Исследование влияния углеродных армирующих волокон на величину пористости углеграфитовых изделий применяемых в электротехнике.
, аспирант,
Южно-Российский государственный политехнический университет, 346428, Ростовская обл., 32.
, аспирант,
Национальный исследовательский технологический университет "Московский институт стали и сплавов", 119049, г. Москва, Ленинский пр., д. 4
E-mail: viktor. *****@***ru
Введение
В последнее десятилетие большое распространение в электротехнике получили токопроводящие элементы на основе графита. Такие компоненты дёшевы, просты в изготовлении и механической обработки, долговечны. Интересным моментом является возможность модифицирования углеграфитовую композицию другими армирующими волокнами. Широта использования армирующих волокон позволяет получать спектр новых материалов, имеющих необходимые показатели в нужном направлении. К ним можно отнести композиционный волокнистый углеродный материал с антифрикционными и теплостойкими добавками на основе углеродной ткани (КУТ); высокомодульное углеродное волокно (ВУВ) или графитированное волокно [1,2,].
Графитовые изделия имеют развитую пористость [3]. От величины пористости зависит плотность материала. Для изделий, работающих под большими величинами тока, необходимы более плотные и износостойкие материалы, чем для маломощных машин. В свою очередь высокопористый материал может дополнительно модифицироваться для придания специфических свойств [4].
На величину пористости влияет 3 основных элемента: связующее; тип графита и сами армирующие добавки. На данный момент в качестве связующих используются высокотемпературный пек и фенолоформальдегидные смолы. Они характеризуются величиной коксового остатка, летучими компонентами, зольностью.
В электротехнических изделиях используют естественный и искусственный графиты разных марок и гранулометрического состава. Они отличаются [5] разной стойкостью к агрессивным средам и стойкостью к окислению.
Методика эксперимента
Композиционный материал на пеком связующем состоит из: высокотемпературный пек по ГОСТ 1038-75; естественный графит марки ГЛ-1 ГОСТ 5279-74; искусственный графит по ТУ 1916-058-27208846-2011. В качестве легирующих добавок использовались: медь марки ТУ 1793-001-89208360- 2009; карбид титана ТУ 0-09-492-75; высокомодульное углеродное волокно (ВУВ); композиционный волокнистый углеродный материал с антифрикционными и теплостойкими добавками на основе углеродной ткани (КУТ).
Пресс порошок на пековом связующем изготовляется методом смешения компонентов в скоростном смесителе на протяжение 2-5 минут. Полученный материал прессуется холодным способом в одноместную пресс форму на вертикальном прессе с удельным давлением прессования в 16,5 МПа. Затем образцы проходили высокотемпературную обработку в защитной коксовой засыпке при температуре 800-900оС на протяжении 496 часов.
Истинная плотность определялась методом газовой пикнометрии на пикнометре ULTRAPYCNOMETER 1000 фирмы QUANTACHROME (США). Пикнометрический газ – гелий.
Исследование микроструктуры проводилось на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi TM-1000.
Результаты эксперимента
По полученным данным можно определить влияние добавок на величину пористости. Поскольку все образцы проходили высокотемпературную обработку, то величина пористости зависит от химических реакций протекающих в образце. На эти реакции может влиять содержащийся кислород, взаимодействующий с графитом. Добавленная медь необходима для придания высоких электропроводных и прочностных свойств, а добавления карбида титана необходимо для улучшения межфазного напряжения на границе медь-графит [6]. Применение других наиболее распространенных карбидов металлов уступают карбиду титана.
Увеличение содержания высокомодульного углеродного волокна приводит к уплотнению материала (таблица 1). Это объясняется тем, что данное волокно не имеет в своем составе летучих компонентом и не претерпевает изменений при высокотемпературной термообработке. На рис.2 а и б видно, что частицы меди взаимодействуют с графитовой составляющей. Добавление карбида титана приводит к уменьшению пористости за счет межфазных свойств. На рис.1 видно, что увеличение содержания карбида титана приводит к линейному уменьшению величины пористости.
Таблица 1. Значения пористости образцов с добавлением ВУВ и карбида титана
Наименование образца | Истинная плотность, г/см3 | Кажущаяся плотность, г/см3 | Пористость, % | Суммарный объём пор, см3/ |
1. Пековая композиция +5% ВУВ+30% меди | 2,8579 | 2,05 | 28,3 | 0,1379 |
2. Пековая композиция +7,5% ВУВ+30% меди | 2,8232 | 2,13 | 24,55 | 0,1153 |
3. Пековая композиция +10% ВУВ+30% меди | 2,8072 | 2,21 | 21,3 | 0,0963 |
4. Пековая композиция +5% ВУВ+30% меди + 5% карбида титана | 2,8703 | 2,11 | 26,47 | 0,1279 |
5. Пековая композиция +7,5% ВУВ+30% меди + 5% карбида титана | 2,8653 | 2,21 | 22,87 | 0,1034 |
6. Пековая композиция +10% ВУВ+30% меди + 5% карбида титана | 2,8572 | 2,27 | 20,55 | 0,0905 |
7. Пековая композиция +5% ВУВ+30% меди + 10% карбида титана | 2,8863 | 2,14 | 25,86 | 0,1208 |
8. Пековая композиция +7,5% ВУВ+30% меди + 10% карбида титана | 2,8601 | 2,22 | 22,38 | 0,1008 |
9. Пековая композиция +10% ВУВ+30% меди + 10% карбида титана | 2,8517 | 2,3 | 19,33 | 0,0864 |
Рис. 1. Зависимость значения пористости образцов на пековом связующем с разным содержанием ВУВ и КУТ от содержания карбида титана, где 1 – 5% ВУВ; 2 – 7,5% ВУВ; 3 – 10% ВУВ; 4 – 5% КУТ; 5 – 7,5% КУТ; 6 – 10% КУТ.
а) б)
в) г)
Рис. 2. Микроструктура образцов на пековом связующем с добавлением ВУВ, где а – 5%, б – 10%; с добавлением КУТ, где в - без карбида титана, г - 10% карбида титана.
В таблицу 2 сведены значения, полученные при добавлении композиционной углеродной ткани. Увеличение содержания КУТ приводит к увеличению пористости. В состав композиционного волокна входит резольные смолы, которые карбонизируются при высоких температурах. Добавление карбида титана изменяет пористость незначительно. На рис. 2 в и г видно, что добавление карбида титана хоть и увеличивает плотность образца, но не приводит к уменьшению частиц меди.
Таблица 2. Значения пористости образцов с добавлением КУТ от карбида титана
Наименование образца | Истинная плотность г/см3 | Кажущаяся плотность, г/см3 | Пористость, % | Суммарный объём пор см3/г |
1. Пековая композиция + 30% медь+ 5% КУТ | 2,5422 | 1,73 | 32,61 | 0,1846 |
2. Пековая композиция + 30% медь+ 7,5% КУТ | 2,5980 | 1,74 | 33,04 | 0,1898 |
3. Пековая композиция + 30% медь+ 10% КУТ | 2,6971 | 1,74 | 35,49 | 0,2039 |
4. Пековая композиция + 30% медь + 5% КУТ + 5% карбид титана | 2,6182 | 1,77 | 32,16 | 0,1804 |
5. Пековая композиция + 30% медь + 7,5% КУТ + 5% карбид титана | 2,6631 | 1,79 | 32,89 | 0,1831 |
6. Пековая композиция + 30% медь + 10% КУТ + 5% карбид титана | 2,6941 | 1,80 | 33,19 | 0,1844 |
7. Пековая композиция + 30% медь + 5% КУТ + 10% карбид титана | 2,6317 | 1,81 | 31,15 | 0,1725 |
8. Пековая композиция + 30% медь + 7,5% КУТ + 10% карбид титана | 2,6971 | 1,84 | 31,77 | 0,1737 |
9. Пековая композиция + 30% медь + 10% КУТ + 10% карбид титана | 2,7381 | 1,85 | 32,43 | 0,1753 |
Добавление карбида титана защищает медь от окисления и происходит равномерное распределение частиц металла по объему. Наилучшее количество карбида титана 10%. В свою очередь добавление углеродных волокон повышают механические свойства, но играют разную роль в образовании пористости. Добавления ВУВ приводит к плотной структуре, в то время как добавление КУТ приводит к образованию высокоразвитому прочному изделию. Добавление карбида титана линейно уменьшает пористость с ВУВ, образуя с ним взаимодействие, а добавление с КУТ приводит к резким скачкам.
Список литературы:
1. Фиалков материалы. М.: Энергия, 1979.
2. Фиалков аспекты технологии изготовления расширенного графита/ , // Электроугольные и металлокерамические изделия для электротехники.- 1985.- С.65-72.
3. Веселовский и графитные конструкционные материалы. М.: Наука, 1966.
4. , , / Исследование свойств медных сплавов, предназначенных для пропитки пористых графитовых каркасов с целью создания металлоуглеродных композитов функционального назначения // Перспективные материалы, 2011. - №2. – С.60-65.
5. , , Крапошниа и контактное взаимодействие графита и алмаза с металлами и сплавами. М., «Наука», 1974, 109 с.
