Сшивка полимерно-углеродных композитов для самовосстанавливающихся предохранителей

Каминская Т.П., Подшибякин С.В. СШИВКА ПОЛИМЕРНО-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Самовосстанавливающиеся предохранители - это резисторы с положительным ТКС, выдерживающие до 3000 переключений без замены, основу которых составляет проводящая полимерная композиция на основе полио-лефинов и сополимеров с интеркалированными в нее (от 20 до 45 % (вес.)) углеродными наночастицами.

Проводимость такого материала при обычной температуре имеет перколяционный характер и определяется свойствами проводящего углеродного кластера и проводящих цепочек, распределенных между цепями кристаллического полимера. При повышении значения тока выше порогового температура материала возрастает до 12 0-125°С, что приводит к фазовому переходу полимера. В результате плавления кристаллических частиц полимера объем полимерного материала возрастает (для материалов с положительным ТКС), что вызывает разрыв проводящих цепей и резкое ( до 6 порядков) увеличение сопротивления элемента («пози-сторный эффект»), что равносильно размыканию цепи.

В момент снятия приложенного напряжения СВП автоматически переключается в исходное низкоомное состояние (самовосстанавливается). Значение сопротивления предохранителя в проводящем состоянии составляет доли Ома. Время срабатывания зависит от тока нагрузки и составляет 0.1-15 с, причем, чем больше ток, тем быстрее срабатывает предохранитель.

СВП элемент изготавливался из проводящего пластика, отформованного в тонкий лист с припрессованными (либо напыленными) электродами с обеих сторон. Электроды гарантируют равномерное распределение энергии по площади поверхности. К электродам припаивались никелевые лепестковые выводы.

Одной из основных технических операций при изготовлении самовосстанавливающихся предохранителей является сшивка полимерно-углеродного композита, которая позволяет стабилизировать основные эксплуатационные параметры СВП, придать пленке соответствующую жесткость, гибкость и получить необходимые механические характеристики.

Как известно, сшивка-это создание в полиэтилене пространственной решетки за счет образования продольно-поперечных связей между макромолекулами полимера. Способ сшивания полиэтилена оказывает существенное влияние на степень кристалличности, природу межцепных связей, плотность упаковки в аморфных зонах полиэтилена и, соответственно, на физико-механические и релаксационные свойства композита. Тип поперечных связей влияет на устойчивость полимерных цепей, а структура макромолекул влияет на реакционную способность поперечных связей. На физико-химические и технологические свойства композита также влияет взаимодействие макроцепей за счет водородных и других видов межмолекулярного взаимодействия. При одном типе поперечных связей для одного полимера способ сшивки оказывает существенное влияние на реакционную способность как узлов, так и мономерных звеньев.

Относительное количество образующихся поперечных связей в единице объема полиэтилена определяется показателем «степень сшивки». Степень сшивки - это отношение массы полиэтилена, охваченного трехмерными связями, к общей массе полиэтилена.

Степень сшивки определяется методом экстракции. Благодаря сшивке свойства исходной композиции значительно изменяются, улучшается прочность, химическая стойкость, стойкость к горению, электрическая прочность при повышенных температурах.

Сшитый полиэтилен получают перекисным, силанольным или радиационными способами. Первые два способа сшивки, особенно первый, приводят к образованию в композиции гидро-перекисных групп, способствуя сильному окислению полиэтилена, что приводит к значительному увеличению сопротивления контактов. Радиационная сшивка заключается в воздействии на С-Н связи полиэтилена потоком заряженных частиц (ё) или у-лучей. При таком воздействии часть связей С-Н разрывается. Углерод становится обладателем свободной связи и объединяется со свободной связью в соседней молекулярной цепочке, образуя тем самым поперечные межмолекулярные связи в аморфной области.

Способом сшивки полимерно-углеродных композитов для разрабатываемых на ФГУП «НИИЭМП» (г. Пенза) самовосстанавливающихся предохранителей (рис. 1) [1-3] был выбран радиационный.

Основной задачей, которую было необходимо решить при выполнении данной работы, являлась оптимизация дозы радиационного воздействия. Образцы полимерно-углеродного композита были подвергнуты воздействию у-излучения по режимам А и Б.

На рисунке 2 приведены графики температурных зависимостей сопротивления облученных образцов с различными поглощенными дозами у-излучения.

Рисунок 1 - Самовосстанавливающиеся предохранители производства ФГУП «НИИЭМП»

Р.им' -

ЮМ

1 м

100 к

10 к

10 30 50 70 90 110 130 150 170 уС

Рисунок 2 - Температурные зависимости сопротивления облученных образцов

Большие дозы излучения незначительно влияют на начальное сопротивление композиций, но заметно снижают «позисторный эффект» сопротивления. Чем больше поглощенная доза, тем меньше «позисторный эффект». На основе проведенных исследований была выбрана оптимальная доза, облучение полимерно-углеродных композитов которой позволило получить оптимальные механическую прочность, жесткость и гибкость образцов, электрическую прочность композитов при высоких температурах, а также значительный (до 4,5 порядков) «позисторный эффект».

ЛИТЕРАТУРА

1. Каминская Т.П., Недорезов В.Г. Самовосстанавливающиеся предохранители на фазовом переходе // Надежность и качество. Труды международного симпозиума, Пенза, 21-31 мая 2007г. - Пенза. - 2007.- Т.

2. - С. 286-288.

2. Каминская Т.П., Недорезов В.Г. Нанотехнологии - резисторостроению// Надежность и качество. Труды международного симпозиума, Пенза, 21-31 мая 2007. - Пенза. - 2007. - Т. 1. - С. 33-34.

3. Недорезов В.Г., Подшибякин С.В., Каминская Т.П., Сабаев А.А, Кичигина И.Н. Исследования и раз-

работка самовосстанавливающихся предохранителей на фазовом переходе. Материалы, изделия и технологии пассивной электроники. Труды международного симпозиума, Пенза, 18-21 сентября 2007г. - Пенза. -

2007. - С. 83-90.