CC BY
14
УДК 666.1.056
Потапова К.А., Десятов А.В., Крюков А.Ю., Морозов А.Н., Колесников В.А.
ПРОЗРАЧНЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Потапова Ксения Алексеевна, аспирант кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Менделеева,
Десятов Андрей Викторович, д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии РХТУ им. Менделеева, Крюков Александр Юрьевич, к.х.н., доцент кафедры физической химии РХТУ им. Менделеева, Морозов Александр Николаевич, к.х.н., главный специалист центра коллективного пользования РХТУ им. Менделеева,
Колесников Владимир Александрович, д.т.н., заведующий кафедрой технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Менделеева.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 e-mail: kseniya.potapova.92@gmail.com
В настоящей работе были получены прозрачные проводящие покрытия для нагревательныхэлементов на основе углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки были получены методом каталитического разложения углеводородного сырьяи нанесены на поверхность жаропрочного стекла методом напыления. Максимальная температура нагревательного элемента составила 250С при сопротивлении 706 Ом и светопропускании 70% . Ключевые слова: углеродные нанотрубки, прозрачные проводящие покрытия, нагревательные элементы, тонкопленочные электронные устройства.
TRANSPARENT HEATING ELEMENTS ON THE BASIS OF CARBON NANOTUBES.
Potapova Kseniya Alekseevna, Desyatov Andrey Viktorovich, Kruykov Alexander Yurievich, Morozov Alexander Nikolaevich, Kolesnikov Vladimir Alexandrovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, we obtained transparent conductive coatings for heating elements based on carbon nanotubes. Carbon nanotubes were obtained by the method of catalytic decomposition of hydrocarbons and deposited on the surface of heat-resistant glass by spraying. The maximum temperature of the heating element was 250 ° C with a resistance of 706 Ohms and a light transmission of 70%.
Keywords: carbon nanotubes, transparent conductive coatings, heating elements, thin-film electronic devices.
На сегодняшний день прозрачные проводящие покрытия нашли применение в тонкопленочных нагревательных элементах, которые предназначены главным образом для нагревания светопрозрачных конструкций. Нагревательный элемент содержит резистивную пленку, нанесенную на всю поверхность нагреваемой конструкции. На периферийной части резистивной пленки сформированы металлические контактные площадки, к которым припаяны электрические проводники. За счет равномерного распределения электропроводящего компонента по поверхности достигается равномерное нагревание поверхности, что недоступно для традиционных нагревательных элементов. На данный момент в качестве проводящего покрытия используют пленку из оксида индия, легированного оловом (ITO). Преимущества этих покрытий заключаются в низком поверхностном сопротивлении ( менее 20 Ом/кв ) при высокой оптической прозрачности (80-85%)[1]. Но из-за высокой стоимости ГТО использование его в таких устройствах становится нерентабельно. Так же из-за ограниченных запасов индия в природе и увеличение рынка электроники прогнозируется дальнейшее увеличение стоимости ГТО. Поэтому на сегодняшний день проводятся работы по поиску альтернативы ГТО из различных материалов, в том числе много внимания уделяют углероднымнанотрубкам[2]. Экспериментальная часть.
Углеродные нанотрубки которые использовались в данной работе были получены методом каталитического разложения метана на CoMo/MgOкатализаторе (CVD-chemical vapor deposition процесс). Навеску катализатора размещали в центре проточного реактора и нагревали до рабочей температуры 750-900С в токе азота. Затем азот азот заменяли на смесь СН4/Н2и проводили синтез углеродных нанотрубок. После окончания реакции и охлаждения до комнатной температуры углеродные нанотрубки отмывали от катализатора в растворе соляной кислоты и тщательно промывали дистилированной водой. В табл.1 и на рис. 1 представлены основные характеристики и микрофотографии УНТ. Для приготовления дисперсии брали необходимое количество УНТ и диспергировали в дистиллированной воде вУЗ ванне в течение 1 часа. Далее добавляли водный раствор
поливинилпирролидона и подвергали УЗ обработке вУЗ ванне в течение 24 часов. Концентрация УНТ в дисперсии - 1г/л.
Табл. 1. Характеристика углеродных нанотрубок.
Параметр Характеристика УНТ
83,м2/г 732
р, г/см3 0,21
с, Ом-см 0,09/0,05
Зольность, масс.% 0,81
Рис.1. Микрофотографии углеродных нанотрубок
Электропроводящие покрытия наносили на жаропрочные стекла методом напыления с помощью аэрографа. Перед нанесением поверхность стекла обезжиривали и удаляли механические загрязнения с помощью водного содового раствора и безворсовой салфетки. Для быстрого удаления растворителя с поверхности стекла после нанесения его предварительно нагревали до 120-130 0С. В процессе нанесения периодически контролировали
поверхностное сопротивление в разных участках стекла для обеспечения равномерности электропроводящего покрытия (не более 5% от среднего значения по 6-7 точкам). Поверхностное сопротивление электропроводящего покрытия составило 700 Ом.
Нагревательные элементы представляли собой «сэндвич» систему из двух одинаковых стекол, на одно из которых было нанесено электропроводящее покрытие, с размещенными между ними токоподводящими электродами. Светопропускание стекла с нанесенным на нее проводящим покрытием составило 70 %(спектрофотометр СПЕКС ССП-715( "Спектроскопические системы", Россия)). Образец нагревательного элемента представлен на рисунке 2.
Рис. 2 Фотография готовой сборки нагревательного элемента на основе углеродных нанотрубок.
Два стекла относительно друг друга фиксировались с помощью зажимов, которые также обеспечивали прижимание электродов к поверхности электропроводящего покрытия. Конечное сопротивление собранного нагревательного элемента измеряли с помощью мультиметра и оно составило 430 Ом.
Для проведения испытаний напряжение на контакты нагревательного элемента подавали через ЛАТР и регистрировали температуру с помощью термодатчика (АКТАКОМ АТЕ-9380). Контроль величины тока, протекающий через нагревательный элемент, определяли по падению напряжения на резисторе, подключенном последовательно в цепь. Нагревательный элемент испытывали при напряжении 220 В с известным сопротивлением в течение 20 минут. После охлаждения видимых повреждений покрытия обнаружено не было, сопротивление нагревательного элемента после испытания при температуре 25оС - 675 Ом. Результаты испытаний представлены в табл. 2 и на рис. 4.
Табл. 2. Результаты испытаний нагревательного элемента.
Время, мин Температура, оС Сила тока, А Сопротивление, Ом
0 35 0,262 428
2 126,4 0,233 482
4 178,6 0,198 567
6 206 0,176 638
8 221,6 0,169 664
10 231,1 0,165 680
12 237 0,162 693
15 244 0,159 706
20 250,4 0,159 706
0 5 Вредин 15 20
Рис. 4. Скорость нагревания нагревательных элементов при 220В.
Как видно из представленных данных электропроводящее покрытие из углеродных нанотрубок работает при напряжении 220 В и может быть использовано в нагревательных элементах.
Литература.
1.Tianda He, AozhenXie, Darrell H. Reneker, and Yu Zhu A Tough and High-Performance Transparent Electrode from a Scalable and Transfer-Free Method // ACSNano.2014. №8.РР 4782-4789.
2.Ying Zhou, Reiko Azumi. Carbon nanotube based transparent conductive films: progress, challenges, and perspectives // Science and Technology of Advanced Materials. 2016. У.17.№1.РР. 493-516.
