ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОВОДНИК И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRIC CONDUCTOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Настоящее изобретение относится к электрическому проводнику, в частности к электронагревательному элементу, состоящему из несущей структуры и электропроводящего материала, причем несущая структура выполнена из многоволоконной жилы, а электропроводящий материал состоит из углеродного материала, сцепленного с многоволоконной жилой. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления электрического проводника, в частности электронагревательного элемента, включающему подготовку несущей структуры из многоволоконной жилы, выполненной в виде жгута, расположение несущей структуры в соответствии с требуемой геометрией проводника и фиксацию геометрии проводника нанесением на многоволоконную жилу углеродного материала.
Давно известно, что электрические проводники, в частности электронагревательные элементы, которые, например, при исполнении в виде внешней обмотки, служат для нагревания поверхностей или тел, изготавливаются из металла. Однако использование металлических проводников или электронагревательных элементов в области высоких температур, т.е., например, >1000°С, часто не приносит успеха из-за недостаточной температуростойкости металлических проводников. Поэтому производители перешли на изготовление таких проводников из углеродного материала на основе многоволоконной системы, используемой в качестве полуфабриката в виде полотна или пластины, из которых затем с помощью соответствующих способов механической обработки, например фрезерования, можно вырезать нужные проводниковые схемы.
Однако указанный способ оказывается весьма трудоемким особенно при изготовлении пространственных проводниковых структур.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить электрический проводник и способ его изготовления, который позволял бы особенно просто производить даже пространственно сложные проводниковые структуры или проводниковые схемы.
Эта задача решается в электрическом проводнике, охарактеризованном признаками пункта 1 формулы изобретения, или в способе изготовления такого проводника, охарактеризованном признаками пункта 9 формулы изобретения.
Согласно изобретению электрический проводник имеет несущую структуру и электропроводящий материал, причем несущая структура выполнена из многоволоконной жилы (многоволоконной системы), а электропроводящий материал состоит из углеродного материала, сцепленного с многоволоконной жилой.
Таким образом, предлагаемая в изобретении структура электрического проводника позволяет изготавливать проводник на основе многоволоконной жилы, которая служит несущей структурой, т.е. основой, и легко деформируется или располагается для придания проводнику требуемой геометрии. Поскольку электропроводящий материал состоит из углеродного материала, нет необходимости в том, чтобы многоволоконная жила, которая служит несущей структурой, обладала электропроводящими свойствами. Напротив, электропроводящими свойствами может обладать только электропроводящий материал, сцепленный с многоволоконной жилой.
Разумеется, возможны также варианты выполнения электрического проводника, в которых многоволоконная жила несущей структуры или образующие многоволоконную жилу волокна обладают электрической проводимостью, например содержат углеродные волокна.
Однако электропроводящий материал служит не только для реализации функции электрической проводимости, но и для стабилизации или фиксации многоволоконной жилы в положении, определяющем геометрию готового проводника.
Особенно предпочтителен вариант, в котором электропроводящий материал состоит из углерода, осажденного на многоволоконной жиле методом пиролитического осаждения, так как осажденный из газовой фазы на многоволоконную жилу сублимат обеспечивает равномерное покрытие многоволоконной жилы.
Если покрытие необходимо нанести осаждением на многоволоконную жилу сравнительно тонким слоем, то целесообразно предусмотреть осаждение такого покрытия методом химической инфильтрации из газовой (паровой) фазы (CVI - сокр. от англ. "chemical vapour infiltration"). Помимо всего у проводников с покрытием, нанесенным методом химической инфильтрации из газовой фазы, осажденный из газовой фазы углерод лучше пропитывает многоволоконную жилу, поэтому такие проводники отличаются повышенным сопротивлением изгибу или прочностью.
Вместе с тем, в предлагаемом в изобретении электрическом проводнике в качестве электропроводящего материала может использоваться также карбонизированный углеродный материал, что позволяет при необходимости изготавливать такой проводник альтернативным способом. Особенно предпочтительно в этой связи, если электропроводящим материалом является стеклоуглерод, который можно получать очень просто по известной технологии путем карбонизации нанесенной на многоволоконную жилу смолы, в частности феноло-формальдегидной смолы.
Хотя, как уже упоминалось вначале, предлагаемый в изобретении проводник не обязательно должен иметь в своем составе в качестве несущей структуры многоволоконную жилу с электропроводящими свойствами, может оказаться целесообразным, например, для достижения требуемого полного электрического сопротивления проводника изготовление многоволоконной жилы из электропроводящих, в частности углеродных, волокон.
В частном случае электрического проводника, у которого многоволоконная жила снабжена покрытием, полученным осаждением углерода из газовой фазы, может оказаться целесообразным нанесение на углеродное покрытие дополнительного покрытия из карбида кремния пиролитическим методом, например методом химического осаждения из газовой (паровой) фазы (CVD - сокр. от англ. "chemical vapour deposition"). Благодаря дополнительному покрытию из карбида кремния, во-первых, создается особенно плотная, твердая поверхность, во-вторых, реализуется особая защита от окисления.
Предлагаемый в изобретении способ изготовления электрического проводника, в частности электронагревательного элемента, включает в себя подготовку несущей структуры из многоволоконной жилы, выполненной в виде жгута, расположение несущей структуры в соответствии с требуемой геометрией проводника и фиксацию геометрии проводника нанесением на многоволоконную жилу углеродного материала.
Предпочтительная возможность нанесения углеродного материала на несущую структуру состоит в том, чтобы осаждать углерод на многоволоконную жилу методом пиролитического осаждения.
Осаждение углерода на многоволоконной жиле методом химического осаждения из газовой фазы позволяет реализовать сравнительно быстрое наращивание наружного покрытия на многоволоконной жиле для получения требуемой толщины слоя.
Осаждение углерода на многоволоконной жиле методом химической инфильтрации из газовой фазы позволяет достичь особенно высокой степени пропитки многоволоконной жилы углеродом, что обеспечит механически прочную связь отдельных волокон углеродом и, как следствие, особенно высокую жесткость многоволоконной жилы в целом.
Углеродное покрытие можно наносить также, комбинируя разные методы осаждения, в частности метод осаждения из газовой фазы, с методом инфильтрации из газовой фазы.
Другая предпочтительная возможность нанесения углеродного материала на многоволоконную жилу состоит в нанесении углеродсодержащего, в частности органического, вещества с его последующей карбонизацией. Это позволяет, например, изготовить электронагревательный элемент, имеющий наружное покрытие из стеклоуглерода, в частности, если в качестве углеродсодержащего вещества используется смола.
Ниже поясняются различные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа и различные примеры выполнения электронагревательных элементов со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 изображена блок-схема процесса изготовления электронагревательного элемента,
на фиг.2 - выполненная в виде жгута многоволоконная жила для изготовления несущей структуры электронагревательного элемента,
на фиг.3 - общий вид электронагревательного элемента в первом варианте его исполнения,
на фиг.4 - вид в разрезе электронагревательного элемента, показанного на фиг.3,
на фиг.5 - вид в разрезе альтернативного электронагревательного элемента.
Представленная на фиг.1 блок-схема производственного процесса описывает технологию изготовления электронагревательного элемента 10 (фиг.3) на основе выполненной в виде жгута многоволоконной жилы 11, которая показана на фиг.2, и для определения ее положения в пространстве или геометрии 13 проводника расположена на формовочном шаблоне 12. Формовочный шаблон 12, который в данном случае представляет собой графитовый цилиндр, служит в рассматриваемом варианте для придания проводнику спиральной геометрии 13.
Выполненная в виде жгута многоволоконная жила 11 состоит в рассматриваемом случае из плетеного рукава, изготовленного из угольных волокон, стенка которого выполнена из переплетенных прядей. Такие плетеные рукава в стандартном исполнении используются в качестве заготовки при производстве углеволоконных изделий. Вместе с тем, в отличие от приведенного выше примера исполнения точно так же можно использовать многоволоконную жилу как исходный материал для изготовления электронагревательного элемента из волокон, не обладающих электрической проводимостью, например из окиси алюминия.
Показанную на фиг.2 соответствующую контурам формовочного шаблона 12 геометрию 13 проводника можно простым способом получить, например, лишь зафиксировав концы 14, 15 заготовки из многоволоконной жилы 11 на формовочном шаблоне 12. Для фиксации формы заготовки из многоволоконной жилы, т.е. геометрии 13 проводника, соответствующей его расположению на формовочном шаблоне 12, в предпочтительном варианте способа осуществляется осаждение углерода из газовой фазы на многоволоконной жиле 11, расположенной на формовочном шаблоне 12.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения осаждение осуществляется из метановой фазы в вакууме при условиях, обеспечивающих так называемую "химическую инфильтрацию из газовой фазы", в ходе которой углерод из газовой фазы не только сублимируется на поверхности многоволоконной жилы, но и проникает в нее и обеспечивает связывание отдельных волокон 19 в многоволоконной жиле 11 друг с другом, например, как показано на фиг.4. Поэтому в результате инфильтрации углерода в многоволоконную жилу слой углерода 16 осаждается не только по внешнему периметру 17 заготовки из многоволоконной жилы 11, но и на боковых поверхностях 18 отдельных волокон 19. Это ведет к образованию перемычек 20 между волокнами 19, придающих многоволоконной жиле 11 высокую жесткость.
Для углеродного покрытия 16, полученного указанным методом инфильтрации из газовой фазы, в процессе экспериментов были достигнуты различные значения толщины слоя, в том числе <20 мкм.
В зависимости от назначения электронагревательного элемента 10 путем фиксации его формы, как пояснялось выше, методом инфильтрации из газовой фазы можно получить уже готовое изделие.
В частном случае, когда, например, для дальнейшего повышения электрической проводимости проводника необходимо увеличить толщину осажденного пиролитическим методом слоя, можно при необходимости после газофазной очистки нанести на первое осажденное углеродное покрытие 16 второе осажденное углеродное покрытие. При этом можно предпочтительно использовать метод химического осаждения из газовой фазы, так как пропитка многоволоконной жилы 11 углеродом уже достигнута использованием метода химической инфильтрации из газовой фазы, что позволяет ускорить наращивание слоя при создании второго углеродного сублимата.
Независимо от того, осаждался ли углеродный сублимат на многоволоконной жиле 11 методом химического осаждения из газовой фазы или химической инфильтрации из газовой фазы, может оказаться целесообразным нанесение последующим пиролитическим осаждением на углеродный сублимат защитного слоя карбида кремния.
2
3
2
В качестве альтернативы или дополнительно можно предусмотреть также другие слои, например, содержащие TiC, TiN, AlO, ZrO или их комбинации. Нанесение этих слоев может осуществляться подходящими в каждом конкретном случае методами, такими как осаждение из паров, погружением в жидкие, текучие или пастообразные материалы покрытия, методом плазменного напыления и т.д.
В частном случае, когда к жесткости электронагревательного элемента предъявляются менее высокие требования, для изготовления электронагревательного элемента 21, показанного на фиг.5, углеродный сублимат 21 можно также наносить на многоволоконную жилу 11 с фиксацией геометрии последней, используя метод химического осаждения из газовой фазы, при этом, как видно, в частности, из сравнения фиг.4 и 5, покрытие будет образовываться по существу по внешнему периметру 17 заготовки из многоволоконной жилы 11, без образования мостиков 20, как в случае электронагревательного элемента 10, показанного в разрезе на фиг.4.
Для углеродного сублимата 21, полученного упомянутым методом химического осаждения из газовой фазы, при проведении экспериментов была получены толщина слоя от 5 до 100 мкм.
Независимо от того, какой из вышеназванных методов выбирается для осаждения углерода из газовой фазы на многоволоконной жиле или же предпочтение отдается образованию фиксирующего форму проводника углеродсодержащего электропроводящего материала на многоволоконной жиле путем карбонизации, все варианты осуществления способа обеспечивают получение жесткого на изгиб электронагревательного элемента с малым диаметром поперечного сечения на основе податливой на изгиб заготовки, располагаемой в любых геометрических формах в пространстве. Этот электронагревательный элемент открывает ранее неизвестные возможности формообразования проводников при одновременной их миниатюризации. Кроме того, изготовленные таким путем электронагревательные элементы можно использовать в области температур до 3000°С. Кроме того, предлагаемые в изобретении электрические проводники могут использоваться не только в качестве электронагревательных элементов, но и в измерительной технике, например, в качестве измерительных проводников, работающих при высоких температурах окружающей среды.