Влияние свойств углеродного компонента на теплофизические характеристики полимерных композиционных материалов для электротехнических устройств

Abstract

Актуальность работы обусловлена тем, что полимерные композиционные материалы с углеродными компонентами обладают не только хорошими функциональными характеристиками в качестве резисторов, но и низкой ценой, малым удельным весом, сравнительно простой промышленной технологией изготовления. Это обусловливает расширение сферы их применения, в том числе в материалоемком нефтегазовом оборудовании, в высоковольтных электрофизических и электротехнических установках. Расширение областей применения таких материалов требует исследования теплофизических характеристик и способов управления ими для оптимизации тепловых условий при непрерывной работе оборудования, содержащего компоненты из полимерных композиционных материалов с углеродными наполнителями. Теплофизические характеристики можно формировать за счет широкого спектра параметров; основным из них является вид электропроводящего и связующего компонентов. Однако изменение связующего требует радикального изменения технологии, что не всегда приемлемо по ряду причин. Поэтому актуален анализ вклада электропроводящего компонента в формирование теплофизических характеристик композиционного материала. Цель: изучить влияние электропроводящего компонента (технического углерода) на теплофизические характеристики наполненных техническим углеродом каучуков; установить зависимость теплофизических характеристик композита от вида технического углерода. Методы: инструментальные измерения теплофизических и электрофизических характеристик материалов, статистический и корреляционный анализ. Результаты. Экспериментально установлено, что теплофизические характеристики наполненных техническим углеродом каучуков (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность) зависят от вида технического углерода. Выявлены закономерности изменения этих характеристик. Проанализирована их связь со свойствами технического углерода и характеристиками макроструктуры композиционного материала. На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по подбору марки технического углерода для композитов, используемых в таких областях, как: системы электрообогрева, работающие на принципах саморегулирующихся нагревателей, устройства, работающие в нестационарных тепловых режимах, и др.

Relevance. Polymer composite materials with carbon components have not only good functional characteristics as resistors, but also low price, low specific gravity, and relatively simple industrial manufacturing technology. This determines the expansion of the scope of their application, including in material-intensive oil and gas equipment, in high-voltage electrical and electrophyisical installations. Expanding the areas of application of such materials requires research into thermophysical characteristics and methods for controlling them to optimize thermal conditions during continuous operation of equipment containing components made of polymer composite materials with carbon fillers. Thermophysical characteristics can be formed using a wide range of parameters; the main ones are the type of electrically conductive and connecting components. However, changing the binder requires a radical change in technology, which is not always acceptable for a number of reasons. Aim. To study the effect of the electrically conductive component (carbon black) on the thermophysical characteristics of rubbers filled with carbon black; establish the dependence of the thermophysical characteristics of the composite on the type of carbon black. Object. Thermophysical characteristics of the composite material, largely determined by the electrically conductive component. Methods. Instrumental measurements of thermophysical and electrical characteristics of materials, statistical and correlation analysis. Results. The authors have experimentally established that the thermophysical characteristics of rubbers filled with carbon black (heat capacity, thermal conductivity, and thermal diffusivity) depend on the type of carbon black. They identified the patterns of changes in these characteristics. The paper analyzes their relationship with the properties of carbon black and the characteristics of the macrostructure of the composite material. Based on the conducted research, the authors developed the recommendations for selecting the grade of carbon black for composites used in such areas as: electric heating systems operating on the principles of self-regulating heaters, devices operating in nonstationary thermal conditions, etc