Технология производства самовосстанавливающихся предохранителей с высоким позисторным эффектом на основе полимерных материалов Домкин Кирилл Иванович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния производства самовосстанавливающихся предохранителей на основе полимерных материалов . 11

1.1 Самовосстанавливающиеся предохранители в изделиях приборостроения 11

1.2. Свойства СВП 14

1.2.1 Физические принципы работы СВП 14

1.2.2 Электрические параметры СВП 21

1.3 Современные технологии получения СВП 28

1.3.1 Расплавная технология 30

1.3.2 Порошковая технология 32

1.3.3 Растворная технология 1.4 Исходные вещества для получения полимер-углеродных материалов 35

1.5 Анализ морфологии существующих образцов СВП 38

1.6 Выводы по главе 1 44

ГЛАВА 2. Разработка методики модификации полимер углеродных материалов 46

2.1 Исследование влияния поглощенной дозы -излучения на величину позисторного эффекта полимер-углеродных материалов 46

2.2 Разработка методики модификации полимер-углеродных материалов с варьированием дозы и времени облучения 52

2.3 Методика управления получением самовосстанавливающихся предохранителей с заданными свойствами 56

2.4 Выводы по главе 2 57

ГЛАВА 3. Разработка методики прогнозирования номинального сопротивления полимер-углеродных материалов 59

3.1 Исследование влияния структуры полимер-углеродных материалов на выходные параметры СВП 59

3.2 Исследование влияния технологических факторов на номинальное сопротивление СВП 64

3.3 Методика прогнозирования номинального сопротивления полимер-углеродных материалов с использованием атомно-силовой микроскопии 70

3.4 Технология производства самовосстанавливающихся предохранителей с высоким позисторным эффектом 74

3.5 Выводы по главе 3 77

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования эффективности технологии производства самовосстанавливающихся предохранителей с высоким позисторным эффектом 78

4.1 Экспериментальные исследования по выбору компонентов полимер-углеродных материалов для СВП 78

4.2 Изготовление экспериментальных образцов СВП . 83

4.3 Проведение экспериментальных исследований характеристик СВП полученных по разработанной технологии 89

4.4 Выводы по главе 4 95

Заключение 96

Список использованных источников

• Расплавная технология
• Разработка методики модификации полимер-углеродных материалов с варьированием дозы и времени облучения
• Методика прогнозирования номинального сопротивления полимер-углеродных материалов с использованием атомно-силовой микроскопии
• Изготовление экспериментальных образцов СВП

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время радиоэлектронная борьба (РЭБ) является одним из основных видов оперативного (боевого) обеспечения Ракетных войск стратегического назначения РФ, в ходе которого осуществляется воздействие на (РЭС) противника и защита своих систем от аналогичных воздействий.

Объектами РЭБ являются носители информации, электронные средства систем управления, связи и разведки, временная или полная потеря работоспособного состояния которых приведет к снижению эффективности применения вооружения.

Вопросы создания высоконадежных изделий специального назначения отражены в научных работах П.П. Мальцева, Р.П. Быстрова, К.А. Воротилова, А.С. Сигова и других отечественных и зарубежных ученых.

Развитие методов и средств РЭБ привело к тому, что все большую опасность приобретают технические средства силового деструктивного воздействия с использованием электромагнитного импульса, выводящие из строя электронное, коммуникационное и силовое оборудование. Поражающий эффект достигается за счт наведения В связи с этим появляются новые подходы в обеспечении заданного уровня надежности РЭС, в частности, применение самовосстанавливающихся предохранителей (СВП) на основе проводящих полимер-углеродных материалов.

Использование СВП позволяет:

снизить количество обслуживаемых элементов РЭС, т. к. сработавший СВП не требует замены;

сократить среднее время восстановления РЭС после силового деструктивного воздействия, поскольку восстановление СВП занимает время до 2с., что существенно меньше по сравнению с заменой предохранителя вручную.

Вопросы создания электрорадиоизделий на основе

самовосстанавливающихся полимер-углеродных материалов отражены в научных работах С.Л. Баженов, А.А. Берлин, А.А Кульков, В.Г. Ошмян, В.Е Гуль, Н. Г Рамбиди, В.Г Шевченко, А.Р. Хохлов, B. Zhou, R. Chalmers, J. Nelson, J. Elliott и других отечественных и зарубежных ученых.

В теории и практике диспергирования нанодисперсных частиц в
полимерах известность получили работы научных коллективов,

возглавляемых А.Д Помогайло, А.С. Розенбергом, И.Е Уфляндом, В.Г. Недорезовым, Ye. P. Mamunya и др.

Большое внимание рассмотрению технологических проблем создания СВП уделено в трудах Т.П. Каминской и С.В. Подшибякина.

Тем не менее, в этих работах недостаточное внимание уделено исследованию механизмов управления порогом перколяции полимер-углеродных материалов и прогнозированию выходных характеристик СВП.

Повышение порога перколяции полимер-углеродных материалов вызвано необходимостью повышения омического сопротивления СВП в режиме защиты, что позволит выдерживать требуемый уровень воздействия на РЭС.

Прогнозирование выходных характеристик СВП на основе анализа свойств исходных полимер-углеродных материалов позволит обеспечить высокую повторяемость выходных параметров изделий, что является основным недостатком существующих технологий получения СВП в России.

Таким образом, является актуальной задача совершенствования существующих технологий получения полимер-углеродных материалов для создания эффективных СВП, что позволит повысить надежность изделий приборостроения.

Целью диссертационной работы является повышение позисторного эффекта самовосстанавливающихся предохранителей и повторояемости их выходных параметров за счет совершенствования существующих технологий производства полимер-углеродных материалов.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих полимер-углеродных материалов для производства СВП с заданными параметрами.

2. Провести исследование методов модификации структуры полимер-углеродных материалов, обеспечивающих наилучшие характеристики СВП.

3. Разработать методику прогнозирования номинального сопротивления СВП, учитывающую структуру системных связей исходных полимер-углеродных материалов.

4. Разработать технологию создания СВП, обеспечивающую высокую повторяемость выходных параметров изделий.

5. Реализовать предложенную технологию на опытных образцах СВП.
Методы исследований базируются на положениях системного анализа,

теории вероятностей и математической статистики, теории надежности, теории электропроводности полимерных композиционных наноматериалов, теории перколяции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Методика прогнозирования номинального сопротивления СВП с использованием технологий атомно-силовой микроскопии, отличающаяся учетом структуры системных связей полимер-углеродных материалов на этапе производства, позволяющая получить высокий позисторный эффект и высокую повторяемость выходных параметров СВП.

6. Методика модификации структуры полимер-углеродных материалов СВП, отличающаяся применением гамма-излучения, что позволило повысить позисторный эффект.

7. Технология создания СВП, отличающаяся применением анализа двухуровневой макромодели полимер-углеродных систем, позволяющая обеспечить необходимую повторяемость выходных параметров изделий.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

увеличен позисторный эффект СВП на новых составах полимер-углеродных композициях на основе полиэтилена ПНДМА и углерода П267Э;

впервые разработана методика управления процессом сшивки полимер-углеродных систем, что позволило понизить количество брака при производстве самовосстанавливающихся СВП;

предложенная технология проектирования позволила подбирать рецептуру для полимер-углеродных композитов проектируемых самовосстанавливающихся предохранителей по заданным выходным параметрам, о чем свидетельствуют акты внедрения в промышленности.

Реализация и внедрение

Результаты исследований использованы при проведении следующих работ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы в следующих проектах:

«Разработка методов и средств контроля дисперсности микро- и нанопорошков и суспензий» (№ госрегистрации 02.740.11.0785 от 24.04.2010);

«Исследование научно-методологических и материаловедческих основ нанокомпозиционных резисторных структур и создание суперминиатюрных чип-резисторов и самовосстанавливающихся предохранителей на фазовом переходе первого рода» (№ П716 от 20.05.10);

«Производство композиционных материалов на основе метода определения оптимальных размеров частиц» (№ П416 от 12.05.10);

Также результаты исследований использованы при проведении научно-исследовательской работы «Тактика-2015» (ТТЗ МО РФ от 12.10.2013).

Материалы работы используются в учебном процессе на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий по дисциплине «Технология производства электронных средств», при курсовом и

дипломном проектировании по направлению 11.03.03. Результаты внедрения подтверждены соответствующим актом.

На защиту выносятся:

8. Методика прогнозирования номинального сопротивления СВП, обеспечивающая экономию исходных материалов более чем на 20%.

9. Технология сшивания полимер-углеродных материалов, позволяющая повысить их позисторный эффект с 10³ до 10⁵.

10. Технология создания СВП, основанная на модификации структуры полимер-углеродных материалов, обеспечивающая повышение повторяемости выходных параметров изделий на 15%.

11. Реализация структуры СВП на основе полиэтилена ПНД-МА и углерода П267Э, повысившая выход годных изделий СВП более чем на 10%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных симпозиумах «Надежность и качество» (г. Пенза, 2007-2015), на Международных конференциях молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2008-2013), на II и III Международных конференциях «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2008, 2010), на НТС ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа

соответствует паспорту специальности 05.11.14 – «Технология

приборостроения» по пунктам 3, 4 и 8 паспорта специальности.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в числе которых 7 в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография, получено 3 свидетельства о регистрации электронных ресурсов.

Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, выполненных в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, получении и анализе результатов исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 110 страницах и двух приложениях (приложение А на 5 листах, приложение Б на 4 листах). Список литературы включает 114 наименований.

Расплавная технология

Если возрастает не ток, а температура окружающей среды, элемент стабилизируется в устойчивом состоянии согласно уравнению (1.2) при более высокой температуре, возможно снова в точке 2 на рисунке 1.3. В эту же точку можно также попасть при одновременном возрастании тока и повышении температуры окружающей среды.

При дальнейшем возрастании тока или повышении температуры окружающей среды или при одновременном воздействии этих факторов температура элемента возрастает до значения, при котором начинается быстрый рост его сопротивления, см. точку 3 на рисунке 1.3.

При любом дальнейшем возрастании тока или повышении температуры окружающей среды скорость генерации тепла в элементе превышает возможную скорость его рассеивания в окружающей среде. Первая точка пересечения кривых выделяемой и рассеиваемой мощности смещается к температуре Т2. В этой точке наступает равенство выделяемой и рассеиваемой мощности. В результате температура элемента остается сравнительно стабильной и происходит своеобразное защелкивание элемента в сработавшем состоянии.

Температура Т2 лежит выше температуры фазового перехода в полимерном материале. Это означает что "сработавший" элемент достигает равновесного состояния при значительном активном сопротивлении элемента, которое вызывает соответствующее снижение тока в цепи. Пониженный уровень тока защищает цепь от повреждения. Возвращаясь к графику на рисунке 1.3, температура Т2 соответствует области значительного возрастания сопротивления и находится между точками 3 и 4. Этот участок и является нормальной рабочей областью для элемента в опрокинутом состоянии (после срабатывания).

Поскольку изменение температуры между точками 3 и 4 невелико член (Т — Т2) в уравнении (1.2) можно заменить константой (Тс — ТА), где Тс рабочая температура элемента. Тогда уравнение (1.1) можно переписать в следующем виде: I2R = = k(T0 -ГЛ). (1.4) Поскольку теперь к и (Т0 — ТА) - константы, уравнение (1.4) принимает сокращенный вид: IZR = у = const, (1.5) то есть теперь элемент находится в состоянии с постоянной мощностью. Определение этой постоянной мощности формулой Y подчеркивает, что сопротивление элемента в опрокинутом состоянии (после срабатывания) пропорционально квадрату приложенного напряжения. Это отношение сохраняется, пока сопротивление элемента не достигнет верхнего изгиба характеристики (точка 4 на рисунке 1.3). Что касается сработавшего элемента, то в течение периода, пока приложенное напряжение достаточно высоко для того чтобы результирующая энергия — компенсировала рассеивание к(Т0 — ТА), элемент остается в этом опрокинутом состоянии (то есть элемент остается «защелкнутым» в состоянии, обеспечивающем защиту).

После отключения напряжения питания прекращается выделение мощности в элементе. Благодаря продолжающемуся рассеянию мощности в окружающую среду элемент начинает остывать. При достижении температуры фазового перехода происходит восстановление кристаллической структуры полимерного материала и восстановление в нем токопроводящих цепей [40]. При этом сопротивление элемента быстро возвращается к исходному уровню. Начиная с этого момента элемент снова готов для дальнейшей работы. Таким образом, происходит «самовосстановление» предохранителя.

Основными параметрами, определяющими применимость конкретного СВП, являются ток пропускания, ток срабатывания и время срабатывания устройства. Ток пропускания (IH) - максимальный установившийся ток, который при указанных окружающих условиях может проходить через СВП без срабатывания этого элемента. Ток срабатывания (IT) - минимальный установившийся ток, который при прохождении через СВП при оговоренных условиях приводит к обязательному срабатыванию этого элемента [41]. На рисунке 1.4 приведен пример взаимосвязи этих двух параметров, а также зависимость токов срабатывания и пропускания от температуры окружающей среды. Такие кривые могут быть построены для каждого конкретного СВП. Область А определяет возможные комбинации тока и температуры, которые приведут к обязательному срабатыванию СВП (к переходу в высокоимпедансное состояние) и к защите цепи от перегрузки. Область В соответствует комбинациям тока и температуры, при которых элемент СВП всегда находится в низкоимпедансном состоянии и не препятствует нормальной работоспособности защищаемой цепи. Область Б соответствует области неопределенного состояния, в пределах которой СВП может находиться либо в низкоимпедансном, либо в высокоимпедансном состоянии в зависимости от разброса параметров каждого конкретного элемента.

Поскольку СВП обладают тепловым принципом действия, то любые изменения температуры окружающей среды оказывают влияние на параметры устройства. При повышении температуры окружающей среды меньше энергии требуется для срабатывания устройства и, таким образом, значения токов срабатывания и пропускания уменьшаются [42].

Разработка методики модификации полимер-углеродных материалов с варьированием дозы и времени облучения

Для определения технологических параметров создания специальных пластмасс для СВП был проведен комплексный анализ морфологии, состава, структуры, термических и электрофизических свойств полимер-углеродного композита Bourns.

Морфология материала изучена методом сканирующей электронной микроскопии [82] с локальным анализом состава рентгеноспектральным методом с энергодисперсионным анализатором. На рисунках 1.7 – 1.10 представлен вид поверхности композита во вторичных электронах. Морфология поверхности типична для сшитого полимера, размер макропустот составляет 5 – 10 мкм. Повышение увеличения позволяет идентифицировать частицы с размером менее 100 нм. Локальный анализ состава проведен в трех точках, результаты представлены на рисунке 1.11. В массе образца (рисунок 1.7) содержание углерода по данным локального рентгеноспектрального анализа (ЛРСА) составляет 96 масс.%. В образце обнаружены включения KCl (рисунок 1.11). В образце также можно обнаружить примеси кислорода и натрия. В связи с тем, что образец состоит преимущественно из легких элементов, точность определения состава таким методом не велика.

Интегральный состав материалов анализировался методами количественного элементного анализа, ИК спектроскопии (углеродно/полимерный композит) и лазерной вторичной масс спектрометрии (электроды). Результаты анализа позволяют оценить массовую и объемную долю диспергированного углерода в предположении, что в качестве полимера был использован полиэтилен (CH2)n. Полученное значение концентрации диспергированного углерода значительно превышает минимальную величину, необходимую для образования перколяционного кластера 17 об. % (30 вес.% углерода в полиэтилене.). Рисунок 1.7 – Вид поверхности композита во вторичных электронах в

При пересчете использованы средние величины плотности полиэтилена 0,96 и углерода 1.9 г/см3. Таким образом, учитывая также результаты ЛРСА, установлено, что использованная технология предусматривает значительный избыток углеродной сажи, часть углеродных кластеров может занимать макроскопические пустоты, их роль в работе СВП остается неопределенной и требует дальнейшего анализа.

Молекулярный состав композита Bourns определен методом ИК спектроскопии на приборе FTIRPerkinElmer 1600, анализ проведен как в твердой фазе порошка композита, смешанного с бромидом калия, так и раствора нанокомпозита в до декане. ИК спектры поглощения представлены на рисунках 1.12 и 1.13. Обнаружено, что в образце, однозначно, присутствуют группы -СН2- (полиэтилен), однако длинные цепочки из них отсутствуют, иначе была бы полоса 720 см-1, ее нет. Есть конденсированная ароматика, не имеющая протонов, очень похоже на графит. Присутствуют полосы, указывающие на окисление, образование связи С = О и достаточно интенсивные полосы воды. В ряде спектров присутствует пик 1720 см-1, который может указывать на использование акриловой кислоты или добавок полиметилметакрилата.

Исследование состава металлической фольги, использованной для электродов, проведено методом лазерной вторичной масс-спектрометрии на приборе ЛАММА 1000, Лейбольд. Полученные масс-спектры указывают на то, что материалом электродов является медная фольга, покрытая тонким слоем никеля.

ИК спектр поглощения полимер-углеродного композита в растворе Анализ зарубежных источников показывает, что существует большой разброс экспериментальных данных об электрофизических свойствах полимер-углеродных композитов [83]. Следует заметить, что эти свойства зависят от многих факторов, таких как прочность связи, наличие дефектов структуры, размера зерен, распределения углерода в полимерной матрице. Прогнозирование электрофизических свойств представляет собой сложную задачу [84]. На рисунке 1. 14 представлена корреляция сопротивления для различных партий образцов из полимер-углеродного композита в зависимости от их теплового расширения, что свидетельствует о широком разбросе их выходных параметров. На рисунке 1.15 приведены температурные зависимости сопротивления полимерных композиций импортных образцов [85].

Корреляция сопротивления для различных партий образцов из полимер-углеродного композита в зависимости от их теплового расширения Рисунок 1.15 – Температурная зависимость сопротивления полимерных композиций импортных образцов Анализ этих данных показывает, что существующие технологии получения полимер-углеродных композитов недостаточно эффективны для получения достаточной величины позисторного эффекта.

Проведен анализ современного состояния технологий изделий специального приборостроения на основе полимер-углеродных материалов, определены задачи исследования. Сделан вывод, что использование СВП в ЭС позволяет увеличить ремонтопригодность, снизить среднее время восстановления системы, а также снизить количество обслуживаемых элементов в системе, т. к. сработавший СВП не требует замены.

К сдерживающим факторам широкого распространения СВП следует отнести следующее: – сложность прогнозирования выходных параметров СВП (в частности номинального сопротивления) связанная с недостаточно изученными механизмами формирования морфологии полимер-углеродных материалов; – недостаточно эффективные технологии получения необходимой величины позисторного эффекта; – отсутствие технологий производства полимер-углеродных материалов обеспечивающих необходимую повторяемость их выходных параметров СВП. Исследованию указанных факторов и поиску путей их решения посвящены следующие разделы настоящей работы, поскольку все современные подходы к формированию структуры (морфологии) полимер углеродных материалов видят решение задачи получения полимерно– углеродных СВП с требуемыми параметрами только за счет подбора известных или получения новых типов исходных материалов, а так же комбинации их процентного соотношения, что исчерпало свои технологические возможности.

Методика прогнозирования номинального сопротивления полимер-углеродных материалов с использованием атомно-силовой микроскопии

Результаты проведенных исследований [85, 91, 92, 103, 105, 108 – 110] позволили предположить, что эффективно управлять свойствами полимер углеродного материала можно изменяя его морфологический состав, что позволило предложить обобщенную схему использования методологии управления получением СВП с заданными свойствами, которая представлена на рисунке 3.19. Ее суть заключается в следующем. По заданным электротехническим параметрам СВП инженер-технолог осуществляет подбор исходных материалов для полимер-углеродного материала (на основе известных методов [85, 105, 111 – 113]). Далее следует производство образца. Традиционно после этого из полученного полимер-углеродного материала изготавливают экспериментальную партию СВП, после оценки электротехнических параметров которой, можно сделать вывод о целесообразности запуска в производство опытной партии.

Для того чтобы повысить соответствие фактических параметров заданным здесь используется рассмотренная ранее авторская методика прогнозирования номинального сопротивления СВП на основе АСМ-анализа морфологии полимер-углеродного материала [85, 105]. Положительный эффект применения методики заключается в том, что при существенном расхождении требуемого результата с прогнозируемым, можно изменить состав полимер-углеродного материала до начала дорогостоящего этапа производства экспериментальной партии СВП.

Кроме этого, в технологический процесс впервые введен этап гамма облучения полимер-углеродного материала. Это необходимо для того, чтобы повысить величину позисторного эффекта СВП. Выбор интенсивности, дозы и времени облучения проводится на основе авторской методики и соответствующего программного обеспечения [110], внедренного в производственную деятельность. Следует также отметить, что согласно экспериментальным данным полученными в «НИИ Атомных реакторов» (г. Дмитровград) оптимальная доза облучения составляет 5 Мрад (рисунок 2.1). Во время проведения эксперимента образцы ПУС были подвергнуты воздействию -излучения на время от 25 мин до 150 мин, а поглощенная доза -излучения составила от 5 до 25 Мрад, соответственно. После облучения эффект наведенной радиации в образцах отсутствовал.

Этапы технологии получения СВП с заданными свойствами Подбор исходных материалов Производство образцаполимер-углероднойсистемы Гамма-облучениеполимер-углероднойсистемы Производствоэкспериментальнойпартии СВП і і 4 V Проведение АСМ анализа полимер-углеродной системы Выбор дозы гамма-излучения (на основепредложеннойавторской методики иразработанного ПО) 1 Прогнозированиеэлектротехническихпараметров СВП (на основепредложенной авторскойметодики и разработанногоПО) І ; V Оценка фактическихэлектротехническихпараметров СВП 1 Г Инженер-технолог Задание требуемых электротехнических параметров СВП Рисунок 3.19 - Методика управления получением СВП с заданными параметрами (заливкой выделены блоки, показывающие место авторского метода прогнозирования номинального сопротивления СВП в общей структуре методологии) Процесс приготовления углеродно-наполненной полимерной композиции осуществляется по следующей схеме.

В реакционную камеру микросмесителя, нагретую до 200 С, через загрузочное отверстие при вращающихся с минимальной с скоростью роторах небольшими порциями поступает гранулированный полиэтилен [92]. 2. В расплавленную массу полиэтилена вводятся небольшие (0,5 - 1%) количества специальных веществ-добавок.

Термостабилизирующая добавка (оверокс ФН-41, диафен НН и т.п.) вводятся с целью предотвращения деструкции полиэтилена как в процессе приготовления композиции на начальном этапе, так и в процессе эксплуатации резисторов.

Назначение второй добавки (стеариновой кислоты) состоит в обеспечении лучшего диспергированию частиц углерода и, следовательно, более равномерному распределению наполнителя в полимерной матрице композита.

Далее в реакционную камеру смесителя небольшими порциями при постоянном перемешивании добавляется порошкообразный углерод. После полного смачивания наполнителя расплавом скорость вращения роторов смесителя увеличивается до максимальной ( 70 - 75 об./мин) и процесс перемешивания продолжается в течение 5 - 7 минут при максимальной скорости.

Приготовленная масса выгружается из смесительной камеры, охлаждается, измельчается и вновь загружается в разогретую до 200 С камеру смесителя.

Такая многократность перемешивания, охлаждения, измельчения и вновь перемешивания в расплаве способствует формированию структуры композита с более равномерным распределением углеродных частиц в полиэтилене [92]. Полный технологический процесс приготовления композиции состоит из 3 - 4 таких циклов.

Приготовленная композиция затем прессуется в соответствии с разработанным технологическим процессом в пластины-диски толщиной 0,4 -0,5мм,диаметром не более 10 см в гидравлическом прессе (давление не выше 10 атм.) с обогреваемой пресс-формой. Приготовленный полимерно-углеродный композит в виде пластин-дисков поступает далее на следующую технологическую операцию по прессованию электродов, которая предполагает припрессовку композита к проводящей фольге.

На основе проведенных исследований были получены аналитические зависимости порога перколяции от параметров структуры полимер-углеродного материала, а также получены концентрационные зависимости сопротивления СВП. Показано, что порог перколяции полимер-углеродного материала определяется его структурой и рецептурой. Разработанная методика прогнозирования номинального сопротивления СВП доведена до алгоритмической и программной реализации. Проведенные экспериментальные исследования показали, что ее применение позволяет после обработки информации о структуре полимер углеродного материала, полученной в результате АСМ-анализа, осуществить эффективное прогнозирование номинального сопротивления для экспериментальной партии изделий. Методика прогнозирования номинального сопротивления СВП с использованием технологий атомно-силовой микроскопии, учитывающая структуру системных связей полимер-углеродных материалов на этапе производства, позволила получить высокий позисторный эффект и высокую повторяемость выходных параметров СВП (снижение брака с 34 до 14%).

Изготовление экспериментальных образцов СВП

Горячее прессование полученной массы (навеска 0,3 г) для получения пластин диаметром 32 мм и толщиной 0,3 мм. Температура греющих плит 180С, давление 3000 кг/см2, длительность выдержки 30 мин, охлаждение до комнатной температуры под давлением.

Во всех случаях по растворной технологии были получены образцы с использованием углерода УМ-76 и полиэтилена низкого давления ПЭНД 277-73.

Во всех случаях отмечается немонотонность кривых зависимостей R(T), плохая воспроизводимость кривых при охлаждении образцов и высокое номинальное сопротивление. Все эти эффекты могут быть связаны с присутствием части растворителя в композите, который может существенно влиять на электрические свойства материала. Максимальное значение позисторного эффекта не превышает 103. Образец № 31 оказался очень высоко резистивным и его электрические свойства не были измерены.

Все зарубежные ведущие фирмы в мире – производители СВП в качестве токопроводящих электродов, гарантирующих равномерное распределение электрического потенциала по всей площади СВП, используют медные пластинки толщиной 0,04 – 0,05 мм, имеющие малое удельное сопротивление. Наиболее перспективным методом формирования токопроводящих электродов является метод горячего прессования медной фольги на полимерно-углеродный композит. Процесс заключается в следующем. В разогретую до температуры 170 180 С пресс-форму укладывается заготовка медной фольги толщиной 35 мкм, на нее помещается пластина из полимерно-углеродного композита, а сверху укладывается вторая заготовка фольги. Пресс-форма устанавливается на горячий пресс, который сдавливает пресс-форму с давлением до 200 т/см2, выдерживается под давлением одну минуту, затем снимается с пресса. Заготовка резистивного элемента с отпрессованными электродами изымается из пресс-формы. Затем эта заготовка разрезается на резистивные элементы необходимых размеров.

Следует отметить, что в ходе отработки формирования токопроводящих электродов на полимерно-углеродный композит методом горячего прессования определилась проблема, связанная с недостаточной адгезией фольги к полимеру. Фольга, изготовленная традиционным способом прокатки через валки, имеет с обеих сторон гладкую поверхность и, прилегая поверхностью к полимерному слою, она имеет недостаточную адгезию к нему. Поэтому была найдена специальная фольга NTWHE (IPC-4562/3) CuE3, которая изготавливается по специальной технологии. Одна сторона этой фольги имеет развитую шероховатую поверхность.

При горячем прессовании основа полимерно-углеродного композита подплавляется и внедряется между гранулами шероховатости, что создает надежный электрический контакт с требуемыми адгезионными свойствами. Для монтажа самовосстанавливающихся предохранителей в электронной аппаратуре к токопроводящим электродам резистивного элемента припаиваются ленточные выводы, изготовленные из никеля толщиной 0,15 мм [92].

Ввиду специальных свойств полимер-углеродного композита не допускается длительный перегрев композита. Поэтому традиционные методы пайки выводов паяльником или окунанием в расплав припоя в данном случае неприемлемы, т.к. температура жала паяльника или расплава припоя в ванне при пайке должна быть не менее 250 С. За основу взят метод пайки припойными пастами. Припойные пасты наносятся на спаиваемые поверхности тонким слоем, толщиной приблизительно от 0,5 до 0,8 мм, затем соединяются и подвергаются кратковременному нагреву в течение 0,8 1,0 мин. Паста при этом оплавляется, обеспечивая надежное соединение деталей. Учитывая, что процесс оплавления припойных паст сравнительно кратковременный и происходит при температурах не выше 220 С, такой метод присоединения выводов к резистивному элементу может быть использован при изготовлении самовосстанавливающихся предохранителей.

В соответствие с максимальной величиной позисторного эффекта, три состава полимерного композита, синтезированного по расплавной технологии, с содержанием 36вес.% ацетиленовой сажи № 7 и 17, а также 45 вес.% графита № 16 были использованы для изготовления макетных образцов. Образцы представляли собой плоские пластины толщиной 0,3мм и линейными размерами 3 х 7 мм. Плоские контакты были изготовлены из Ni фольги. Зависимость электрических свойств макетных образцов от температуры представлена на рисунке 4.9. Обнаружено, что образцы характеризуются позисторным эффектом не более 103, при этом номинальное сопротивление образцов может быть уменьшено за счет уменьшения толщины слоя только до величины нескольких Ом, что недостаточно для создания самовосстанавливающихся предохранителей. Анализ величины тока в цепи от приложенного напряжения (рисунок 4.9) обнаружил эффект уменьшения величины тока с ростом напряжения (соответствующий позисторному эффекту), однако при дальнейшем повышении приложенного напряжения наблюдается пробой материала, что крайне нежелательно для предохранителей и не наблюдается в материале BOURNS.