RU2106325C1

RU2106325C1 - Method of preparing electroconducting graphic ceramics

Info

Publication number: RU2106325C1
Application number: RU94030029A
Authority: RU
Inventors: М.В. Эйриш; Е.Н. Пермяков; А.Ф. Шамсеев; А.Ф. Николаев; О.Б. Кузнецов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1998-03-10
Also published as: RU94030029A

Abstract

FIELD: manufacture of composite materials, more particularly manufacture of heating members. SUBSTANCE: in order to manufacture graphite-ceramic material having wide range of specific electrical resistance values raw mix comprises 10-30% crystalline graphite and 70-90 wt % low-melting clay, and products are roasted under conditions that limit air access at 700-800 C. The resulting material has electric resistance from 1,8•10² to 4•10^-3 ohm.m. EFFECT: more efficient preparation method. 4 tbl

Description

Изобретение относится к производству композиционных материалов на основе природного минерального сырья - легкоплавкой глины и графита, с получением графито-керамики, обладающей электропроводностью и удельным сопротивлением, позволяющим использовать электропроводящий графито-керамический материал в качестве нагревательных элементов, работающих в широком интервале температур. The invention relates to the production of composite materials based on natural mineral raw materials - fusible clay and graphite, with the production of graphite ceramics with electrical conductivity and resistivity, allowing the use of electrically conductive graphite-ceramic material as heating elements operating in a wide temperature range.

Известен способ получения электропроводящих полимерных материалов с наполнителем углеродной сажей [1]. A known method of producing conductive polymer materials with a carbon black filler [1].

Недостатком исходных смесей компонентов - органического полимеризующегося вещества и получаемой из угля или графита специальной тонкодисперсной сажи является их дефицит и дороговизна, недостаток получаемых электропроводящих полимерных материалов - их разрушение при нагреве до температур выше 180-200^oC.The disadvantage of the initial mixtures of components - organic polymerizable substances and special finely dispersed soot obtained from coal or graphite is their shortage and high cost, the disadvantage of the obtained electrically conductive polymer materials is their destruction when heated to temperatures above 180-200 ^o C.

Известен графито-керамический состав для фасонных изделий литейного оборудования [2] , который содержит 25-45% натурального графита, 50-20% синтетического графита или графитовых отходов, 20-40% огнестойкой глины или каолина, 5-20% карбида кремния или ферросилиция и 0,2% обожженной огнеупорной глины. Known graphite-ceramic composition for shaped products of foundry equipment [2], which contains 25-45% of natural graphite, 50-20% of synthetic graphite or graphite waste, 20-40% of fire-resistant clay or kaolin, 5-20% of silicon carbide or ferrosilicon and 0.2% calcined refractory clay.

Недостатком сырьевой смеси является большое число дорогих и дефицитных компонентов, а получаемый материал не обеспечивает устойчивое значение электропроводности. The disadvantage of the raw material mixture is a large number of expensive and scarce components, and the resulting material does not provide a stable value of electrical conductivity.

Известен графито-керамический состав для резистивных элементов печей, обладающих устойчивым и регулируемым электросопротивлением и характеризуемый тем, что содержит 35-45% графита, 10-25% каолина, 0-15% огнеупорной глины, 1-5% кристаллического кремния, 0,5-3% алюминия, 10-20% карбида кремния, 0-5% стекольного песка и 0-10% оксида алюминия. Обжиг сформованных масс ведут в бескислородной атмосфере при 1300-1400^oC [3].Known graphite-ceramic composition for the resistive elements of furnaces with stable and adjustable electrical resistance and characterized in that it contains 35-45% graphite, 10-25% kaolin, 0-15% refractory clay, 1-5% crystalline silicon, 0.5 -3% aluminum, 10-20% silicon carbide, 0-5% glass sand and 0-10% alumina. The fired masses are fired in an oxygen-free atmosphere at 1300-1400 ^o C [3].

Недостатком этого технического решения является сложность состава, дефицитность и дороговизна исходных компонентов, большое содержание графита, получают материалы и изделия на его основе обжигом при очень высоких температурах - 1300-1400 ^oC и только в бескислородной среде, что удорожает технологию изготовления, материалы и изделия обладают низкой электропроводностью и высоким удельным сопротивлением, что исключает возможность их использования в качестве нагревательных элементов. Наиболее близким техническим решением является способ получения электропроводящей графито-керамики [4].The disadvantage of this technical solution is the complexity of the composition, the scarcity and high cost of the starting components, the high content of graphite, receive materials and products based on it by firing at very high temperatures - 1300-1400 ^o C and only in an oxygen-free environment, which increases the cost of manufacturing technology, materials and products They have low electrical conductivity and high specific resistance, which excludes the possibility of their use as heating elements. The closest technical solution is a method of producing an electrically conductive graphite-ceramic [4].

Задачей изобретения является получение электропроводящего графито-керамического материала с широким диапазоном величин удельного электрического сопротивления и его удешевление. The objective of the invention is to obtain an electrically conductive graphite-ceramic material with a wide range of values of electrical resistivity and its cost.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения графитосодержащего материала, включающем смешение компонентов сырьевой смеси, формование или прессование изделий, обжиг, используют сырьевую смесь, содержащую мас.%: графит 5-30 и глину легкоплавкую - 70-95, а обжиг изделий ведут в условиях, ограничивающих доступ воздуха, при температуре 600-800^oC.This goal is achieved in that in the known method for producing graphite-containing material, including mixing the components of the raw material mixture, molding or pressing products, firing, use a raw material mixture containing wt.%: Graphite 5-30 and low-melting clay - 70-95, and firing products lead in conditions that limit the access of air at a temperature of 600-800 ^o C.

В предлагаемом техническом решении используют в составе сырьевой смеси кристаллический графит, равномерно распределенный между частицами легкоплавкой глины при доле графита 5-30 мас.%, что обеспечивает образование в объеме изделий единой сетки из кристаллитов графита. Легкоплавкая глина в обожженном состоянии образует прочную керамическую матрицу, в которой такие сетки графита создают необходимую электропроводность во всем объеме материала, и при задаваемом удельном электрическом сопротивлении изделие работает как нагревательный элемент. Обжиг изделий в интервале температур 600-800^oC переводит глину в керамический материал без разрушения сетчатой структуры из кристаллов графита и без заметного выгорания графита в объеме изделия, поскольку интенсивное горение графита начинается при температуре выше 700^oC, а обжигаемые образцы размещают под кожухом, защищающим изделия от доступа воздуха.In the proposed technical solution, crystalline graphite is used as part of the raw material mixture, evenly distributed between the particles of low-melting clay with a fraction of graphite of 5-30 wt.%, Which ensures the formation in the volume of products of a single grid of graphite crystallites. The fusible clay in the calcined state forms a strong ceramic matrix in which such graphite networks create the necessary electrical conductivity in the entire volume of the material, and with a given specific electrical resistance, the product acts as a heating element. Firing products in the temperature range 600-800 ^o C translates the clay into a ceramic material without destroying the mesh structure of graphite crystals and without noticeable burning of graphite in the product volume, since intense burning of graphite begins at temperatures above 700 ^o C, and the fired samples are placed under the casing, protecting products from air access.

В прототипе используют такой состав компонентов сырьевой смеси, для которого образование прочной керамической матрицы достигается только при обжиге материала при температуре 1300-1400^oC, для уменьшения выгорания графита обжиг ведут в бескислородной среде, однако при этом трудно исключить структурные изменения в кристаллах графита и сохранить единую сетчатую структуру его кристаллов в объеме керамического изделия, т.е. имеет место новая совокупность признаков решения - новый состав сырьевой смеси и новые условия обжига изделий, приводящие в совокупности к новому свойству получаемой графито-керамики - приобретению ее повышенной электропроводности с удельным сопротивлением, соответствующим использованию изделий в качестве нагревательных элементов, что отвечает критерию "существенные отличия" и свидетельствует о наличии изобретательского уровня.The prototype uses such a composition of the components of the raw material mixture, for which the formation of a strong ceramic matrix is achieved only when the material is fired at a temperature of 1300-1400 ^o C, to reduce graphite burnout, firing is performed in an oxygen-free environment, however, it is difficult to exclude structural changes in graphite crystals and preserve a single network structure of its crystals in the volume of a ceramic product, i.e. there is a new set of signs of a solution - a new composition of the raw material mixture and new conditions of firing products, which together lead to a new property of the obtained graphite ceramic - the acquisition of its increased electrical conductivity with resistivity corresponding to the use of products as heating elements, which meets the criterion of "significant differences "and indicates the presence of an inventive step.

Изобретение является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано в производстве нагревательных элементов, питаемых электрическим током различной силы и напряжения. The invention is industrially applicable, because it can be used in the production of heating elements, powered by electric current of various strength and voltage.

Химический состав природных материалов для сырьевой смеси, представленных легкоплавкой глиной и графитом, может меняться в пределах, указанных в табл. 1. The chemical composition of natural materials for the raw material mixture, represented by fusible clay and graphite, can vary within the limits indicated in the table. one.

Заявляемый способ иллюстрируется следующими примерами. The inventive method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Example 1

Легкоплавкую глину (Гл) и графит (Г) смешивают в весовом соотношении, мас.%:
ГЛ + Г + 96+4; 95+5; 94+6; 88+12; 70+30; 60+40,
подготовленные порошки сырьевых смесей увлажняют до полусухого состояния и прессуют, изделия-цилиндры размером 15х18 мм сушат при 105^oC, помещают в печь, закрывают керамическим кожухом и нагревают до температуры 700^oC, выдерживают в течение 10 мин, изделия извлекают из печи и охлаждают на воздухе. Свойства полученных изделий приведены в табл. 2.Fusible clay (H) and graphite (G) are mixed in a weight ratio, wt.%:
GL + G + 96 + 4; 95 + 5; 94 + 6; 88 + 12; 70 + 30; 60 + 40,
the prepared powders of the raw mixes are moistened to a semi-dry state and pressed, cylinder products measuring 15x18 mm are dried at 105 ^° C, placed in an oven, closed with a ceramic casing and heated to a temperature of 700 ^° C, held for 10 minutes, the products are removed from the furnace and cooled on air. The properties of the obtained products are given in table. 2.

В примере 1 показана существенность выбранного соотношения компонентов сырьевой смеси Гл: Г = 95-70 - 5-30, поскольку при соотношении 96:4 графито-керамический материал имеет более 10⁴ Ом•м, при соотношении 60:40 прочность изделия менее 50 кг/см².Example 1 shows the significance of the selected ratio of the components of the raw mix Gl: G = 95-70 - 5-30, since with a ratio of 96: 4 the graphite-ceramic material has more than 10 ⁴ Ohm • m, with a ratio of 60:40 the strength of the product is less than 50 kg / cm ² .

Пример 2. Example 2

Легкоплавкую глину (Гл) и графит (Г) смешивают в весовом соотношении Гл: Г = 94:6, подготовленные порошки сырьевых смесей увлажняют до полусухого состояния и прессуют, изделия-цилиндры размером 15х18 мм сушат при 105^oC, помещают в печь, закрывают керамическим кожухом и нагревают каждый набор образцов до одной из указанных температур: 500, 600, 700, 800, 900^oC, выдерживают в течение 10 мин, охлаждают в печи.Low-melting clay (Hl) and graphite (G) are mixed in a weight ratio of Hl: G = 94: 6, the prepared powders of the raw material mixtures are moistened to a semi-dry state and pressed, the cylindrical products measuring 15x18 mm are dried at 105 ^o C, placed in an oven, closed ceramic casing and heat each set of samples to one of the indicated temperatures: 500, 600, 700, 800, 900 ^o C, incubated for 10 minutes, cooled in an oven.

Пример 3. Example 3

Легкоплавкую глину (Гл) и графит (Г) смешивают в весовом соотношении, мас.%:
Гл:Г = 70:30,
подготовленные порошки сырьевых смесей увлажняют до полусухого состояния и прессуют, изделия-цилиндры размером 15х18 мм сушат при 105^oC, помещают в печь, закрывают керамическим кожухом и нагревают каждый набор образцов до одной из указанных в табл. 3 температур.Fusible clay (H) and graphite (G) are mixed in a weight ratio, wt.%:
Ch: G = 70:30
the prepared powders of the raw mixes are moistened to a semi-dry state and pressed, the cylinder products of size 15x18 mm are dried at 105 ^° C, placed in an oven, closed with a ceramic casing and each set of samples is heated to one of those indicated in the table. 3 temperatures.

В примерах 2 и 3 показана существенность выбранного интервала температур обжига 600-800^oC, поскольку при температуре обжига 500^oC не достигается необходимая прочность графито-керамического материала - более 50 кг/см², а при температуре обжига 900^oC графито-керамический материал с содержанием графита 6% теряет способность проводить электрический ток, что иллюстрируется данными таблицы 2, а при содержании графита 30% недостаточна прочность графито-керамического материала, что иллюстрируется табл. 4.Examples 2 and 3 show the materiality of the selected firing temperature range of 600-800 ^o C, since at the firing temperature of 500 ^o C the required strength of graphite-ceramic material is not achieved - more than 50 kg / cm ² , and at a firing temperature of 900 ^o C graphite-ceramic a material with a graphite content of 6% loses its ability to conduct electric current, which is illustrated by the data in table 2, and when the graphite content is 30%, the strength of the graphite-ceramic material is insufficient, as illustrated in table 4.

Использование заявляемого изобретения позволяет:
получить изделия с широким диапазоном удельного электрического сопротивления и использовать их в качестве нагревательных элементов в интервале температур 30-550^oC;
удешевить изделия из графито-керамики, за счет сокращения затрат на сырье, снижения энергозатрат на обжиг и упрощения технологии изготовления изделий.The use of the claimed invention allows:
to obtain products with a wide range of electrical resistivity and use them as heating elements in the temperature range 30-550 ^o C;
reduce the cost of graphite-ceramic products by reducing the cost of raw materials, reducing energy costs for firing and simplifying the manufacturing technology of products.

Claims

A method of obtaining an electrically conductive graphiteceramics, comprising mixing the components of a raw mixture containing graphite and clay, pressing powders or molding plastic masses, drying and firing products, characterized in that they use a raw mixture containing crystalline graphite 10-30 wt.% And low-melting clay 70 - 90 wt.%, And the products are fired under conditions restricting air access at a temperature of 600 - 700 ^o C.