Электропроводящий композиционный материал, шихта для его получения и электропроводящая композиция


H01C7 - Нерегулируемые резисторы, имеющие один или несколько слоев или покрытий; нерегулируемые резисторы из порошкообразного токопроводящего или порошкообразного полупроводникового материала с диэлектриком или без него (состоящие из свободного, т.е.незакрепленного, порошкообразного или зернистого материала H01C 8/00; резисторы с потенциальным или поверхностным барьером, например резисторы с полевым эффектом H01L 29/00; полупроводниковые приборы, чувствительные к электромагнитному или корпускулярному излучению, например фоторезисторы H01L 31/00; приборы, в которых используется сверхпроводимость H01L 39/00; приборы, в которых используется гальваномагнитный или подобные магнитные эффекты, например резисторы, управляемые магнитным полем H01L 43/00; приборы на твердом теле для выпрямления, усиления, генерирования или переключения без потенциального или

Владельцы патента RU 2341839:

ТОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ТНЦ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для изготовления электропроводящих покрытий резистивных нагревательных элементов. Электропроводящий композиционный материал содержит, мас.%: карбосилицид титана Ti3SiC2 - 89-93, карбид титана TiC - 4-6 и фазу на основе железа - остальное. Для получения заявляемого электропроводящего композиционного материала используют шихту, содержащую, мас.%: ферросилиций 17-21, титан 67-70 и углерод 12-13. Электропроводящая композиция содержит заявляемый электропроводящий композиционный материал 30-80 мас.% и связующее, в качестве которого используют кремнийорганическое соединение в количестве 20-70 мас.%. Техническим результатом изобретения является снижение стоимости материала и композиции в целом в связи с использованием дешевого ферросилиция либо отходов ферросплавного производства, а также и то, что покрытия на основе карбосилицида титана обладают более высокой температурной стабильностью. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении электропроводящих покрытий резистивных нагревательных элементов.

Известна электропроводящая резистивная композиция содержащая распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества, электроизолирующее вещество и вещество, регулирующее температурный коэффициент сопротивления. В качестве электропроводящего вещества используют смесь пиролитического графита и никеля (25 и 75 мас.% соответственно), в качестве полимерного связующего и электроизолирующего вещества используют термостойкие полимеры (фторопласты, полиимиды, полиамиды, полиорганосилоксаны) (патент РФ №2240616, МПК Н01С 7/00, 2004).

Недостатком известного материала является сложный состав композиции, необходимость использования мелкодисперсных порошков. Кроме того, использование в качестве одного из электропроводящих компонентов - никеля (до 75 мас.%) повышает стоимость композиции в целом.

Известна также электропроводящая композиция для резистивного нагревательного элемента, содержащая распределенные в полимерном связующем частицы электропроводящего вещества, состоящего из силицида хрома, силицида марганца, силицида железа, нитрида хрома или их смеси, и частицы электроизолирующего вещества. В качестве полимерного связующего использованы полиуретаны, полиимиды, полиамиды органосилоксаны, термопластичные полимеры (патент РФ №2082239, МПК Н01С 7/00, 1997).

Недостатком данной электропроводящей композиции является то, что она представляет собой механическую смесь компонентов. Важным обстоятельством во всех случаях приготовления указанной композиции является обеспечение равномерного распределения в полимерном связующем частиц электропроводящего и электроизолирующего веществ, для чего необходимо соблюдать зерновой состав смешиваемых компонентов с учетом их плотностей.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются шихта, электропроводящий материал и электропроводящая полимерная композиция (патент РФ №2280657, МПК C08L 79/08, 2006).

Шихта для получения карбида титана, использованного в качестве проводящего компонента электропроводящего материала, состоит из порошкообразного губчатого титана марки ПТМ и сажи ПМ-50. Нестехиометрический карбид титана получают в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Для осуществления СВС порошок титана с сажей смешивают в мольном соотношении 1:n, где 0≤n≤1, в шаровой мельнице в течение 0,5-1,0 часа. Из полученной смеси прессуют таблетки диаметром 1-2 см и высотой 3-5 см, которые затем сжигают в токе аргона. Полученные материалы измельчают в шаровой мельнице и отбирают фракцию с диаметром частиц меньше 100 мкм.

Электропроводящий полимерный материал получают следующим образом: сначала отдельно смешивают 2/3 полимерного связующего с углеродным наполнителем и оставшуюся 1/3 часть полимерного связующего с карбидом титана. В качестве полимерного связующего используют полиамидное связующее ПАИС-104. Затем проводят горячее прессование и отверждение первой смеси, которую подвергают измельчению, и после измельчения смешивают со второй смесью и проводят окончательное отверждение материала.

Недостатками композиции являются трудоемкость изготовления, необходимость использования специального оборудования. При приготовлении электропроводящей композиции из компонентов, имеющих разную плотность, необходимо обеспечить их равномерное распределение. Кроме того, использованное в изобретении полимерное связующее имеет недостаточно высокую теплостойкость (не более 200-250°С). Нестехиометрический карбид титана имеет большую склонность к окислению при температуре эксплуатации композиции. Это приводит к тому, что при температурах выше 250°С электрическое сопротивление покрытий, содержащих карбид титана, резко возрастает.

Задачей изобретения является получение нового электропроводящего композиционного материала с высокой стабильностью электрического сопротивления при одновременном снижении стоимости материала.

Задача изобретения решается следующим образом. Методом СВС синтезируют электропроводящий композиционный материал на основе карбосилицида титана Ti3SiC2 следующего состава, мас.%:

Ti3SiC289-93
TiC4-6
фаза на основе железаостальное.

Причем состав электропроводящего композиционного материала задается составом шихты, состоящей из порошков промышленного ферросилиция (марки ФС-75), титана (ПТС) и углерода (сажа марки ПМ-15), взятых в следующих количествах, мас.%:

ФС-7517-21
Ti67-70
С12-13.

Предельные составы шихты установлены экспериментально и обусловлены максимальным содержанием в синтезированном продукте карбосилицида титана. Основным параметром, определяющим состав электропроводящего композиционного материала на основе Ti3SiC2, является содержание в шихте ферросилиция ФС-75, а отношение количества титана к углероду поддерживается постоянным и составляет Ti:C≈5.5. При содержании в шихте ферросилиция ФС-75 менее 17 мас.% в процессе синтеза формируется композит на основе карбида титана, и электропроводящая композиция в целом характеризуется более низкой температурной стабильностью электрического сопротивления по сравнению с заявляемым составом. При содержании в шихте ферросилиция ФС-75 более 21 мас.% синтезируется композит, который в своем составе дополнительно содержит карбид кремния, что приводит к ухудшению технологических показателей электропроводящей композиции в целом. Продукт, сформировавшийся в процессе синтеза, состоит из равномерно распределенных в объеме материала следующих структурных составляющих: карбосилицида титана (Ti3SiC2), составляющего основу материала, карбида титана (TiC) и фазы на основе железа. Таким образом, отпадает необходимость в тщательном перемешивании отдельных компонентов с целью их равномерного распределения между собой, а также в полимерном связующем. Поскольку основной фазой в заявленном материале является карбосилицид титана Ti3SiC2, а на долю карбида титана приходится не более 10 мас.%, то, как показали исследования, покрытия на основе Ti3SiC2 обладают более высокой температурной стабильностью электрического сопротивления по сравнению с покрытиями на основе карбида титана.

Важно, что для синтеза материала используют дешевый, по сравнению с чистыми элементами, промышленный ферросилиций или отходы ферросплавного производства.

Далее полученный композиционный материал на основе Ti3SiC2 смешивают с 40%-ным раствором кремнийорганического полимерного связующего в количестве 30-70 мас.%. Полученную суспензию с помощью кисти, валика или краскопульта наносят на подложки с нанесенными металлическими электродами, высушивают на воздухе при комнатной температуре и обжигают при температуре 250-350°С. Измерения электрического сопротивления покрытий проводят с помощью омметра Ф-400. Для приготовления суспензии и получения электропроводящего покрытия используют широко распространенное оборудование, применяемое для лакокрасочных работ. Используемые в изобретении кремнийорганические полимерные связующие характеризуются боле высокой теплостойкостью по сравнению с полиамидным полимерным связующим прототипа.

При увеличении количества полимерного связующего более 70 мас.% покрытие имеет недостаточно высокую электропроводность для его использования в качестве резистивного слоя нагревательных элементов.

Уменьшение содержания полимерного связующего (менее 20 мас.%) не приводит к уменьшению сопротивления, но при этом ухудшаются адгезия, однородность и механическая прочность покрытия.

Следующие примеры поясняют сущность изобретения.

Пример 1. Порошки ферросилиция марки ФС-75 дисперсностью 50-100 мкм, титана (ПТС) дисперсностью менее 100 мкм и углерода (сажа марки ПМ- 15), взятые в количестве, мас.%: ФС - 75-17, Ti - 70, С - 13, тщательно перемешивают, прессуют в форме цилиндров при небольшом давлении 5-10 атм, помещают в реактор и осуществляют поджиг реакционной смеси с помощью спирали из вольфрамовой проволоки. Синтез проводят в режиме горения в инертной атмосфере (аргоне при давлении 4-10 атм). После остывания продукт извлекают из реактора. Согласно рентгенофазовому и микроструктурному анализам СВС-продукт представляет собой композиционный материал, состоящий из карбосилицида титана Ti3SiC2 (89 мас.%), карбида титана TiC (6 мас.%) и фазы на основе железа (5 мас.%). Согласно микроструктурному анализу продукт представляет композит, основу которого составляет карбосилицид титана, а TiC и фаза на основе железа равномерно распределены в объеме материала. Таким образом, в процессе синтеза сформировался готовый композит с равномерным распределением структурных составляющих. Продукт, благодаря тому что основу его составляет карбосилицид титана, легко измельчается до дисперсности менее 50 мкм. Полученный порошок смешивают с 40%-ным раствором полимерного связующего в соотношении 30 мас.% полимерного связующего (в пересчете на сухой остаток) и 70 мас.% композита на основе Ti3SiC2. Полученную суспензию с помощью кисти, валика или краскопульта наносят на подложки с нанесенными металлическими электродами, высушивают на воздухе при комнатной температуре и обжигают при температуре 350°С и далее проводят измерения электрического сопротивления. Электрическое сопротивление образцов измеряют с помощью омметра Ф-400. Электрическое сопротивление данной композиции составляет 30 Ом/ (термообработка 350°С).

Пример 2. Готовят шихту следующего состава, мас.%: ФС - 75-21, Ti - 67, С - 12. Синтез проводят так же, как и в примере 1. В результате синтеза получают продукт следующего состава: Ti3SiC2 (93 мас.%), TiC (4 мас.%), фаза на основе железа (3 мас.%). Продукт легко измельчается до дисперсности менее 50 мкм. Полученный порошок смешивают с 40%-ным раствором полимерного связующего в соотношении 30 мас.% полимерного связующего (в пересчете на сухой остаток) и 70 мас.% композита на основе Ti3SiC2. Полученную суспензию с помощью кисти, валика или краскопульта наносят на подложки с нанесенными металлическими электродами, высушивают на воздухе при комнатной температуре и обжигают при температуре 350°С и далее проводят измерения электрического сопротивления. Электрическое сопротивление данной композиции составляет 20 Ом/ (термообработка 350°C).

Таким образом, применение композиционного материала на основе Ti3SiC2 и полимерного связующего (в указанных в изобретении пределах) позволяет получить материал с электропроводностью, меняющейся в широких пределах (20-5000 Ом/□). Электропроводящая полимерная композиция характеризуется высокой температурной стабильностью по сравнению с прототипом (материал на основе TiC) (см. чертеж). Кроме того, для синтеза композита на основе Ti3SiC2 используют дешевое сырье (промышленный ферросилиций, отходы ферросплавного производства).

1. Электропроводящий композиционный материал, содержащий карбид титана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбосилицид титана Ti3SiC2 и фазу на основе железа при следующих количествах компонентов, мас.%:

Ti3SiC289-93
TiC4-6
фаза на основе Feостальное

2. Шихта для получения электропроводящего композиционного материала, содержащая титан и углерод, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ферросилиций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ферросилиций17-21
титан67-70
углерод12-13

3. Электропроводящая композиция, содержащая электропроводящий материал и связующее, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего материала она содержит материал по п.1, в качестве связующего - кремнийорганическое соединение при следующем соотношении компонентов, мас.%:

электропроводящий композиционный
материал на основе Ti3SiC230-80
кремнийорганическое соединение20-70



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. .
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении низкоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных микросборок, а более конкретно для проектирования и изготовления тонкопленочных резисторов на диэлектрических подложках.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к резистивному материалу для изготовления проводящего слоя низкоомных резисторов и резистивных элементов схем, работающих в низкоомном диапазоне.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при изготовлении высокоомных тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками. .

Изобретение относится к электронной технике, в частности к резисторостроению. .

Изобретение относится к высоковольтной технике, а именно к ограничителям перенапряжений, используемым для защиты электрических сетей и электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных микросборок, а более конкретно для конструирования и изготовления тонкопленочных резисторов на диэлектрических подложках.

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках и спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к композиционному резистивному материалу, который может быть использован при изготовлении нагревательных элементов для местного обогрева в технических и бытовых условиях
Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалу и изготовлению из него тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов с прецизионными характеристиками

Изобретение относится к разрядникам для защиты от перенапряжений

Изобретение относится к области электротехники и касается ограничителя перенапряжений, который содержит, по меньшей мере, один варисторный блок (1), один концевой соединительный элемент (3), один усиливающий элемент (9), который прочно закрепляет варисторный блок (1) на концевом соединительном элементе (3) благодаря силе натяжения, и, по меньшей мере, один фиксирующий элемент (27), который прочно закрепляет усиливающий элемент (9) на концевом соединительном элементе (3) благодаря силе натяжения, причем фиксирующий элемент (27) содержит, по меньшей мере, один край (29), который врезается в усиливающий элемент (9)

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к конструкции высокоомных поликремниевых резисторов, и может быть использовано как в качестве дискретных приборов, так и в качестве элемента при создании больших и сверхбольших интегральных схем различного назначения

Изобретение относится к микроэлектронике, а более конкретно к технологии изготовления высокоомных поликремниевых резисторов, и может быть использовано в производстве поликремниевых резисторов как в качестве дискретных элементов, так и в составе интегральных схем

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении обжатого узла

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для изготовления электропроводящих покрытий резистивных нагревательных элементов

Наверх