CC BY
28УДК 661 - 66
И.А. Шаронов, Э.Р. Разяпов, В.М. Самойлов, Ю.А. Фоломейкин, Л.М. Бучнев
ПРОВОДЯЩАЯ КОРУНД-УГЛЕРОДНАЯ КЕРАМИКА, СОДЕРЖАЩАЯ УГЛЕРОДНЫЕ
НАПОЛНИТЕЛИ РАЗНЫХ ТИПОВ
(ОАО «НИИграфит», ВИАМ) e-mail: iljasharonov@yandex.ru
Получены опытные образцы резистивной корунд-углеродной керамики и проведены измерения их удельного электросопротивления. В качестве электропровопроводящих добавок использовали такие углеродные наполнители, как естественный графит, сажа, искусственный графит, углеродные волокна, многослойные углеродные нанотрубки и водная суспензия графена. Содержание проводящих наполнителей варьировали от 0,4 до 20 % по объему. В зависимости от типа и содержания наполнителей в образцах изменялась их плотность - от 2,6 до 2,3 г/см3 и удельное электросопротивление от 108 до Iff3 Ом^см. Зависимость удельного сопротивления от содержания наполнителя имеет пер-коляционный характер.
Ключевые слова: перколяция, керамические резисторы, корундовая керамика, проводимость, углерод
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время развиваются новые направления использования перспективных керамических материалов, в том числе и обладающих заданными электрофизическими свойствами [6]. Одним из продуктов, изготавливаемых из подобных материалов, являются дисковые керамические резисторы с большим диапазоном сопротивлений. Они широко используются в устройствах передачи и преобразования электроэнергии, в мощных и импульсных источниках тока, промышленных приводах и приводах электротранспорта, в системах радиорелейной связи [4]. Основным достоинством таких резисторов является компактность, надежность и высокая прочность. В керамических резисторах такого типа реализуются максимальные значения напряжения и подающейся энергии на единицу объема элемента при отсутствии индуктивности, что делает применение корунд-углеродных резисторов предпочтительным, по сравнению с остальными типами резисторов [5].
Цель работы - исследование электропроводности корунд-углеродных образцов линейных резисторов с различным содержанием углеродных наполнителей и анализ полученных данных.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследуемые образцы керамических резисторов были получены на основе электрокорунда со средним размером частиц 50 мкм. В качестве связующего вещества использовалась коалиновая глина (от 69 до 80 % от масс.) и жидкое натриевое стекло (9-10 % от общей массы сухой смеси). В качестве проводящих наполнителей использовали углеродные материалы с различной структурой, формой и размерами частиц, такие как естественный графит, сажа, искусственный графит (далее РБМК), углеродные волокна, многослойные углеродные нанотрубки (далее МУНТ), графен.
Все наполнители были предварительно измельчены на виброистирателе ИВЧ-3 и введены в смесь в виде порошка, за исключением графена (он был введен в смесь в виде водной суспензии). Основные характеристики использованных углеродных наполнителей представлены в таблице.
Из полученной смеси путем прессования в глухую матрицу формировались образцы в виде цилиндра диаметром 30 мм и высотой от 12 до 15 мм. Далее образцы подвергались термообработке при температуре 250 °С и обжигу в инертной среде при температуре 1500°С.
Таблица
Основные характеристики углеродных наполнителей Table. The main characteristics of carbon fillers
Графен ЕГ МУНТ Углеродное волокно ВПР-19С Сажа П-903 РБМК (В1)
Т получения, ТТО °С 2800 2800 800 2800 1800 2900
Средний размер частиц, мкм 0,020 1-30 L 0,03 -1 D 0,02-0,03 L 8-10 D 15-50 0,10-0,12 1
L/D Более 5 Более 5 Более 10 Более 10 ~ 1 ~ 1
Полидисперсность Высокая Высокая ~ 0 Высокая ~ 0 Высокая
Плотность образцов резистивной корунд-углеродной керамики была измерена путем их обмера и взвешивания. Измерения электросопротивления полученных образцов проводили четы-рехзондовым методом, на специальной установке. Особенностью данной установки является специальный шарнирный держатель образцов. Он применен для улучшения контактов и компенсирования неточности изготовления образцов. Подвод тока осуществлялся через металлические сетки, под которые помещены подпружинивающие резиновые вставки, закрепленные на боковых зажимах образца. Потенциальные зонды вводились через отверстия в центре сетки [1].
Измерения проводились при комнатной температуре. При измерении, пропуская ток через образец, определяли падение напряжения и силу тока. Перепад напряжения между зондами измеряли с помощью микровольтметра. Для измерения силы тока, протекающего через образец, использовали эталонное сопротивление (1 Ом), включенное последовательно в цепь питания от источника стабилизированного напряжения постоянного тока. Погрешность измерений составляла порядка 1 % [1].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных измерений было выявлено, что плотность образцов меняется в зависимости от того, какое количество наполнителя присутствует в образце. В большинстве случаев было обнаружено, что по мере увеличения содержания наполнителя, плотность образцов начинает уменьшается. На рис. 1 изображена зависимость плотности образцов от процентного содержания в них различных наполнителей.
dk, г/см 2,8
2,6
2,4
Ж*«'
2,2
2,0
Ж ^ ф
ж Ж X -
— л* v
'ХХуТ * X
к
X
ж
10 15
Wc %
20
25
Рис. 1. Зависимость плотности образцов от содержания в них различных наполнителей: ♦-естественный графит,^-сажа, Д -РБМК, х-углеродные волокна, *-МУНТ, •-графен Fig. 1. Dependence of samples density on the contents of various fillers in them: ♦ - natural graphite, ■ - soot, Д-artificial graphite, х-, carbon fibers*-multilayer carbon nanotubes, • - grapheme
p, Ом-см
107
104
101
10-2
10-5 0
p, Ом-см 107
104
101
10-2
10-5 0
p, Ом-см 107 104 101
10 20
Wc, %
30
10 20
WC, ,%
30
10-2
10-5
Wc, %
Рис. 2. Зависимости удельного электросопротивления образцов от содержания наполнителей: а - углеродного волокна (о),МУНТ (□), б - графита РБМК (о), сажи (□), в - естественного графита (о), графена (□) Fig. 2. Dependences of specific electroresistance of samples on the content of fillers: a - carbon fiber (о), MUNT (^),б - artificial graphite (о), soot (□), в - natural graphite (о), graphene (□)
На рис. 2 представлены зависимости удельного электросопротивления образцов от процентного содержания различных наполнителей. Полученные зависимости имеют вид, характерный для случая перколяционной проводимости в системе «проводник - изолятор» [2]. Для каждого наполнителя, при достижении определенной пороговой концентрации удельное электросопротивление начинает резко падать, после чего падение электросопротивления вновь замедляется. Начало резкого падения электросопротивления соответствует формированию перколяционного кластера [3]. При дальнейшем повышении концентрации наполнителей удельное электросопротив-
0
5
ление изменяется незначительно. В зависимости от типа наполнителя наблюдали различные значения порогов протекания. Например, у образцов с углеродными наполнителями на основе графено-вой суспензии и МУНТ (рис. 2 а, в) порог протекания начинается уже с десятых долей процента содержания данного наполнителя (0,1% и менее 0,01% соответственно). Это объясняется тем, что данные типы наполнителей имеют минимальный размер частиц и высокий коэффициент анизомет-рии (отношение длины L частицы к ее диаметру D) [7,8]. Напротив, (рис 2 б) удельное электросопротивление образцов, содержащих искусственный графит РБМК и сажу, начинает резко падать только при концентрации в несколько процентов (3% и 5% соответственно). Это заметно и у образцов, содержащих углеродные волокна и естественный графит (рис. 2 а, в) (3% и 4% соответственно). Причина более высоких порогов протекания кроется в большем размере частиц наполнителей. Хорошо известно, что чем меньше размер частиц, тем большее количество контактов у каждой частицы, причем рост количества контактов при уменьшении размера частицы происходит по экспоненте [7, 8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Методика определения удельного электросопротивления углеродных материалов при температуре (293 - 303). К МИ 00200851-2010. Утв. ФГУП «НИИграфит» 11.11.2010 г.; Method for determination of specific resistance of carbon materials at temperature of (293 - 303). K MI 00200851. Approve by FGUP "NIIGRAPHITE" 11.11. 2010. (in Russian).
2. Kirkpatrick S. // Rev. Mod. Phys. 1973. V. 45. N 4. P. 574-588.
3. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. // УФН. 1975. Т. 117. Вып. 3. С. 401-435;
Shklovskiy B.L, Efros AL. // UFN. 1975. V. 117. N 3. P. 401-435 (in Russian).
4. http://www.hvrint.com/
5. Балкевич В.Л Техническая керамика: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат. 1984. 256 с.;
Balkevich V.L. Technical ceramics. Tutorial for Universities. M.: Stroiyizdat. 1984. 256 P. (in Russian).
6. Новые материалы. / Под ред. Ю.С. Карабасова. М: «МИ-СИС». 2002. 736 с.;
New materials. / Ed. Yu.S. Karabasov. M.: MISIS. 2002. 736 p. (in Russian).
7. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Едиториал УРСС. 2002. 112 с.; Tarasevich Yu.Yu. Percolation: theory, applications, algorithms. Moskva: Editorial URSS. 2002. 112 P. (in Russian).
8. Barton R.L. Carter Development and modeling of electrically conductive resins for fuel cell bipolar plate applications. Dissertation for the degree of doctor of philosophy. Michigan Technological University. 2008.
УДК 541.128+546.05+66.071.6 В.В. Чесноков, А.С. Чичкань, В.Н. Пармон
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И МЕТОД ИХ ВВЕДЕНИЯ
В АЛЮМОСИЛИКАТНУЮ МАТРИЦУ
(Институт катализа СО РАН) e-mail: chesn@catalysis.ru)
Синтезирован новый эффективный катализатор получения углеродных нанотру-бок (УНТ) с узким распределением по диаметрам. Разработан новый метод синтеза композита «углеродные нанотрубки-оксид кремния» (yHT-SiO2) для последующего эффективного введения его в неорганическую матрицу. Использование композита yHT-SiO2 при синтезе керамических мембран позволило после выгорания УНТ получить поры, соизмеримые с диаметрами трубок. Таким образом, варьируя свойства углеродных нанот-рубок по диаметрам и длине, можно регулировать пористую структуру керамических мембран.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, катализатор, гиббсит, гидроксид алюминия, мембраны, пористая структура
ВВЕДЕНИЕ научный и практический интерес. Одним из пер-
Благодаря высокой тепло- и электропро- спективных направлений материаловедения явля-
водности, значительной химической стабильности ется создание углеродно-керамических к°мп°зи-
и уникальной механической прочности углерод- тов на основе оксидов металлов и углеродных на-
ные нанотрубки (УНТ) представляют большой нотрубок [1-4]. Такие композиты могут быть ис-
