Электропроводящие композиционные материалы с включением отходов и вторичного сырья

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 9023 (2023) Цитировать эту статью

629 Доступов

Подробности о метриках

Силикатные композиты в целом имеют очень низкую проводимость. Добиться снижения удельного электросопротивления можно путем добавления электропроводящего наполнителя. Проводящая смесь состоит из цементного вяжущего, различных видов кварцевого песка и токопроводящих наполнителей на основе графита. Одним из направлений исследований является частичная замена обычного сырья альтернативными компонентами (отходами производства и вторичным сырьем) и ее влияние на свойства композитов. Изученными альтернативными компонентами были летучая зола в качестве частичной замены связующего, отходы графита из двух разных источников и стальная стружка в качестве заменителя проводящего наполнителя. Проведен анализ удельного сопротивления отвержденных образцов на основе электропроводных силикатов в связи с изменением физико-механических свойств в условиях микроструктурных изменений затвердевшей цементной матрицы (методами оптической и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом). Установлено, что частичная замена цемента летучей золой снижает электросопротивление композита. Некоторые из отходов графитовых наполнителей существенно снижают удельное сопротивление цементного композита и повышают прочность на сжатие. Доказано, что первичные токопроводящие наполнители можно заменить вторичным сырьем.

Композиционные материалы являются одними из самых прогрессивных строительных материалов. Эти материалы используются во всех отраслях промышленности. Их самым большим преимуществом является возможность изменять свойства непосредственно для конкретной цели использования. Эти свойства можно модифицировать, используя различные типы и комбинации матриц и наполнителей1,2. Матрица образует так называемую сплошную фазу материала и в основном влияет на физико-механические свойства, химическую стойкость, теплопроводность, огнестойкость и другие всего композиционного материала3. Матрицы в основном изготавливаются на основе силиката, полимера или геополимера4. Для большинства композиционных материалов наполнители значительно снижают цену материала и дополнительно влияют на объемную плотность, электропроводность, впитывающую способность и т. д.5,6.

Электропроводящий композит можно определить как композиционный материал, который содержит достаточное количество электропроводящих компонентов для достижения стабильной и относительно высокой электропроводности. Электропроводность связана с удельным сопротивлением или сопротивлением, это обратная величина. Для твердых материалов электропроводность можно разделить на внутреннюю и поверхностную. Внутренняя проводимость связана со структурой, количеством и природой используемых проводящих компонентов, тогда как поверхностная электропроводность зависит, прежде всего, от содержания воды в материале.

Проводимость композиционных материалов зависит от подвижности электронов. Материалы на основе цемента обычно имеют удельное сопротивление от 6,5·105 до 11,4·105 Ом·см7, поэтому можно сказать, что они не являются даже хорошими проводниками, такими как медь, удельное сопротивление которой составляет примерно 1,7·10–8 Ом·см8. , ни хороший изолятор (например, тефлон с приблизительным удельным сопротивлением от 1015 до 1020 Ом·см)9. Добавляя проводящие компоненты, такие как сажа, графит, углеродные и стальные волокна, его удельное сопротивление можно значительно снизить, сохранив при этом хорошие механические свойства10.

Залогом превосходной электропроводности композиционного материала является создание в его структуре идеально проводящей сети. Чем сильнее эта проводящая сеть, тем больше электропроводность материала. Это также связано с максимальной силой электрического тока, который может пройти через него. Как только взаимосвязанная проводящая структура в композитном материале не повреждена, сопротивление самого материала значительно снижается, этот предел называется порогом перколяции, и в результате последующее добавление материала больше не влияет на удельное сопротивление11. Электропроводящая сеть лучше всего может быть изготовлена ​​из материалов, которые являются проводящими и имеют игольчатую, вытянутую форму, благодаря чему они могут легко передавать электрический ток через непроводящую матрицу на большие расстояния, например, углеродные нанотрубки, стальные волокна и т. д. Проблема возникает, когда эти игольчатые компоненты не находятся в прямом контакте. поэтому целесообразна комбинация использования нескольких типов проводящих элементов или увеличения их доли в материале. Кроме того, на проводимость композита в основном влияют плотность, содержание воздушных полостей, направленная ориентация наполнителя или проволок, а также их дисперсность в композите. Электропроводность (принципы, внутренние сети и конструкции).