До електротехнічних вугільних виробів (скорочено електро-вугільні вироби) відносять щітки електричних машин, електроди для прожекторів та електролітичних ванн, аноди гальванічних елементів, мікрофони, що містять вугільний порошок, вугільні високоомні резистори, розрядники для телефонних мереж.
Первинною сировиною для виробництва електровугільних виробів є графіт, сажа та антрацит.
Природний графіт — кристалічна речовина, одна з форм вуглецю шаруватої структури (відомо три видозміни вуглецю: алмаз, графіт та аморфний вуглець — вугілля).
Графіт утворює шаруваті кристалічні ґратки, кожний шар яких являє собою шестикутну зірку з розміщеними у вузлах атомами вуглецю. Окремі шари віддалені один від одного на більші відстані, ніж атоми між собою в середині кожного шару, тому графіт легко відшаровується, що важливо для роботи ковзних контактів. Цю властивість використовують також при виготовленні сухих мастильних матеріалів на основі графіту. Його фізичні властивості у напрямку шаруватості і перпендикулярно до неї різні. Графіт має такі властивості:
у напрямку шарів електропровідність графіту має «металічний» характер ( = 8 мкОмм, ТК=110-3 К-1);
зі збільшенням температури міцність графіту збільшується;
в повітрі горить при температурі 600°С;
при нагріванні до температури 170°С з повітрям не взаємодіє;
не взаємодіє з сірчаною, соляною, плавиковою кислотами та «царською водкою»;
з концентрованою азотною кислотою вступає в реакцію, а в сумішах з концентрованими азотною та сірчаними кислотами графіт розчиняється і утворює графітову кислоту;
з розплавленими лугами не взаємодіє.
Добувають природний графіт збагаченням спеціальних руд.
Штучні графіти отримують перекристалізацією вугілля при температурі 2200... 2500°С. У багатьох випадках їм надають перевагу над природними, оскільки штучні графіти мають дуже чистий склад, а їх вартість не перевищує вартості природних графітів.
Вироби з графіту можна використовувати тільки в інертному середовищі або у вакуумі при температурі до 2000°С, а в середовищі кисню із діоксиду вуглецю — при температурі до 500°С.
Графіт виготовляють у вигляді пруття, пластин, брусків.
Піролітичний вуглець одержують у процесі термічного розкладання без доступу кисню (піролізу) газоподібних вуглеводнів у камері, де знаходяться скляні або керамічні заготовки основ для недротяних резисторів. Піролізу піддають, як правило, вуглеводні метанового ряду, які мають властивість при високих температурах розкладатися з утворенням на ізоляційних підкладках вуглецю. В технологічних процесах виготовлення недротяних резисторів найчастіше використовують метан, пари бензину або гептану. На відміну від монокристалічного графіту структура піролітичного вуглецю не має чіткої періодичності в розміщенні атомних шарів при збереженні їх паралельності. Відстань між атомами вуглецю у піролітичного вуглецю менша, ніж у графіту. Піролітичний вуглець складається з окремих полікристалічних конгломератів, які осаджуються на поверхні ізоляційної основи (підкладки).
Основні властивості плівок піролітичного вуглецю:
товщина плівок, см, не більше 10 - 6;
густина D, г/см3 2,05;
питомий електричний опір , Омсм 1, 510-5;
температурний коефіцієнт: ТК, К-1 -210-4(-4104); ТКl, К-1 6, 610-6
Структура та властивості плівок піролітичного вуглецю залежать від:
температури розкладання вуглеводнів (зі збільшенням температури піролізу виникає збільшення кристалів вуглецю, вміст у ньому різних домішок і зменшення питомого електричного опору р);
швидкості проведення реакції піролізу;
шорсткості рельєфу поверхні підкладки;
глибини вакууму.
Піролітичні плівки вуглецю мають такі властивості:
високу стабільність параметрів;
низький рівень шумів;
незначний та незмінний температурний коефіцієнт опору;
незначна залежність опору від прикладеної напруги;
стійкість проти імпульсних перенавантажень;
відносно низька собівартість.
У результаті піролізу борорганічних сполук [В(С4Н9)з або В(С3Н7)3] одержують боровуглецеві плівки з малим температурним коефіцієнтом питомого електричного опору ТК.
Природний графіт, сажу, піролітичний вуглець і боровуглецеві плівки використовують як провідний матеріал для недротяних лінійних резисторів, які повинні мати малу залежність електричного опору від напруги та високу стабільність при підвищеній температурі та вологості. Недротяні резистори відрізняються від дротяних меншими розмірами та високою верхньою границею номінального опору. Вугільні матеріали використовують для виготовлення щіток.
Щітки призначені для утворення ковзного контакту між нерухомими та обертальними частинами електричних машин. Різні марки щіток відрізняються за значенням питомого електричного опору, допустимою густиною струму, коефіцієнтом тертя, лінійною швидкістю на колекторі, складом, технологією виготовлення, розміром (контактна поверхня щітки, яка прилягає до колектора, може мати розміри від 4x4 до 35x35 мм, висота щітки 12... 70 мм).
Промисловість випускає щітки різних марок: вугільно-графітні, графітні, електрографітовані, тобто піддані графітуванню; мідно-графітні з вмістом міді, що призводить до зниження електричного опору та незначного контактного падіння напруги між щітками і колектором.
Сажі — це дрібнодисперсний вуглець з домішками смолистих речовин. Лаки з домішками вуглецю мають широкий діапазон питомого електричного опору (0, 01... 400 Ом-м).
Для одержання стержньових електродів сажу та графіт змішують із в'яжучими матеріалами, для цього використовують кам'яновугільну смолу, а інколи рідке скло. Одержану масу продавлюють через мундштук або пресують у відповідних прес-формах і піддають термообробці. Від режиму відпалу залежить форма, в якій вуглець знаходиться у виробі. При високих температурах відпалу (2200°С) вуглець штучно перетворюється у графіт, розміри кристалу графіту збільшуються, підвищується провідність матеріалу і знижується його твердість. Цей процес називається графітуванням.
Антрацит — блискуче, чорного кольору викопне вугілля з найбільш високим ступенем зміни структури в низці кам'яного вугілля. Горить незначним полум'ям, майже без диму, не спікається. Антрацит використовують у вигляді вугільних порошків і вугільних матеріалів.
Вугільні порошки для мікрофонів одержують дробленням антрациту. Питомий електричний опір порошку залежить від розмірів зерен, щільності засипання порошку у форму і режимів термообробки. Дрібнозернисті порошки одержують після просіювання крізь сито з 52 отворами на 1 см2, а крупнозернисті — крізь сито з 45 отворами на 1 см2. В процесі випалу при температурі 600... 800°С збільшується питомий електричний опір порошку. Питомий електричний опір дрібнозернистого порошку = 0,4 Омм.
Вугільні матеріали (подрібнений антрацит зі зв'язкою) для вугільних електродів, що призначені для роботи при високих температурах, випалюють при температурах 3000°С.
Особливістю вугільних виробів є те, що вони мають від'ємний температурний коефіцієнт питомого електричного опору ТК.
Електровугільні вироби
Після графітизації електрощітки набувають м'якості, зменшується коефіцієнт тертя і різко знижується питомий електроопір. За наявності в матеріалі значної пористості його просочують лаками, воскоподібними речовинами, а інколи розплавленими металами - оловом, свинцем тощо. Після просочування металами електровугільних виробів різко зростає їх механічна міцність і електропровідність. Остаточну форму і чистоту поверхні вони набувають після механічної обробки, яка завершується свердлінням отворів під гнучкі з'єднувальні проводи.
Для створення надійного електричного контакту між тілом електрощітки і щіткотримачем в електричній машині частину поверхні електрощіток після механічної обробки обміднюють гальванічним методом на товщину 10-15 мкм. Гнучкі (багатожильні) проводи закріпляють у тілі електрощітки їх розвальцьовуванням, паянням або запресовуванням.
Поміж електровугільних виробів найширше застосовуються щітки для електричних машин, а саме: графітні, вугільно-графітні, металографітні та електрографітні.
Графітні щітки виготовляють з натурального графіту. Вони працюють безшумно і застосовуються за швидкостей від 20 до 40 м/с, їх питомий опір становить 8-30 мкОм м.
Вугільно-графітні щітки вироблять з графіту, коксу і зв'зую-чих смол. Вони мають підвищену твердість, механічну міцність і абразивність. Ці щітки застосовують за колових швидкостей 10-40 м/с. їх питомий опір становить 100 - 400 мкОм м.
Металографітні щітки виготовляють з порошків міді і графіту, інколи з добавками порошку олова й срібла. Ці щітки мають низький питомий електроопір (0,3-0,8 мкОм м), а при зниженому вмісті міді їх питомий електроопір 5-22 мкОм м. їх використовують за колових швидкостей 20 - 25 м/с.
Електрографітні щітки виготовляють з графіту, коксу, сажі та зв'язуючих смол. Після пресування і випікання щітки графітизують при 2500 °С. для збагачення їх графітом та забезпечення підвищеної механічної міцності. Питомий електроопір щіток 2 -75 мкОм м. Вони використовуються в електричних машинах з важкими умовами комунікації. Допустима колова швидкість для них 40 - 90м/с.
Контактні деталі для транспорту - електровозів, тролейбусів та інших струмознімальних пристроїв мають у готовому вигляді дуже малий питомий електроопір (0,02 - 0,05 мкОм м). їх виготовляють з електровугільних та мідно-графітових матеріалів.
Електровугільні вироби виготовляють методом порошкової технології. Заготовки виробів пресують в сталевих формах при температурі близько +200 ОЗ повагою та тиску 100 ... 300 МПа з подрібнених вуглецевих матеріалів, змішаних один з одним і зі сполучною - кам'яновугільної смолою. Отримані заготовки піддають випалу при температурі +1200 ... 1300 ОС, при якій сполучна перетворюється в кокс і спікають частки вихідних матеріалів. Вироби набувають механічну міцність, питомий електричний опір матеріалу зменшується.
Електровугільні вироби з неграфітовимі фракціями (сажа, кокс, термоантрацит) піддають графитизации - додаткової термічної обробки при температурі близько +2500 ОС, при якій збільшуються розміри кристалів матеріалу, що зменшує його твердість, коефіцієнт тертя і питомий електричний опір.
Для захисту від вологи вугільні вироби просочують розплавленими свинцем або оловом, рідкими воскоподібні речовини або лаками. Просочення, крім того, збільшує міцність виробів і може виконувати функції мастила в ковзних контактах.
На стадії приготування формувальної маси в неї можуть бути введені добавки, що додають електровугільні вироби необхідні якості: порошки міді або бронзи для зниження електричного опору щіток електричних машин, речовини, що забезпечують необхідну кольоровість електродугових джерел світла.
Неметалічні провідникові матеріали
Електровугільні вироби. До них відносять щітки для електричних машин, контактні деталі тощо. Електровугільні вироби отримують із суміші графіту, сажі, коксу, антрациту методами по
рошкової металургії. У виробництві електровугільних виробів використовують зв'язуючі речовини - кам'яновугільні та синтетичні смоли (бакелітові, кремнійорганічні та ін.).
З метою видалення з вуглецевих матеріалів летких речовин їх, за винятком графіту і сажі, прожарюють за 1200 - 1300 °С, потім подрібнюють до порошкоподібного стану і в певних пропорціях змішують (іноді з добавками металічних порошків). У суміш порошків вводять зв'язуючі речовини (смоли) і старанно перемішують. Отриману електровугільну суміш сушать, розмелюють, просівають і дістають порошок, з якого пресуванням в стальних пре-сформах отримують різноманітні електровугільні вироби. Якщо зв'язуючий матеріал розм'якшується або полімеризується, то пресування проводять за підвищених температур і тисків 100 -300 МПа.
Вироби значної довжини виготовляють видавлюванням нагрітої пластичної вихідної маси крізь стальний мундштук. Отримані заготовки випалюють за температур до 1300 °С для спікання вихідних частинок і цементації їх коксом, який утворюється із зв'язуючих органічних речовин.
Електровугільні вироби, які містять сажу, кокс та інші негра-фітові компоненти, після випалювання додатково графітизують за температур 2400 - 2800 °С. Неграфітові компоненти у цьому випадку перетворюються в графіт, а більшість інших домішок випаровується.
Після графітизації електрощітки (групи ЕГ) набувають м'якості, зменшується коефіцієнт тертя і різко знижується питомий електроопір. За наявності в матеріалі значної пористості його просочують лаками, воскоподібними речовинами, а інколи розплавленими металами - оловом, свинцем тощо. Після просочування металами електровугільних виробів різко зростає їх механічна міцність і електропровідність. Остаточну форму і чистоту поверхні вони набувають після механічної обробки, яка завершується свердлінням отворів під гнучкі з'єднувальні проводи.
Для створення надійного електричного контакту між тілом електрощітки і щіткотримачем в електричній машині частину поверхні електрощіток після механічної обробки обміднюють гальванічним методом на товщину 10-15 мкм. Гнучкі (багатожильні) про-
води закріпляють у тілі електрощітки їх розвальцьовуванням, паянням або запресовуванням.
Поміж електровугільних виробів найширше застосовуються щітки для електричних машин, а саме: графітні, вугільно-графітні, металографітні та електрографітні.
Графітні щітки виготовляють з натурального графіту. Вони працюють безшумно і застосовуються за швидкостей від 20 до 40 м/с. їх питомий опір становить 8-30 мк·Ом ·м.
Вугільно-графітні щітки вироблять з графіту, коксу і зв'зую-чих смол. Вони мають підвищену твердість, механічну міцність і абразивність. Ці щітки застосовують за колових швидкостей 10-40 м/с. їх питомий опір становить 100 - 400 мк-Ом-м.
Металографітні щітки виготовляють з порошків міді і графіту, інколи з добавками порошку олова й срібла. Ці щітки мають низький питомий електроопір (0,3-0,8 мк·Ом·м), а при зниженому вмісті міді їх питомий електроопір 5-22 мкОм·м. їх використовують за колових швидкостей 20 - 25 м/с.
Електрографітні щітки виготовляють з графіту, коксу, сажі та зв'язуючих смол. Після пресування і випікання щітки графітизують при 2500 °С. для збагачення їх графітом та забезпечення підвищеної механічної міцності. Питомий електроопір щіток 2 -75 мкОм-м. Вони використовуються в електричних машинах з важкими умовами комунікації. Допустима колова швидкість для них 40 - 90м/с.
Контактні деталі для транспорту - електровозів, тролейбусів та інших струмознімальних пристроїв мають у готовому вигляді дуже малий питомий електроопір (0,02 - 0,05 мкОм·м). їх виготовляють з електровугільних та мідио-графітових матеріалів.
* Металокерамічні матеріали та вироби - матеріали, які отримують пресуванням металевих порошків з наступним їх спіканням за температур 1000 - 1400 °С.
Один з двох або більше порошків повинен мати вищу температуру плавлення порівняно з іншими. За спікання більш легкоплавкі порошки плавляться і заповнюють пори між частинками більш тугоплавкого металу, чим забезпечується монолітність металокерамічних виробів. Для отримання пористої металокераміки за-
стосовують твердофазне спікання частинок порошку металу з приблизно однаковою температурою плавлення. Для виготовлення металографітних щіток електричних машин, електричних контактів тощо у вихідну суміш металевих порошків добавляють порошок графіту.
Технологію порошкової металургії застосовують у випадках складності отримання виробів з надто тугоплавких металів або за необхідності отримати вироби із сплавів металів і неметалів. Ця технологія дає можливість отримувати готові вироби з точно заданими розмірами без додаткової механічної обробки, в результаті чого підвищується продуктивність праці і зменшуються втрати на відходи.
Металокерамічні контакти вигідно вирізняються, порівняно з металевими, високою зносостійкістю. В електричних машинах низької напруги застосовують металокерамічні контакти, виготовлені на основі порошків срібла й оксиду кадмію (СdO ≈ 15 %).
З порошків срібла, вольфраму (40 - 50 %) і нікелю (2-3 %) виготовляють металокерамічні високострумові дугорозмикаючі контакти. Металокерамічні контакти, отримані з порошків міді і графіту (3-5 %), мають високу стійкість проти зварювання при розмиканні великих струмів (30 000 - 10 000 А). У цих контактах пористість не повинна перевищувати 2-5 %. З цією метою металокерамічні вироби повторно пресують і відпалюють.
Для виготовлення тонко плівкових резисторів застосовують металодіелектричні композиції з неорганічною зв'язкою - кермети. У них в широкому діапазоні можна змінювати питомий електроопір. Найчастіше застосовується мікрокомпозиція Cr-SiO, тонкі плівки якої дістають методом термічного випаровування і конденсації у вакуумі з наступною термообробкою для стабілізації властивостей. У процесі термообробки проходить витіснення оксидного прошарку між зернами з утворенням фази Cr3Si. У результаті опір міжзеренних ізоляційних прошарків заміняється опором контактування.
Для товстоплівкових мікросхем використовують резистори, отримані на основі композиції скла з паладієм і сріблом. Порошок скла з розміром зерен 2-5 мкм змішують з порошком срібла і паладію і добавляють органічну зв'язку з розчинником. Отриману масу наносять на керамічну підкладку і спікають у звичайній атмосфері.
Провідникові матеріали на основі оксидів. Чисті оксиди металів у нормальних умовах є діелектриками. При неповному окисненні, а також за добавок деяких домішок їх провідність різко зростає. Такі матеріали можна використовувати як контактні і резисторні шари. Плівки отримують термічним вакуумним випаровуванням і конденсацією з наступним відпалом на повітрі й оксидуваннм відкладеного на діелектричну підкладку металічного олова та ін. Матеріалами найчастіше служать оксидні плівки олова SnO2 або індію Іn2O3. Вони добре зчіплюються з керамічною (скляною) підкладкою і при неповному окисненні металу питомий опір плівок складає 10-5Ом·м. Такі плівки можна використовувати за температур нижче 240 °С, оскільки при більш високих температурах відбувається доокислення і незворотні зміни електроопору. Тонкі плівки олова та індію мають високу прозорість у видимій та інфрачервоній частині спектра.
+Висока оптична прозорість і підвищена електропровідність двоокису олова і оксиду індію дають можливість застосовувати їх для електропровідних покрить на внутрішніх стінках скляних балонів електровакуумних приладів, електродів електролюмінісцентних ламп конденсаторів тощо.
https://studfile.net/preview/8850427/