Материалы для электроугольных изделий

К электротехническим угольным изделиям (сокращенно электро-угольные изделия) относятся щетки электрических машин, электро­ды для прожекторов и электролитических ванн, аноды гальваничес­ких элементов, микрофоны, содержащие угольный порошок, уголь­ные высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей.

Исходным сырьем для производства электроугольных изделий являются графит, сажа и антрацит.

Природный графит – кристаллическое вещество, одна из форм углерода слоистой структуры (углерод известен в виде трех видоизменений: алмаза, графита и аморфного углерода - угля).

Графит образует слоистую кристаллическую решетку, каждый слой которой представляет собой шестиугольную сетку с расположенными в узлах атомами углерода. Отдельные слои отстоят друг от друга на большее расстояние, чем атомы между собой внутри каждого слоя, поэтому графит легко отслаивается, что ценно для работы скользящих контактов. Это свойство используют также при изготовлении сухих смазочных материалов на основе графита. Его физические свойства в направлении слоистости и перпендикуляр­но к ней различны. Графит обладает следующими свойствами:

- в направлении слоев электропроводность графита имеет «металлический» характер (ρ = 8 мкОм·м, ТКρ = 1·10^-3 К^-1);

- с увеличением температуры прочность графита повышается; на воздухе горит при температуре выше 600°С; при нагревании до температуры 170°С с воздухом не взаимодействует;

- ни при каких температурах не взаимодействует с серной, соляной и плавиковой кислотами и царской водкой;

- с концентрированной азотной кислотой вступает в реакцию, а в смеси с концентрированными азотной и серной кислотами графит (1 г) растворяется и образует графитовую кислоту; с расплавлены- ми щелочами не взаимодействует.

Добывают природный графит обогащением специальных руд. Искусственные графиты получают перекристаллизацией углей при температуре 2200...2500°С. Во многих случаях им отдают предпочтение перед природными, поскольку искусственные графиты имеют очень чистый состав, а их стоимость не превышает стоимости при-родных графитов.

Изделия из графита можно использовать только в инертной сре­де или в вакууме при температуре до 2000°С, а в среде кислорода и двуокиси углерода - при температуре до 500°С.

Основные характеристики природного графита приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9 – Основные свойства природного графита

Параметр	Монокристалл графита относительно базисных плоскостей	Поликристалличе­ский графит
вдоль	поперек
Плотность D, кг/м3   Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм·м	2000…2400
0,4
Температурный коэффициент, К-1: ТКρ ТКl	-9·10-4 6,6·10-6	-4·10-2 2,6·10-6	-1·10-3 7,5·10-6

Графит выпускают в виде прутков, пластин, брусков.

Пиролитический углерод получают в процессе термического разложения без доступа кислорода (пиролиза) газообразных угле­водородов в камере, где находятся стеклянные или керамические заготовки оснований для непроволочных резисторов. Пиролизу подвергают, как правило, углеводороды метанового ряда, облада­ющие способностью при высоких температурах разлагаться с об­разованием на изоляционных подложках пиролитического углеро­да. В технологических процессах изготовления непроволочных резисторов чаще всего используют метан, пары бензина или гептана. В отличие от монокристаллического графита структура пиролити­ческого углерода не имеет строгой периодичности в расположении атомных слоев при сохранении их параллельности. Расстояние меж­ду атома-ми углерода у пиролитического углерода меньше, чем у графита. Пиролитический углерод состоит из отдельных поликри­сталлических конгломератов, осажденных на поверхность изоляционного основания (подложку). Основные свойства пленок пиролитического углерода приведены ниже.

Толщина пленок, см, не более 10^-6

Плотность D, г/см³ 2,05

Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом·см 1,5·10^-5

Температурный коэффициент:

ТКρ, К^-1 2·10^-4 (-4·10^-4)

ТКl, К^-1 6,6·10^-6

Структура и свойства пленок пиролитического углерода зависят:

- от температуры процесса разложения углеводородов (с увеличе­нием температуры пиролиза происходит увеличение кристаллов уг­лерода, содержания в нем различных примесей и уменьшения удель­ного электрического сопротивления ρ);

- скорости проведения реакции пиролиза;

- шероховатости рельефа поверхности подложки;

- глубины вакуума.

Пиролитические пленки углерода обладают следующими свой­ствами:

- высокая стабильность параметров;

- низкий уровень шумов;

- небольшой и неизменный температурный коэффициент сопро­тивления;

- малая зависимость сопротивления от приложенного напряжения;

- стойкость к импульсным перегрузкам;

- относительно низкая себестоимость.

В результате пиролиза бороорганических соединений [В(С₄Н₉)₃ или В(С₃Н₇)₃] получают бороуглеродистые пленки с малым темпе­ратурным коэффициентом удельного электрического сопротивле­ния ТКρ.

Природный графит, сажу, пиролитический углерод и бороуглеродистые пленки используют в качестве проводящих материалов для непроволочных линейных резисторов, которые должны иметь малую зависимость электрического сопротивления от напряжения и высокую стабильность при повышенной температуре и влажнос­ти. Непроволочные резисторы отличаются от проволочных мень­шими размерами и высоким верхним пределом номинального со­противления.

Угольные материалы используют для изготовления щеток. Щетки служат для образования скользящего контакта между не­подвижной и вращающейся частями электрической машины. Раз­личные марки щеток отличаются по значению удельного электри­ческого сопротивления, допустимой плотности тока, коэффициен­ту трения, линейной скорости на коллекторе, составу, технологии изготовления, размеру (прилегающая к коллектору контактная поверхность щетки может иметь размеры от 4 4 до 35 35 мм, высота щетки 12...70 мм).

Промышленность выпускает щетки различных марок: угольно-графитные (Т и УГ), графитные (Г), электрографитированные, т.е. подвергнутые графитированию (ЭГ); медно-графитные с содержа­нием меди, что дает снижение электрического сопротивления и не­значительное контактное падение напряжения между щеткой и кол­лектором.

Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с примесью смолистых веществ. Лаки с добавками углерода обладают широким диапазоном удельного электрического сопротивления (0,01...400 Ом·м).

Для получения стержневых электродов сажу и графит смешива­ют со связующим материалом, в качестве которого используют ка­менноугольную смолу, а иногда жидкое стекло. Полученную массу продавливают через мундштук или прессуют в соответствующих пресс-формах и подвергают термообработке. От режима обжига зависит форма, в которой углерод находится в изделии. При высо­ких температурах обжига (2200°С) углерод искусственно перево­дится в форму графита, размеры кристаллов графита увеличива­ются, повышается проводимость материала и снижается его твер­дость. Этот процесс называют графитированием.

Антрацит представляет собой блестящий, черного цвета ископаемый уголь с наиболее высокой степенью изменения структу­ры в ряду каменных углей. Горит слабым пламенем, почти без дыма, не спекается. Антрацит используют в виде угольных порошков и угольных материалов.

Угольные порошки для микрофонов получают дроблением ант­рацита. Удельное электрическое сопротивление порошка зависит от размеров зерен, плотности засыпки порошка в форму и режимов термообработки. Мелкозернистые порошки получают после просеивания через сито с 52 отверстиями на 1 см², а крупнозернистые – через сито с 45 отверстиями на 1 см². В процессе обжига при темпе­ратуре 600...800°С увеличивается удельное электрическое сопротив­ление порошка. Удельное электрическое сопротивление мелкозер­нистого порошка ρ = 0,4 Ом·м.

Угольные материалы (измельченный антрацит со связкой) для угольных электродов, предназначенных для работы при высоких температурах, обжигают при температурах до 3000°С.

Особенностью угольных изделий является то, что они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного электричес­кого сопротивления ТКρ.