Разработка и исследования композиционного материала для высокотемпературных электроконтактных узлов Добросмыслов, Сергей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы.

В последние десятилетия большое внимание уделяется разработке новых высокопроводящих химически стойких материалов для создания электроконтактных узлов, работающих в широком интервале температур от 20 до 950 С. Подобные электроконтактные узлы могут быть использованы в качестве нерасходуемых анодов в алюминиевой промышленности, электродов для стекловаренных печей, топливных элементов и электрорезистивных нагревателей.

Для электролизера с нерасходуемыми анодами одной из важнейших задач является разработка материала для несгораемых анодов, свойства которого должны удовлетворять определенным характеристикам.

В существующем процессе Холла-Эру применяют углеродистые аноды, в этом случае основная реакция электролиза выражается уравнением:

Al₂O₃ + 3 C ^{9800 C} > 2Al + 3 CO₂, (1)

Алюминий выделяется на катоде и образует расплавленную лужу на дне ванны, а кислород разряжается на аноде, реагирует с материалом анода и удаляется в виде CO₂ и СО (до 50 %). Отходящие газы содержат также канцерогенные полициклические углеводороды (наиболее известный среди них - бензопирен), фториды углерода. Кроме того, производство исходных материалов для анодной массы (кокс, пек) и самих анодов также сопровождается значительным количеством вредных выбросов. Разработка высокоэлектропроводящего и достаточно прочного материала, коррозионно-стойкого к среде электролита, позволит создать экологически чистые электролизеры высокой производительности. Наиболее перспективными материалами для анодов, как было показано в ранее проведенных исследованиях, являются высокопроводящие керамики на основе диоксида олова и керметы, устойчивые к термоударам.

А. И. Беляевым и Ю. В. Баймаковым впервые были испытаны аноды из оксидов Fe₂O₃, Fe₃O₄, NiO, Со₃0₄, Cr₂O₃, SnO₂, CuO и их соединений - ферритов, имеющих относительно невысокую растворимость в криолит-глиноземном расплаве и достаточно высокую для оксидов электропроводность. Электропроводность оксидов переходных элементов исследовалась Вагнером и его школой. Компанией Swiss Aluminium Ltd. получена серия патентов по способам изготовления анодов на основе SnO2. В этих патентах Alder рассмотрел композиции одного или нескольких оксидов следующих металлов: Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Zn, Sn, Pb (в пропорциях до 90 вес. %). Для этих композиций, называемых базовым материалом (матрицей), было добавлено до 10 вес. % оксидов следующих металлов: Ti, Zr, Hf, V, Mo, Ta, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, Ge, Cu, As, Sb, Bi, Ce. Alder сделал вывод, что лучшим составом является SnO₂ + 1-2 вес.% Sb₂O₃ + + 1-2 вес.% CuO. Galasiu и др. изучали свойства различных составов керамических анодов на основе SnO2.

При создании электроконтактного узла необходимо одновременно учитывать, что возникает серьезная проблема, связанная с токоподводом, из-за сильного различия коэффициентов линейного расширения (КЛТР) токоподводящего металла и материала анода и возможности высокотемпературного окисления контактного узла, находящегося в сильноагрессивной среде. Помимо этого задача осложняется низкой термодинамической устойчивостью к восстановлению большинства оксидов, пригодных к использованию в электродном материале, вследствие чего возникают проблемы: химической совместимости оксидных анодных материалов с металлическим токоподводом и контактным материалом, неустойчивости контактных пятен из-за диффузии и ионного переноса в условиях достаточно высоких рабочих температур и агрессивной окислительной атмосферы, низкой термомеханической совместимости с металлами и т. п.

В настоящее время в качестве электропроводящего компенсатора коэффициентов линейного расширения материалов предложены пенометалл или пористая среда, состоящая из металлических порошков или металлических сфер. Перспективным направлением является использование гетероструктурных материалов на основе пенометаллов с открытой пористостью, легкоплавких припоев и электропроводящих термополимеризующихся клеев. Применение последних позволит существенно улучшить требуемые эксплуатационные свойства электроконтактных узлов.

Эффективность электроконтактных узлов, работающих при высоких температурах и значительных токовых нагрузках и состоящих из металлического токоподвода, керамического или керметного тела анода, а также компенсатора КЛТР материалов, в первую очередь зависит от физико-механических и электрофизических свойств материалов, их составляющих. Физико-механические и электрофизические свойства материалов перспективных для проектирования контактных узлов, изучены, как показали литературные исследования, недостаточно. Кроме того, практически нет исследований поведения (деградации) узлов при высоких температурах, высоких значениях токовой нагрузки и длительном режиме работы.

В этой связи разработка и исследование материалов, которые могут составить основу для создания эффективных электроконтактных узлов, работающих длительное время при высоких температурах, токовых нагрузках и в условиях агрессивной среды, являются актуальными задачами.

Объект исследования - высокопористые металл (пеноникель) и гетероструктурные материалы на его основе, высокоэлектропроводящие, химически стойкие керамические материалы на основе диоксида олова, электроконтактный узел, работающий при температурах от 20 до 950 С и токовых нагрузках до 20 А.

Предмет исследования - методики получения и эксплуатационные свойства композиционных материалов для электроконтактных узлов, работающих в широком интервале температур.

Цель диссертационной работы - разработка, получение и исследование свойств новых композиционных материалов на основе пеноникеля и диоксида олова для высокотемпературных электроконтактных узлов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка материала компенсатора коэффициента теплового расширения для высокотемпературного электроконтактного узла (плотность тока около 10 А/см²) и улучшение электрофизических характеристик материала методом пропитки электропроводящими составами;

2. Разработка керамического материала на основе керамики 96 % SnO₂ - 2 % Sb₂O₃-2 % CuO для тела электрода (анода) и улучшение физико-механических и электрофизических характеристик;

3. Создание и испытание высокотемпературного электроконтактного узла на основе синтезированных материалов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались современные сертифицированные методы исследований и оборудование. Исследование физико-механических свойств образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 24468-80, ГОСТ 8462-85, ГОСТ 20419-83 при использовании измерительного комплекса Instron 3369. Удельное электросопротивление (УЭС) при диапазоне температур 20-950С измерялось четырехконтактным методом. Структура материала изучалась с помощью рентгенофазового анализатора XRD 6000 и электронного микроскопа JEOL JSM-6490 LV. Измерение теплопроводности и теплоемкости осуществлялось методом лазерной вспышки на установке LFA 457. Измерение КЛТР осуществлялось на дилатометре DIL 402 C. Моделирование процессов переноса тепла и электричества проводилось в пакете программ COMSOL Multiphysics 3.5а.

Положения, выносимые на защиту:

2. 1. Деформируемость позволяет получить надежное электроконтактное соединение, сталь/пеноникель и пеноникель/диоксид олова, что дает возможность рассматривать пеноникель как материал компенсатора тепловых колебаний;

   2. Снижение УЭС пеноникеля от 6 мкОм-м и 34,6 мкОм-м до 2,5 и 20 мкОм-м при 20 и 950 С, соответственно, путем использования серебра, наносимого электрохимическим методом, позволяет рассматривать гетероструктурный материал пеноникель-серебро в качестве компенсатора коэффициента теплового расширения для высокотемпературного электроконтактного узла;

   3. Повышение прочности от 150 МПа до 420 МПа и снижение пористости от 10 % до уровня менее 1 % при сохранении значений УЭС в условиях высоких температур для керамики 94 % SnO₂-2%Sb₂O₃-2 % CuO - 2%MnO₂ позволяет рассматривать данный материал как перспективный для тела электрода (анода);

   4. Снижения УЭС от 10 Ом-м до 3,2 мОм-м и 2,1 мОм-м при 20 до 400 С, соответственно, за счет добавки AgO в керамику на основе SnO₂-Sb₂O₃ позволяет существенно расширить спектр потенциальных применений материалов на основе диоксида олова;

   5. Электроконтактное соединение 94 % SnO2-2 % Sb2O3-2 % CuO-2 % MnO2 / пеноникель и серебро/сталь является перспективным для использования в качестве инертных анодов алюминиевых электролизеров.

   Научная новизна:

   2. 5. 1. Установлены закономерности влияния плоской деформации пенометаллов на их физико-механические, электрофизические и теплофизические свойства в интервале температур от 20 до 950 С;

         2. Отработана методика снижения УЭС пенометаллов путем создания гетероструктурного материала, позволяющая снизить УЭС от 6 и 34,6 мкОм-м до 2,5 и 20 мкОм-м при 20 и 950 С соответственно;

         3. Установлены закономерности влияния фазового состава на физико- механические и электрофизические свойства керамики на основе 96 %SnO₂-2%Sb₂O₃- 2%CuO и оксидов металлов Mn, Co, Ag;

         4. Впервые, показано что добавка 2%AgO в керамику SnO₂-Sb₂O₃ позволяет снизить удельное электрическое сопротивление с10 Ом-м до 3,2 мОм-м и 2,1 мОм-м при 20 до 400 С соответственно;

         5. Показано, что электроконтактное соединение 94 % SnO₂ -2 % Sb₂O₃-2 % CuO-2 % MnO₂ /пеноникель и серебро / сталь стабильно работает при температуре 950 С в течение 100 часов при силе тока 20 А.

         Практическая значимость и использование результатов работы.

         Полученный комплекс результатов позволяет создать основу по управлению высокотемпературными электрофизическими свойствами керамических материалов на основе диоксида олова, путем использования различных ультра дисперсных порошков(УДП) оксидов металлов.

         Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы при проектировании высокотемпературных электроконтактных узлов, работающих в условиях агрессивной среды и высоких плотностях электрического тока.

         Керамика состава 96 % SnO₂ - 2 % Sb₂O₃ - 2 % AgO может быть использована в качестве материала высокотемпературного нагревателя, работающего в агрессивных средах.

         Выбор технологии и исследование пенометаллов, гетероструктурных материалов на основе пенометалов и композиционных материалов на основе диоксида олова включены в курс лекций и лабораторных практикумов по дисциплине «Керамические и композиционные материалы» для студентов ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и магистров обучающихся по направлению «Теплофизика».

         Достоверность полученных результатов обеспечивается необходимым объемом экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов; непротиворечивостью исследованиям других авторов; использованием регистрирующего и испытательного оборудования, позволяющего достаточно точно осуществлять измерения требуемых параметров.

         Апробация результатов работы.

         Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике, Красноярск, СФУ, 2009 г.; V Всероссийская конференция «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», СибГАУ, Красноярск, 2009 г.; юбилейная X Всероссийская молодежная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-10), Екатеринбург, 2009 г.; Всероссийская Байкальская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам, Иркутск, 2009 г.; VIII Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века» (МК-44-90), Пенза, 2010 г.; XLVIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, НГУ, 2010 г.; Международная конференция «Новые перспективные материалы и Технологии их получения-2010», г. Волгоград, 2010 г.; Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11) Екатеринбург, 2010 г.; XVII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-17, Екатеринбург, 2011 г.; Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию, разработке новых материалов г. Томск 2011 г.; Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-12) Екатеринбург, 2011 г.; XVIII Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-18 Красноярск, 2012 г.; Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наноматериалы и нанотехнологии» г. Красноярск, 2012г.; Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-13) Екатеринбург, 2012.

         Публикации. Результаты научно-исследовательской деятельности опубликованы в 27 печатных изданиях, в том числе 9 журналах перечня ВАК.

         В рамках диссертационной работы под руководством автора, были выполнены и выполняются следующие проекты:

         2. 5. 4. 1. «Исследование физико-механических и электрических свойств высокопроводящих керамик на основе SnO₂. Разработка на их основе термоадаптивных высокотемпературных энергосберегающих электроконтактных узлов». Проект краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» за 2011 г., в рамках конкурса индивидуальный проектов студентов и аспирантов;

                  2. «Получение и проведение комплексного исследования физических и физико- химических свойств композиционного материала на основе диоксида олова и серебра». Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» номер контракта 14.740.11.1293 (2011-2012 гг.);

                  3. «Разработка физико-химических основ управления электрофизическими и теплофизическими свойствами керамических композиционных материалов на основе диоксида олова» проект РФФИ 12-03-31323(2012-2013 гг.).

                  Личный вклад автора. Автору принадлежат идея работы (частично), определение цели и постановка задач исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну, теоретическую и практическую значимость, получение экспериментальных данных, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и заключения для принятия решений, около 60 % результатов исследований в совместных публикациях.

                  Объем и структура диссертации. Материалы диссертационной работы изложены на страницах основного текста 135, рисунков 88, таблиц 13. Работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов, списка литературы из 106 наименований.

                  Похожие диссертации на Разработка и исследования композиционного материала для высокотемпературных электроконтактных узлов

                  

                  Разработка теоретических основ расчета уплотнительных узлов с деталями из порошковых материаловЭркенов Ахмат Чокаевич

                  Разработка и исследование диоксид циркониевых покрытий для теплонапряженных узлов изделий авиационной и ракетно-космической техникиСавушкина Светлана Вячеславовна

                  

                  Разработка и исследование композиционного материала, упрочненного полиэтиленовыми волокнамиГеров, Михаил Владимирович

                  Исследование и разработка порошкового композиционного материала на основе алюминия взамен бериллия и технологии его производства для изделий ракетно-космической техникиЗенина Марина Валерьевна

                  Исследование и разработка технологии получения высокопористых ячеистых материалов на основе никеля и железаДубынина Любовь Вячеславовна

                  

                  Разработка технологии получения и исследование свойств электродных материалов на основе вольфрама для интенсивных источников светаШуменко Владимир Владимирович

                  

                  Разработка и исследование процессов лазерной обработки композиционных материалов сталь СПН14А7М5-TiCМаранц, Александр Вадимович

                  

                  Разработка и исследование трехмерно армированных углепластиков на основе стержневых структур наполнителяГареев Артур Радикович

                  

                  Разработка и исследование технологического процесса получения углеродных тканей из гидратцеллюлозных волоконЧерненко Дмитрий Николаевич

                  

                  Исследование и разработка механохимической технологии получения карбидостали на основе стружкоотходов быстрорежущей стали Р6М5Ружицкая Елена Васильевна