• Home
  • Features
  • Types of conductive thermoplastics - replacement of metallic materials in engineering structures, Part 2

Types of conductive thermoplastics - replacement of metallic materials in engineering structures, Part 2

Types of conductive thermoplastics - replacement of metallic materials in engineering structures, Part 2

The main way to increase the thermal conductivity of polymeric materials is the way of composite materials with the appropriate polymer matrix and a suitable conductive filler.

Mezi vhodná vodivá plniva se nejčastěji zařazují částicová plniva na kovové nebo keramické bázi-stříbro, měď, hliník, oxid hlinitý, nitrid hlinitý, nitrid bóru-tepelnou vodivost kompozitu mohou zvýšit až na cca 4 W/mK.

Další velmi rozšířenou skupinu tvoří kompozity s vláknitým, vyztužujícím plnivem-uhlíkovým vláknem. Vykazují nízkou hustotu-1, 66 až 1, 90 g/ccm, velkou pevnost a únavovou odolnost, malou tepelnou roztažnost, výbornou elektrickou vodivost, mohou mít tepelnou vodivost, podle obsahu C vláken, 245 až 370 W/mK (vodivost mědi).

Vodivá plniva na základě uhlíku jsou nejlepšími plnivy pro výrobu tepelně vodivých kompozitů-saze mohou tepelnou vodivost zvýšit až dvojnásobně, nejlepšími plnivy jsou nanočástice uhlíku (až 695 W/mK), částice syntetického grafitu a C vlákna.

Uhlíkové nanotrubice -Carbon Nanotubes-CNT, jedno z nejlepších vodivých plniv. Vyrábí se ve třech základních provedeních:

-Single Wall Nanotubes-SWNT-s jednou stěnou

-Double Wall Nanotubes-DWNT-se dvěmi stěnami-trubka v trubce

-Multi Wall Nanotubes-MWNT, například MWNT francouzské firmy Arkem mají 12 až 15 stěn, vnější průměr cca 12 nm (12E -9 m ), délku v mikrometrech (xx E -6 m ), měrnou hmotnost od 50 do 150 g/1E -3 cm.

Vyrábějí se syntézou plynů, například etylénu, katalytický systém je odvozen od železa, za vysoké teploty ve fluidním loži.

Porovnání jejich vybraných vlastností s vlastnostmi ocele:

typické hodnotyMWNTOcel
Pevnost v tahu-GPa1500, 4
Modul pružnosti v tahu-GPa1 100208
Hustota-g/1E -3 cm2, 67, 8
Tepelná vodivost-W/mK3 00050


Tepelně vodivé materiály plněné uhlíkovými plnivy jsou zároveň i elektricky vodivými materiály.

U částicových plniv je nutno vzít v úvahu možné snížení mechanických vlastností, například polypropylenový kompozit se 7 % grafitových částic o velikosti cca 15 mikrometrů má o cca 20 % nižší mechanické vlastnosti než čistý PP.  

Elektrická vodivost je vlastnost materiálu vést elektrický odpor. Vodič s odporem 1 ohm má vodivost 1 S (siemens).

Elektrickou vodivost posuzujeme podle měrného elektrického odporu-rezistivity. Měrný elektrický odpor vodivých materiálů je odpor vodiče v ohmech o průřezu 1 ccmm a délce 1 m-ohmccmm/m.

Pro méně vodivé a nevodivé materiály se měrný elektrický odpor definuje jako odpor mezi protilehlými stěnami krychle o straně 1 cm-ohmccm/m.

Nejlepšími vodiči elektrického proudu je stříbro, měď a hliník.

S elektrickou vodivostí těsně souvisí antistatické vlastnosti materiálů. Jejich antistatické vlastnosti se hodnotí pomocí jejich povrchové rezistivity-ohm-nebo objemové rezistivity-ohmm-měrný elelektrický odpor proti zemi. Tento odpor by, v případě antistatických materiálů, měl být menší než 1E9 ohmu.

ESD-elektrostatický náboj-je to náhlý a krátkodobý elektrický proud mezi dvěma objekty s různým elektrickým potenciálem. Ochranou před ESD jsou antistatické materiály zabezpečující uzemnění elektrostatického náboje.

ATEX-ATmospheres EXplosive-ochrana před nebezpečím výbuchu-předpis EU, červen 2003.

Disipace-rozptýlení-nevratná přeměna, například celkové energie v jiné druhy energie, zejména v teplo.  

Dielektrikum je látka, většinou izolant, která má schopnost polarizace. Izolanty jsou podmnožinou dielektrik, každý izolant je dielektrikum, ale ne každé dielektrikum je izolantem.

EMC-elektromagnetická kompatibilita-slučitelnost-je definována jako schopnost zařízení, systému nebo přístroje vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů-přírodní nebo umělé-a naopak svou vlastní elektromagnetickou činností nepřípustně neovlivňují okolí, tj. nevyzařují signály, jež by byly rušivé pro jiná zařízení.

Elektromagnetická kompatibilita se dělí na dvě kategorie:

-EMI-elektromagnetická interference-rušení, někdy i RFI-radio-frequenci interference

-EMS-elektromagnetická susceptibilita-odolnost.

 Cesty pro zajištění elektromagnetické kompatibility:

-elektronické přístroje vytvářejí nežádoucí elektromagnetická pole, která mohou ovlivnit funkci okolních elektrických a elektronických zařízení

-většina elektronických přístrojů je vložena nebo kryta plastovými pouzdry, krabicemi, atd. a tyto přístroje je třeba chránit před parazitními elektromagnetickými poli a zároveň omezit jejich vlastní vyzařování rušivých signálů do okolí

- k ochraně před rušivými elektromagnetickými poli je možno využít několik způsobů, například:

    - na kryty napařit vodivou vrstvu

   - pro výrobu krytů použít typ kompozitního materiálu s polymerní matricí a s vhodným plnivem-u těchto materiálů je nutno si uvědomit, že vhodná, z pohledu stínění, plniva mohou zhoršovat zpracovatelnost kompozitu, zhoršovat některé jeho fyzikálně-mechanické vlastnosti a zvyšují jeho hmotnost

   - negativní vliv plniv na hmotnost výstřiků je možno snížit použitím kompozitů s malými obsahy plniv, která při zpracování podrobíme působení magnetického pole, například vhodným uložením permanentních magnetů ve formě, čímž se ve výstřiku z vodivého plniva vytvářejí organizovaná vodivá vlákna, která vodivé odstínění podstatně zlepší

   - kryty vyrábět jednou z variant dvoukomponentního vstřikování-vstřikování tzv. nemísitelných směsí-jeden polymer vytváří vnější, pohledovou vrstvu a vnitřní vrstvu tvoří výplňový kompozitní materiál s vodivými částicemi-uhlíkové nebo kovové plnivo

   - vstřikování krytů z hořčíkových slitin v tixotropním stavu.

Vedle vodivých kompozitů existují i konjugované polymery, které vykazují vlastní vodivost. Umožňuje to pravidelné střídání jednoduchých a dvojných vazeb-konjugace-v molekulární struktuře.

Konjugované polymery jsou obtížně zpracovatelné, nelze je převést do taveniny, vyrábějí se z nich plastové integrované obvody, využití nalézají i v oblasti vývoje a výroby například neviditelných letadel.

Jedná se o například o polypyrol, polythiofen, polyanilin, poly(p-fenylenvinylen), atp

Magnetické vlastnosti materiálů se zjišťují z jejich chování v magnetickém poli. Podle velikosti permeability, což je fyzikální-materiálová veličina vyjadřující vliv materiálu nebo prostředí na výsledné účinky působícího magnetického pole nebo-li udávající míru magnetizace materiálu nebo prostředí v důsledku působícího magnetického pole, třídíme materiály do tří skupin:

-diamagnetické látky-mají permeabilitu menší než 1-vodík, většina organických sloučenin, měď, zlato, rtuť, olovo, cín, atd. -tyto materiály nezesilují účinek vnějšího magnetického pole

-paramagnetické látky-mají permeabilitu větší než 1, ale ji blízko-kyslík, soli vzácných zemin, alkalické kovy, hliník, platina, atd. -nepatrně zvyšují účinek působícího magnetického pole

-feromagnetické látky-mají vysokou permeabilitu závislou na intenzitě magnetického pole-například železo, nikl, kobalt, slitiny chromu a manganu, atd.

Dále dělíme materiály na:

-magneticky měkké-snadno se zmagnetizují a snadno se odmagnetizují-po zániku vnějšího magnetického pole si magnetické vlastnosti nepodrží

-magneticky tvrdé-obtížně se zmagnetizují, ale své vlastnosti si podrží i po zániku vnějšího magnetického pole, jsou vhodné pro výrobu permanentních magnetů.

Pro vyjádření silových účinků magnetického pole na pohybující se částice s nábojem nebo s magnetickým dipólovým momentem se používá vektorová fyzikální veličina –magnetická indukce B, fyzikální jednotka T (tesla).

Běžné permanentní magnety mají magnetickou indukci od 1E -2 do 1E -1 T.

1. časť »

• pokračovanie článku bude uverejnené 27.10.2014.

  • autor:
  • Lubomír Zeman


    You might also be interested



     

    Article archive

    Upcoming Events