Лабораторная работа 2: Лабараторная работа

Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ПРОВОДЯЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы — определение удельного сопротивления, температурного коэффициента удельного сопротивления проводящего композиционного материала Домашнее задание 1.Изучите физические основы и характерные черты явления электропроводности проводящих композиционных материалов. 2.Ознакомьтесь с методикой определения удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений на постоянном токе. 3.Ознакомьтесь с порядком проведения работы, обработкой полученных результатов и правилами оформления отчета о выполненной работе. Общие положения Проводящие композиционные материалы (ПКМ) представляют собой гетерогенную смесь двух компонент: диэлектрической матрицы (связующего) и электропроводящего наполнителя. При малых объемных концентрациях наполнителя ПКМ ведет себя как диэлектрик, имеет большое удельное сопротивление. Если увеличивать объемную долю наполнителя, то при некотором его значении проводимость материала резко увеличивается и сопротивление композита резко уменьшается. Это явление носит название протекания. В электротехнике и кабельной технике находят применение полимерные композиционные материалы. В качестве связующего используется полиэтилен, а в качестве наполнителя сажи (технический углерод). Применение сажи в качестве наполнителя эффективно за счет ее большой адсорбционной поверхности, высокой пористостью и малым размером частиц. Выпускаемый промышленностью технический углерод имеет средний размер частиц от 10 до 300 нм. Зависимость удельной проводимости полиэтиленового композиционного материала от объемной концентрации сажевого наполнителя приведена на рис. 1. Возникновение проводимости при некоторой объемной концентрации связано с образованием электропроводящих цепочек сажи. Полимерные композиционные материалы используются в качестве саморегулируемого резистивного элемента нагревательных кабелей (рис. 2). При подаче напряжение на токопроводящие жилы, в композиционном резистивном элементе будет протекать ток, который сопровождается 16 выделением тепла. При увеличении температуры расширяются матрица и наполнитель композиционного материала. Коэффициент объемного расширения матрицы больше, чем у наполнителя вследствие этого электропроводящие цепочки разрываются - сопротивление увеличивается, ток уменьшается, и температура кабеля стабилизируется. На рис. 3 приведена зависимость удельного сопротивления композита полиэтиленсажа от температуры. При температурах, больших температуры плавления наблюдается уменьшение удельного сопротивления за счет агломерации проводящих частиц. Рис.1. Зависимость проводимости композита полиэтилен - печная сажа от концентрации наполнителя Рис. 2 Саморегулируемый кабель и элементы его конструкции: 1)медные токопроводящие жилы; 2)композиционный резистивный элемент; 3)внутренняя термостойкая изоляция; 4)второй слой внутренней изоляции; 5)экранирующая медная оплетка; 6)внешняя термоизоляционная оболочка Ом-1.м-1 0.01 0.1 1 с 10-10 10-6 10-2 102 17 Рис. 3 Зависимость удельного сопротивления саженаполненного композита от температуры Важной характеристикой композиционного материала, используемого в качестве нагревателя является его удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления, определяемый как Описание лабораторной установки В работе используется та же лабораторная установка, что и в лабораторной работе №1. С той лишь разницей, что в качестве измерительного прибора вместо тераомметра используется мегаомметр. Для измерений поверхностного и объемного сопротивлений используются электроды с геометрическими размерами: Толщина образца Рабочее задание 1. Снять зависимость удельного объемного сопротивления от температуры. Узнать у преподавателя геометрические размеры образца. Диапазон температуры: от комнатной до 80 °С с шагом 10 °С. Для расчета удельных объемных сопротивлений воспользоваться соотношением (4) лабораторной работы №1. По найденным значениям построить зависимость ( ), и ( )где Т измеряется в градусах по шкале Цельсия. 2. Снять зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры. Для расчета удельных поверхностных сопротивлений Ом.м T, C Точка плавления 50 100 150 1010 108 106 18 воспользоваться соотношением (7), приведенным в лабораторной работе №1. По найденным значениям зависимость ( ). Повторить пункты 1и 2 в обратной последовательности, изменяя температуру от 80 °С до комнатной. Сделать письменные выводы по проделанной работе с объяснением полученных зависимостей. Подготовить отчет по проделанной работе в соответствии с установленными требованиями. Порядок проведения работы Работа на установке требует строгого соблюдения правил электробезопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устройством лабораторного стенда, рабочим заданием, приведенным в работе, указаниями по выполнению работы. Приступать к работе можно по разрешению преподавателя. Включите питание термостата («Сеть»). При этом обратите внимание, что цифровой индикатор должен показывать 15 С и должен светиться индикатор «Б». 2. Выдержите термостат во включенном состоянии в течение 10 мин. 3. Включите мультиметр в режиме измерения сопротивления (выбрав ручкой переключения шкалу 200 или 2К, измерения до 200 Ом до 2 кОм соответственно). 4. Проведите измерения объемного и поверхностного сопротивлений образца при комнатной температуре (начальное значение температуры внутри рабочей камеры термостата), для этого: нажмите кнопку «Измер. Т» термостата и измерьте значение комнатной температуры по цифровому индикатору; переведите тумблер « » приемной кассеты термостата в положение « », измерьте значение объемного сопротивления; переведите тумблер « » приемной кассеты термостата в положение «Rs», измерьте значение поверхностного сопротивления. Повторите измерения объемного и поверхностного сопротивлений для температур до 80 Контрольные вопросы 1. Чем вызвана электропроводность полимерных композиционных материалов? 2. Чем вызвано применение в качестве наполнителя технического углерода? 3. Почему сопротивление композиционных материалов возрастает с ростом температуры? 4. В чем состоит методика измерений удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений?