначення на основі лужних в'яжучих систем

 

05. 23. 05 – Будівельні матеріали та вироби

 

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

 

Київ – 2002

 

 

Актуальність теми: аналіз розвитку виробництва резистивних матеріалів показує, що розширення сфери їх використання можливе за рахунок створення матеріалів із заданими електро-, теплофізичними та фізико-механічними характеристиками, що експлуатуються в діапазоні температур 293-1073К. Причому, отримання таких композицій повинно здійснюватися з використанням ресурсозберігаючих і низькоенергоємних технологій.

Резистивні неметалічні композиційні матеріали являють собою складні гетерогенні системи, один із компонентів яких є струмопровідним. Такі матеріали відзначаються нестабільністю значень електричного опору при змінах температурно-вологого поля, що призводить до зменшення сфери їх застосування.

Подальше удосконалення властивостей електропровідних матеріалів можливо шляхом оптимізації їх складу та застосування таких видів в'яжучих речовин, які забезпечують формування діелектричного компоненту у складі композиційного матеріалу з опором більшим 108 ОмЧм.

Одержання резистивних матеріалів, що включають в своїй структурі діелектричний компонент, дозволить стабілізувати електротехнічні параметри та більш чітко їх регулювати в робочому діапазоні температур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми міністерства освіти і науки України № 21ДБ-1992 “Розробити та освоїти технологію виробництва композиційних матеріалів спеціального призначення на основі лужних і лужноземельних алюмосилікатних композицій” у 1992-1995 рр. Здобувач виконував обов'язки виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення фізико-хімічних закономірностей отримання резистивних композиційних матеріалів в системі “b-C2S – (SiC, C) – Na2O. nSiO2. mH2O”, що характеризуються мінімальною зміною електричного опору в робочому інтервалі температур за рахунок направленого формування діелектричної матриці на основі лужних в'яжучих систем і розробити технологію виробництва електропровідних матеріалів будівельного призначення зі стабільними електрофізичними характеристиками.

Задачі досліджень:

• встановити на модельних системах “b-C2S – (SiC, C) – Na2O. nSiO2. mH2O” фізико-хімічні закономірності направленого формування діелектричної матриці з мінімальною зміною питомого електричного опору в діапазоні температур 293-1073К;

• встановити основні закономірності зміни питомого електричного опору резистивних елементів від виду лужного компоненту та типу електропровідного заповнювача;

• розробити та оптимізувати склади резистивних матеріалів і дослідити їх властивості;

• розробити основи технології отримання резистивних матеріалів;

• провести практичне випробування та застосування розроблених складів електропровідних матеріалів у промислових умовах і визначити їх техніко-економічну ефективність.

Об'єктом досліджень є процеси формування штучного каменю з наперед заданими електрофізичними та фізико-механічними властивостями.

Предмет досліджень – резистивні матеріали на основі лужних в'яжучих систем.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: диференційно-термічного, рентгенофазового, інфрачервоної спектроскопії та електронної мікроскопії. Використані традиційні методики визначення міцності, електро- та теплофізичних характеристик штучного резистивного каменю. Оптимізацію складів резистивних композицій проведено за допомогою методів математичного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

• розроблені фізико-хімічні основи отримання резистивних матеріалів із заданими електрофізичними властивостями в робочому діапазоні температур від 293 до 1073К на основі лужних в'яжучих і заповнювачів, що представлені карбідом кремнію та графітом;

• показано, що стабільність електрофізичних властивостей композиційних матеріалів досягається за рахунок направленого синтезу діелектричної матриці, склад продуктів гідратації та дегідратації якої представлений відповідно низькоосновними гідросилікатами кальцію групи CSH (B) та силікатами кальцію (a-CS і b-CS), що характеризуються максимальним значенням питомого опору серед відомих гідро- та силікатів кальцію;

• встановлено взаємовплив діелектричної матриці та функціональних заповнювачів (карбід кремнію, графіт) на формування електрофізичних характеристик отриманих матеріалів. Показано, що при введенні карбіду кремнію в систему “b-C2S – Na2O. nSiO2. mH2O” даний компонент виконує функцію не тільки електропровідного (величина питомого опору резистивного матеріалу становить не більше 106 ОмЧм), але й функцію структуроутворюючого (за рахунок додаткового синтезу воластоніту в складі продуктів випалювання матриці) компоненту, що призводить до стабілізації значень її питомого опору та відкриває можливості отримання на її основі високоомних матеріалів. Введення графіту в лужну систему, поряд із карбідом кремнію, призводить до зниження величини “запираючого шару” та перерозподілу зарядів на поверхні зерен останнього, що дозволяє отримати низькоомні резистивні матеріали із величиною питомого опору 10-2-103 ОмЧм;

• визначена принципова можливість отримання резистивних матеріалів будівельного призначення за рахунок використання діелектричної матриці та направленого вибору функціональних заповнювачів. Так, у випадку використання як заповнювача карбіду кремнію, синтезовані високоомні матеріали (нелінійні опори), які здатні працювати в режимах короткого включення, а в разі використання суміші карбіду кремнію з графітом – отримані низькоомні матеріали (електронагрівачі), що здатні працювати в умовах тривалого включення.

Практичне значення одержаних результатів:

• розроблено склади високо- та низькоомних резистивних матеріалів на основі лужних в'яжучих і вивчені їхні основні фізико-механічні та електрофізичні характеристики в діапазоні температур 293-1073К;

• встановлено технологічні параметри синтезу резистивних матеріалів із стабільними електрофізичними властивостями;

• розроблено основи технології отримання резистивних композиційних матеріалів (нелінійні опори та нагрівальні елементи), причому, як вихідні компоненти можуть бути використані не тільки хімічно чисті речовини (SiC, C), але й відходи