Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Разработка и изучение новых материалов для электронагревателей и резисторов, применяемых в различных отраслях промышленности, является актуальной проблемой современного материаловедения и физики твердого тела. В настоящее время известно большое число материалов для нагревательных элементов. При работе в воздушной атмосфере в качестве таких материалов обычно применяют нихромовые и фехралиевые сплавы в виде проволоки или ленты, обладающие достаточной долговечностью. Однако их удельное электрическое сопротивление невелико, выбор электроизоляционных материалов для межвитковой изоляции весьма затруднителен, что ограничивает области применения и сокращает срок службы. Кроме того, в условиях разрыва производственных связей, других экономических проблем, цветные металлы и их сплавы стали дефицитными и дорогостоящими и в Республике Беларусь не производятся.
Известные неметаллические нагреватели (на основе MoSi2, SiC и др.), рассчитанные для высокотемпературного нагрева сред, имеют невысокое удельное электрическое сопротивление, и применение их для нагрева до температур 300 - 400 С малоэффективно. ,
Проблема создания материалов для высокоэффективных электронагревателей с рабочими температурами до 300 - 400 С может быть решена путем использования композиционных резистивных покрытий. В республике Беларусь такими вопросами занимаются Белорусский аграрно-технический университет (г. Минск), Институт общей и неорганической химии (г. Минск), завод «Монолит» (г. Витебск), в СНГ - НИИ проблем материаловедения (г. Киев), завод «Ритм» (г. Воронеж) и др. Пленочные нагреватели с использованием в качестве проводящей фазы порошков ферросилиция, углерода, титана имеют, как правило, небольшую допустимую удельную поверхностную мощность (до 5 Вт/см2) и низкое поверхностное электрическое сопротивление. Кроме того, для предотвращения отслоения пленки, необходим тщательный подбор подложек с целью согласования температурных коэффициентов линейного расширения подложки и пленки (эмалированная сталь и др.). Другие же материалы для пленочных нагревателей (на основе карбида кремния, лантана, боридов металлов и т.п.), имеют невысокие поверхностные электрические сопротивления (до 10 Ом/П), что затрудняет их применение при работе от напряжения электрической сети 220 В и требовании малогабаритности. Применение же благородных и тугоплавких металлов и соединений (Pt, Re, Ag, W, Ru02 и др.) экономически нецелесообразно, особенно для нагревателей значительных размеров.
Актуальным с точки зрения создания материалов для электронагревателей и резисторов нового типа, работающих до температур нагрева 300 - 400
С, является использование высокостабильных электропроводных керамических композитов, имеющих в своем составе полупроводниковые фазы, равномерно распределенные в тугоплавкой матрице. Значительный интерес представляет исследование закономерностей формирования резистивной пленки в слое керамической кремнеземсодержащей подложки не только с точки зрения создания новых композиционных пленочных керамических электронагревателей для бытового и производственного применения, но и как источник новых сведений по структуре и свойствам таких материалов (Здесь и далее словосочетание «пленочный керамический электронагреватель» подразумевает конструктивные особенности - наличие резистивного слоя и керамической подложки). Важной также представляется оценка критериев работоспособности пленочных керамических нагревателей в зависимости от их размеров и формы рабочей поверхности.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Работа выполнялась в рамках тем ГБЦЦ 92-09 «Разработать композиционные материалы на основе пористых силикатных систем. Изготовить опытную партию» (№ гос.рег. 19951038) РНТП 72.01 Р. «Новые материалы и технологии их переработки» (1992 - 1995 г.г.), ГБЦМ 96-15 «Поиск путей создания новых композиционных керамических материалов для электронагревательных элементов» (№ гос.рег. 1996962) (1996 г.), ГБЦЦ97-25 «Разработать и внедрить технологию получения керамических многофункциональных толстопленочных покрытий» (№ гос.рег. 19971335) ГНТП «Технологии» (1997 - 1998 г.г.).
Цель и задачи исследования
Целью исследования является разработка физических основ и метода формирования керамических композиционных материалов для нагревательных элементов и резисторов с использованием недефицитных компонентов, оценка критериев их работоспособности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка физических и методических основ получения композиционных керамических материалов для нагревательных элементов и резисторов , объемных и пленочных;
проведение исследований элементного и фазового составов керамических композиционных резистивных материалов;
- анализ механизма проводимости в композиционных керамических
структурах, содержащих кристаллические фазы;
расчет температурных полей и термических напряжений пластины пленочного нагревателя (резистора) при разных вариантах расположения токо-проводящей пленки на поверхности;
расчет температурных полей нагревательных элементов (резисторов) с рабочей поверхностью в форме квадрата и прямоугольника;
- разработка пленочных керамических нагревательных элементов и резисторов для различных устройств.
Объект и предмет исследования
Основной объект исследования - кремнеземсодержащий керамический материал (основа).
Основной предмет исследования - целенаправленное преобразование слоя (слоев) керамической кремнеземсодержащей основы путем восстановления кремнезема для придания ему (им) электропроводных свойств.
Методология и методы проведенного исследования
Рентгенофазовый анализ керамических материалов проводился методом порошка на рентгеновских дифрактометрах «ДРОН-2» и «Freiberger Prezisions-mechanik».
Элементный состав керамических образцов определялся методом количественного микрорентгеноспектрального анализа - сканирующий электронный микроскоп Nanolab 7 с рентгеновским микроанализатором (EDS детектор Link analytical AN -1000).
Влияние технологических факторов и состава на физико-механические свойства керамической подложки исследовалось методом математического планирования эксперимента.
Формирование образцов (объемные резистивные композиты, керамические подложки) осуществлялось методом полусухого прессования.
Вышеперечисленные методы и другие, приведенные в диссертации,- известные.
Автором разработан метод целенаправленного преобразования слоя (слоев) кремнеземсодержащей керамической основы- (путем восстановления кремнезема) для придания ему (им) электропроводных свойств.
Научная новизна и значимость полученных результатов:
впервые предложены исходные компоненты (порошок алюминия, соль щелочного металла кислородсодержащей кислоты либо хлорид аммоггия) и проведена целенаправленная окислительно-восстановительная реакция в структуре твердого тела (керамический материал) по восстановлению содержащегося в нем кремнезема до кристаллического кремния;
впервые установлено, что целенаправленная реакция восстановления кремнезёма алюминием в структуре твёрдого тела протекает в любых керамических материалах, содержащих кремнезем, в том числе и в алюмооксиднои вакуумно-плотной керамике (ВК-94 и др.);
впервые показано, что восстановленные слои имеют электрическую проводимость на порядки выше, чем у керамической диэлектрической основы.
обусловленную кристаллическим кремнием.
Практическая (экономическая) значимость полученных результатов:
впервые получены резистивные слои в кремнезёмсодержащей подложке с поверхностным электрическим сопротивлением от 1-2 до. 500-700 Ом/П, имеющие в своём составе кристаллический кремний;
впервые разработан метод формирования резистивных слоев путём целенаправленного восстановления кремнезёма керамической подложки;
разработана новая модель распределения температурных полей и термических напряжений, возникающих при работе плёночных нагревательных элементов, позволяющая оптимизировать форму их рабочей поверхности и размеры для выравнивания температурного поля и, как следствие, предотвращения термомеханических разрушений.
Разработанный метод формирования материалов для нагревательных элементов и резисторов является ресурсо- и энергосберегающим.
Новизна научно-технических результатов подтверждается пятью решениями Государственной патентной экспертизы Республики Беларусь по составам для получения резистивных слоев восстановлением кремнезёма керамической основы.
Применение пленочных нагревательных элементов в установках сельхозназначения повышает в 5-6 раз эффективность технологических процессов. Использование керамических- нагревательных элементов в регуляторах мощности РМ-23 позволяет унифицировать их по мощности для различных нагрузок (с потребляемым током от близкого к 0 до 10 А), сократить импорт нихрома и изолирующих материалов, а в электробигудях ЭБ 20/220, наряду с импор-'тозамещением, снижает номинальную потребляемую мощность примерно в 2 раза (с 500 Вт до 215 - 250 Вт). Применение низкоомных керамических малоиндуктивных резисторов в функциональном устройстве привода компрессора упрощает конструкцию устройства.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
- впервые предложенные автором класс керамических материалов
(кремнезёмсодержащий керамический материал), компоненты (порошок алю
миния, соль щелочного металла кислородсодержащей кислоты либо хлорид
аммония), условия (диапазон температур « 690-1100 С), необходимые для
протекания целенаправленной окислительно-восстановительной реакции алю
минием кремнезёма в структуре твёрдого тела (керамического материала);
- разработанный автором метод формирования пленочных композицион
ных материалов термическим восстановлением алюминием кремнезема кера
мической основы, позволяющий создавать в кремнеземсодержащих керамиче-
ских материалах резистивные слои с поверхностным электрическим сопротивлением от 1-2 до 500 - 700 Ом/П;
- модель распределения температурных полей и термических напряжений, возникающих в плёночных керамических нагревательных элементах и резисторах на основе восстановленных в керамическом материале слоев, обосновывающая пути оптимизации их размеров и формы.
Личный вклад соискателя
В диссертации автором предложены исходные компоненты, условия, класс керамических материалов для протекания реакции восстановления кремнезёма алюминием в структуре твёрдого тела (керамический материал), разработан метод формирования резистивных слоев восстановлением крем-неземсодержащей керамической подложки. Автор принимал творческое участие в постановке задач, разработке методик измерений, программировании и расчетах на ЭВМ, проведении измерений, обобщении результатов. Автором разработаны керамические нагревательные элементы и резисторы для различных устройств, сформулированы основные выводы диссертации.
Апробация результатов диссертации
Результаты работы докладывались на научных семинарах Проблемной НИЛ перспективных материалов Гомельского государственного университета им.Ф.Скорины (Гомель, 1995, 1996, 1997, 1998, 2000), Республиканских научно-технических конференциях «Новые материалы "и технологии»" (Минск, 1994, 1996, 1998), XXI научно-технической конференции в рамках проблемы «Наука и мир» (Брест, 1994), Международной 51-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА, посвященной 75-летию Белорусской государственной политехнической академии «Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА» (Минск, 1995), II конференции « Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии» (Гродно, 1996), Международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА «Технические вузы - республике» (Минск, 1997), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития транспортных систем» (Гомель, 1998).
Композиционные покрытия внедрены в качестве низкоомных резисторов в составе функционального привода компрессора троллейбуса; пленочные композиционные нагревательные элементы внедрены в установке выращивания черенков голубики в Институте леса НАН Беларуси; пленочные композиционные нагревательные элементы внедрены в регуляторы мощности РМ-23 (унификация относительно тока нагрузки), серийно выпускаемые Гомельским заводом "Электроаппаратура"; разработаны пленочные нагревательные эле-
менты и проведены их испытания для рефлектора малогабаритного, выпускаемого Минским ПО "Промсвязь", электробигудей ЭБ 20/220, выпускаемых Гомельским заводом "Электроаппаратура"; организован производственный участок по изготовлению пленочных керамических нагревательных элементов для регуляторов мощности РМ-23 и электробигудей ЭБ 20/220.
Опубликованность результатов
По материалам диссертации опубликованы 22 научные работы: 5 статей в журналах, 2 статьи в сборниках трудов, 8 работ в материалах Международных и Республиканских конференций, 1 заявка на изобретение, получены 1 патент Республики Беларусь и 5 решений на выдачу патентов. Общее количество страниц опубликованных материалов - 58.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, 9 приложе
ний ( 24 страницы). Она изложена на 110 страницах, содержит 28 рисунков,
8 таблиц. Список литературы включает 140 наименований