CN1344235A - 复合导电材料 - Google Patents

Abstract

一种复合导电材料,可以在很宽的应用范围内用作电热部件,在高温作业的条件下而不会影响它的物理特性,其包括作为粘结剂的快硬水泥、作为导电组分的胶态石墨和作为热稳定填料的反增塑物质,例如火泥、辉绿岩、石英砂或它们的混合物。

Description

复合导电材料

本发明涉及一种复合导电材料，包括至少一种水泥基粘结剂；至少一种碳基导电组分；和热稳定的填料。

本发明还涉及所说材料的应用，特别是其以下用途：作为电能工业、建筑和民用结构建筑业和农业中的电热元件。

上述具体类型的几种材料为本领域技术人员所知，由波特兰水泥和碳质材料像工业煤、炭黑等等制成，其特征在于具有高的颗粒碎裂(particlefragmentation)。

然而，如果这种材料被加热到高温时，特别是在长期作业下会非常不稳定。

事实上，波特兰水泥组分，特别是形成所谓硅酸盐水泥熟料的水化矿物，由于再结晶作用而常受到热破坏(thermal decay)。

在120℃以上时，含硫酸盐相和含水合铝酸盐相发生脱水，直到其完全分解，引起复合材料的电性能非常不稳定。

而且，普通的碳基组分，特别是提供最好电气性能的炭黑，特别是在高于400℃的温度下，易受氧化作用。

在各个碳颗粒之间的接触点处容易达到这一温度，在这些接触点电阻和发热量达到最高值。

因此，氧化会不可逆转地使材料降级，导致总的电阻增加。

本发明的技术方案是提供一种复合导电材料，可以克服现有技术中提到的问题。

使用下述特征的材料克服了这种问题，其特征在于所说的粘结剂包括快硬水泥；所说的填料包括反增塑物质；和所说的导电组分包括胶态石墨。

本发明复合导电材料的主要优点在于：在足够高的温度下可以使用其作为电热元件，且适用于长时间作业。

在下文中通过下列方式公开本发明：以实施例的方式给出其最优方案和一些优选的应用，但不是用于限制的目的，并参考下列实施例和附图，其中：

*图1是一种使用本发明复合材料的加热件的图解剖面图；

*图2是应用于中央供暖系统的使用图1部件的加热装置的第一个实施方案；

*图3用示意图详细地描述了图2和4的装置；

*图4是应用于局部供暖系统的加热装置的第二个实施方案；

*图5是在使用图4装置的桥路面层(carpet)的图解剖面图；

*图6是图5面层的详细示意图；

*图7是图6中局部的示意图；和

*图8是图1部件的另一种应用的图解视图。

在最一般的情况下，本发明的复合导电材料，在其具体的组成中通常可称为胶凝材料(cement)，包括四个主要组分：水泥基粘结剂；一种碳基导电组分；一种热稳定的填料；和水，在下文中将说明其百分比。

将通常被认为快硬的、大约在1200℃的温度下保持接近恒定的物理力学特征的水泥作为粘结剂。

快硬水泥的重量百分数为34％到50％。

为了限制其可塑性，本发明的复合材料包括作为热稳定的填料的反增塑物质。

反增塑物质的目的是在高温下可与水泥石中的游离氧化钙CaO结合。当没有此结合效应的时候，这种氧化钙的形成会引起固体材料的破坏。

在所说材料的优选变化方式中，所说的反增塑物质是选自火泥(即基本上由粘土组成，燃烧到完全脱水，然后压碎而成的人造反增塑材料)、辉绿岩、石英砂及其混合物。

作为热稳定填料的反增塑物质的重量百分数不超过53％。

特别地，火泥对CaO粘结剂是特别有效的。

按照本发明更优选的方案，所说的复合材料包括作为反增塑物质的火泥和石英砂的混合物，相互重量比基本上为0.5到2.0。

特别地，所说的材料中火泥含量不低于15％(重量百分数)。

关于反增塑物质的颗粒尺寸，它们优选为0.1毫米到2.5毫米。

特别地，火泥颗粒尺寸为0.1毫米到2.0毫米，优选为0.15毫米到0.20毫米。

关于导电组分，该复合材料包括胶态石墨。

可以理解：对于胶态石墨来说，由小薄片组成的石墨易于细分散到混合物中。

优选地，所说的复合导电材料含有2％到17％(重量百分数)，优选为3％到15％的胶态石墨。

通常，所说的复合导电材料是由含下列组分重量百分数的混合物制造的，所说的百分比包括最小值和最大值：

表1

	最小值	最大值
			快硬水泥	34％	50％
第一种填料	1％	45％
			第二种填料	1％	52％
胶态石墨	2％	17％
			水	足量到100％(q.s.to 100％)

其中所说的第一种填料是反增塑物质，选自火泥、辉绿岩及其混合物，而其中所说的第二种填料是石英砂。

所说的百分比是以其干重计。

将这些干组分混合，并混合5到7分钟。然后，加入需要的水量，并将由此获得的混合物混合3分钟以上。

使用所说的混合物，可以获得电热部件，当其通过电流，即施加电压时，易于产生热量。

当获得此部件之后，此部件具有可以在高于100℃的温度下长期作业的基本稳定的电性能。

下面是获得所说的部件的方法：

将适量获得的混合物浇注到模子中。导线，即裸线，安装在模子内部预定的地方。

接着，在预定压力下对模子中的混合物加压。

从此成型步骤中获得的湿制品经过水热处理，然后干燥。

用作电热类型的加热件的最终产品还具有显著的热容量，一旦它适当地加热过，即使在停电的过程中，也能够释放出热量。

实施例

用上述制造工艺生产四种不同的样品，命名为A、B、C和D，其特征在于在表2中公开了不同的组成。该值是用重量百分数表示的。

所说的样品是圆柱状：长度为50毫米和直径为50毫米。

表2

	A	B	C	D
					石英砂	19.0	20.0	18.5	18.0
快硬水泥	36.0	36.0	40.5	36.0
					火泥	29.0	20.0	30.0	30.0
胶态石墨	6.0	15.0	2.0	17.0
					水	10.0	9.0	9.0	9.0

在施加电压之前，测试样品的初始物理力学特性。所得到的其电阻和机械强度列于表3中。

表3

	A	B	C	D
					电阻(欧姆)-Ro	8.5	4.1	47	2.8
机械强度	28.3	18.9	36.4	4.4

这种特性基本上与由已知组成：使用波特兰水泥和炭黑制备的样品获得的那些特性相当。

这种样品A、B、C和D经过施加可变的电压，以致于最初产生的热能Wo等于64W。

通过供给它们能量使所说的样品升高到150℃。为了模拟不同的长期作业，在100小时、500小时和1000小时之后测试所说的性能。

为了保持电流不变，在测试中使用不同的电压值。

表4记录了测试结果。特别地，100小时之后的电阻用R1表示，500小时之后的电阻用R2表示，和1000小时之后的电阻用R3表示；输出的电功率分别用W1、W2和W3表示；所说的输出电阻R1、R2、R3与所说的起始电阻的比例；以及所说的输出功率W1、W2、W3与初始电功率Wo的比例，对于每种样品来说，这些都比较显著。

表4

100小时之后	A	B	C	D
					R1(欧姆)	8.8	4.2	55.5	2.83
W1(瓦)	62.1	62.7	54.4	63.4
					R1/Ro	1.03	1.02	1.18	1.01
W1/Wo	0.97	0.98	0.85	0.99
					500小时之后	A	B	C	D
R2(欧姆)	8.9	4.2	58.8	2.85
					W2(瓦)	60.8	62.1	51.2	62.7
R2/Ro	1.05	1.03	1.25	1.02
					W2/Wo	0.95	0.97	0.80	0.98
1000小时之后	A	B	C	D
					R3(欧姆)	9.4	4.3	62.5	2.90
W3(瓦)	57.6	60.8	48	60.8
					R3/Ro	1.11	1.05	1.33	1.05
W3/Wo	0.90	0.95	0.75	0.95

此测试结果的分析证实：石墨百分比超过此范围极限值的样品，其有关的物理性能变化在5-10％的范围内。

显然，石墨含量低(2％)的样品C保持良好的力学特性，而且具有高的电阻，延长了该样品保持在高温下的时间。

此外，很明显，虽然石墨含量高(17％)的样品D具有良好的电性能，但是不具有良好的力学特性。

证明了样品A、B、C、D的热容量可与广泛使用于建筑的传统红砖相匹敌。

***

从上述复合材料中可知，它可以制造电热加热件，用于建筑区、建筑的集中供暖、农业活动，即使在寒冷地带(例如寒冷地区和/或冬天)，土壤加热也使园艺栽培成为可能，还用于房间或小屋或马房的墙壁局部加热，用于为了防火而要求加热件温度低的巨大区域。

为了达到可接受的安全程度，特别是对与所说的复合材料接触可以引起的触电的情况，应该使用低压电源对所说的加热件供电。

而且，所说部件的表面可以有利地涂覆一层或多层绝缘清漆，涂覆去除了导电组分的复合材料的绝缘层、涂覆防水材料层和绝缘材料层例如陶瓷板、聚合物塑料，特别是聚乙烯、薄膜等等。

这些保护层可以单独地或组合地涂覆，以满足不同的使用条件。

参考图1，说明电热的加热件1包括由这里描述的绝缘导电材料制成的核心2。

核心2具有第一内涂层，由不含胶态石墨的所说复合材料制成，依次具有第二内涂层4，由绝缘清漆制成。

此外，所说的部件1具有包括陶瓷板的第一外涂层5，其涂覆在所说的第二内层4上。

最后，部件1具有由塑料薄膜制成的第二外层6，优选是聚合物类型的薄膜。

对于上述规定类型的部件来说，加热装置中流过热载体例如空气，其位于在建筑物的集中供暖系统内的管道，以此可以实现本发明。

参考图2，上述规定类型的加热装置整体用10表示。

它包括热流动载体的通道11，具有进口处12和出口处13。

所说的通道11是受墙壁限定，该墙壁是按照加热区14(由本发明所说的复合导电材料制成)和绝缘区15(例如由通常的不导电的水泥制成)的顺序制成，所说的区14，15整体由外壳16支承。

区段14包括许多前述类型的加热件并且使在它们之间电连接。它们按照图3方框图所示的供电方法合适地供电，整体用20表示。

它们包括连接到电源22上的多路开关选择器(multiplexer)21，提供电源电压Ve，并且由既定程序的控制器23控制。

从此系统中可知：由于其令人满意的特殊的热容量，交流电源可以向所说的区段14供电。

特别是，在任何时候，例如可以用1kW供给加热区段14。

各个区段14的供电时间由其热惯性(thermal inertia)确定。例如，所说的供电时间可以为20-30秒。

因此，根据需要的热能和各个区段的热惯性可以选择加热区段的数量。

不同于已知类型的装置：包括共同用电源(化学的、热量的等等)供电的加热件，本发明加热装置其特征在于低电耗和可以忽略的热损耗，这是由于其绝热结构的原因。

参考图4，根据其第二个优选实施方案，使用加热装置30使房间31的墙壁，特别是所说房间的地板32变暖，而且它包括用加热件35的支承结构34覆盖的干砌石基础结构33，该加热件由本发明的复合材料制成，且形成被分为加热区段的加热层。

地板2在干砌石基础33和加热层之间还包括热绝缘36。在后者之上，地板包括传统的外复盖层37。

用图3的供电方法20给装置30供电。

即使由所说的复合材料制成的加热层，在楼板绝缘和较低的功率消耗方面的优点是明显的。

在上述规定类型的加热装置中，可以有利地采用所说的复合材料，在其交界区域的下方，预先设置用于加热的路面面层，该地面易经受结冰点，从而影响交通工具和行人的交通安全。

特别地，有利的使用集中在桥路的路面面层，特别是暴露于全天候条件并具有带金属部分的路面区段结构，其相对于该位置易于形成导热通道，这特别易受此问题的影响。类似的应用可以是山路、人行道，其是在荫凉处或以某种方式暴露于寒冷、滑道(skid pads)等等。

以加热板形式的复合材料层可以位于易受交通影响的层(例如由沥青制成的)之下。

选择这种板的面积和大小，以便它们不受路面面层负荷的影响，而且用这种方式，所说的负荷可转移到道路或桥路的支承结构上。

参考图5，用示意图说明桥路40的横截面，其由侧面支柱42支承中央区段41。

在中央区段41上，桥路40包括路面面层43，其具有一易受交通影响的由普通沥青制成的面层44，其厚度大约为20毫米。

此外，路面面层43具有支承层45，直接放置在钢筋混凝土板中的所说中央区段41之上。

在层44和支承层45之间，路面面层43包括许多如上所述的加热板46。

后者是用电源装置47供电的，其包括主输电线48和电源控制设备49，该设备包括适合的变压器和开关(图6)。

如图7所示，该板46连续地用互连线60彼此连接，其包括螺纹连接各个板46的凸件61，其与也螺纹连接的对应的有内螺纹的部件62相齿合。

所说的板46连续地连接，其被分成分区50，各个分区并联连接组成电源区段51，也就是说连接到所说的主线上。

控制器依次连接到表面上和板46中的传统类型的温度计(未示出)上，输出到所说的组中。

显然，所说的板46将根据下列气候条件来供电：特别是路面温度和风速，风速的增加必然增加因对流而引起的热损失。

例如，在上述结构条件下，在风速低于10米/秒和室外温度不低于-5℃的条件下，产生40℃温度的板46可以保持沥青表面温度为5℃。

参考图8，描述所说复合导电材料的最后优选的应用，农业综合结构70包括位于温室结构72内的土壤上层，易于保护具有地下根74、在所说的土壤上层71中生长的栽培植物(cultivation)73。

在深度为0.4米到0.5米处，结构70包括相互电连接(76)并适宜距离为0.5到1.0米的加热板75。

板75连接到与图5，6，7中的装置47相似的电源装置76上，其包括电源控制设备和反馈温度计。

即使在冬季时间和/或在北方国家的寒冷或结冰的场地上，通过合理的温度调节也可以保持适合于所说的栽培植物根的生存和生长的温度。

显然，板75可以或者位于相应的温室结构中，或者不位于相应的温室结构中。

对上述复合导电材料及其应用，为了满足更进一步的和偶然的需要，所属技术领域的专业人员还可以作出改进和变化，然而，所有的改进和变化都在本发明附加权利要求所定义的保护范围内。

Claims (22)

1.一种复合导电材料，包括至少一种水泥基粘结剂；至少一种碳基导电组分；和至少一种热稳定的填料，其特征在于所说的粘结剂包括快硬水泥，所说的填料包括反增塑物质，而所说的导电组分包括胶态石墨。

2.根据权利要求1的复合导电材料，其中包括重量百分数为34％到50％的快硬水泥。

3.根据权利要求1的复合导电材料，包括重量百分数为2％到17％，优选为3％到15％的胶态石墨。

4.根据权利要求1的复合导电材料，其中所说的反增塑物质包括重量百分数不超过53％的火泥、辉绿岩、石英砂或它们的混合物。

5.根据权利要求4的复合导电材料，其中所说的反增塑物质包括火泥和石英砂的混合物，火泥与石英砂的比例为0.5到2.0。

6.根据权利要求4或5的复合导电材料，其中火泥的重量百分数不低于15％。

7.根据权利要求4-6的任何一项的复合导电材料，其中火泥的颗粒尺寸为0.1毫米到2.0毫米。

8.根据权利要求4-6的任何一项的复合导电材料，其中石英砂的颗粒尺寸为0.1毫米到2.5毫米。

9.根据权利要求7的复合导电材料，其中火泥的颗粒尺寸为0.15毫米到0.20毫米。

10.根据权利要求1的复合导电材料，是由下列重量百分数组分的混合物制造的，所说的百分比包括最大值和最小值： 最小值 最大值 快硬水泥 34％ 50％ 第一种填料 1％ 45％ 第二种填料 1％ 52％ 胶态石墨 2％ 17％ 水 足量到100％

其中所说的第一种填料是选自火泥、辉绿岩及其混合物的反增塑物质，其颗粒尺寸为0.15毫米到0.20毫米，和所说的第二种填料是石英砂。

11.一种加热件(1)，包括由权利要求1到10任何一项的绝热导电材料制成的且装备有电线的核心(2)。

12.根据权利要求11的加热件(1)，其中所说的核心(2)包括至少一种涂层(3，4，5，6)。

13.根据权利要求12的加热件(1)，其中所说的至少一种涂层是绝热的。

14.根据权利要求12或13的加热件(1)，其中所说的至少一种涂层是防水的。

15.根据权利要求14的加热件(1)，其中所说的至少一种涂层是由选自下列的材料制成的：去除了导电组分的复合导电材料；绝缘清漆；陶瓷；塑料，特别是聚合物塑料、薄膜。

16.一种加热装置(10；30)，包括一系列由权利要求1-10任何一个的绝热导电材料制成的加热区段(14；35)。

17.根据权利要求16的加热装置(10；30)，其中所说的加热区段(14；35)包括许多相互电连接的加热件，其由电源装置(20)供电。

18.根据权利要求17的加热装置(10；30)，其中所说的电源装置(20)包括连接到电源(22)的多路开关选择器(21)，所述电源(22)提供电源电压(Ve)，并被实现所说区段(14；35)交替供电的控制器(23)分开。

19.一种路面面层(43)，包括许多加热板(46)，该加热板是由权利要求1-10任何一个的绝热导电材料制成的，所述加热板相互电连接并通过供电装置(47)供电，其位于交界层(44)和支承层(45)之间。

20.根据权利要求19的路面面层(43)，其中所说的加热板(46)依次连接，被分成分区(50)，各个分区并联连接形成供电区(51)，连接到所说供电装置(47)的主输电线(48)上，对于各个供电区(51)来说，具有连接到在交界表面(44)上和加热板(46)中的温度计上的控制器(49)，将反馈信号输出到所说的控制器组(49)。

21.一种农业结构(70)，包括许多位于土壤上层(71)中由权利要求1-10任何一个的绝热导电材料制成的加热板(75)。

22.根据权利要求21的农业结构(70)，其中所说的加热板(75)位于深度为0.4米到0.5米之间的位置，且之间的适宜距离为0.5-1.0米，所说的加热板(75)连接到包括控制器和反馈温度计的供电装置(76)上。

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