авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И РЕЗИСТОРОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ

-- [ Страница 3 ] --

В уравнении полного тока, записанном выше, учтём диффузионную составляющую тока, направленную встречно приложенному полю, которая значительна в слабых электрических полях. Выражение принимает вид

(20)

Решение уравнения полного тока (13) было выполнено для системы контактирующих полупроводниковых углеродистых частиц при изменении в заданных интервалах параметров, входящих в это уравнение (таблица 1) [48].

Для проведения расчётов по уравнению полного тока была создана компьютерная программа, позволяющая получить зависимости плотности тока в контакте от параметров ПДП-системы для дальнейшего их использования в технологии получения изделий. Программа для решения уравнения полного тока и его коэффициентов написана на языке программирования Delphi 7,0, может работать на ПЭВМ любой конфигурации и предназначена для работы в среде MS Windows 98/2000/XP.

График зависимости плотности тока в контактах ПДП от ширины зазора (рисунок 7) показывает, что изменение зазора и напряжённости электрического поля значительно влияют на проводимость системы.

Таблица 1 – Интервалы изменения параметров «полупроводник-диэлектрик-полупроводник»-системы

Расчётные параметры Величина параметра
Работа выхода U0, Дж (2,24 - 6,41)·10-19
Ширина зазора S, м (0,5 - 10)·10-9
Напряжённость электрического поля E, В/м 105 - 109
Температура Т, К 300 - 700
Диэлектрическая проницаемость 1 - 11
Постоянная Планка h, Дж•с 6,62·10-34
Энергия Ферми , Дж 0,08·10-19
Эффективная масса электрона m* 1,1· m
Масса электрона m, кг 9,1·10-31
Концентрация электронов n, см-3 1·1017
Заряд электрона е, Кл 1,6·10-19
Диэлектрическая постоянная, Ф/с 8,85·10-12

Работа выхода электронов U0 оказывает решающее влияние на проводимость ПДП систем. В свою очередь работа выхода находится в большой зависимости от приложенного электрического поля. По расчётам видно, что снижение работы с U0 = 6,41·10-19 до U0 = 2,24·10-19 Дж при прочих равных условиях приводит к увеличению плотности тока почти на три порядка.

Расчёты показывают, что диэлектрическая проницаемость материала зазора незначительно влияет на проводимость системы. Так, при U0 = 2,24·10-19 Дж; Т = 300 К; S = 2,9 ·10-9 м увеличение диэлектрической проницаемости от 1 до 4 приводит к уменьшению плотности тока до 20% (рисунок 8).



Температура также оказывает слабое влияние на плотность тока в контакте (рисунок 9).

Если при U0 = 2,24·10-19Дж; S = 1,5·10-9 м; = 11 не учитывать диффу-зионную составляющую тока, то увеличение температуры от 300 К до 500 К приводит к незначительному увеличению плотности тока в контакте (менее 5%). Увеличение температуры приводит к резкому возрастанию диффузионной составляющей полного тока. Увеличение напряжённости электрического поля на порядок приводит к снижению влияния температуры почти на 10%, т.е. снижает влияние диффузионной составляющей полного тока. При напряжённости электрического поля более 108 В/м с достаточной степенью точности диффузионной составляющей полного тока можно пренебречь.

  Зависимость плотности-48

Рисунок 7 – Зависимость плотности тока в контакте «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» от ширины зазора – S(нм) и напряжённости поля – Е (В/м)

  Зависимость плотности-49

Рисунок 8 – Зависимость плотности тока в контакте «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» от температуры – Т и диэлектрической проницаемости –

  Зависимость-51

Рисунок 9 – Зависимость плотности тока в контакте «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» от температуры – Т и напряжённости поля – Е(В/м)

В результате решения уравнения полного тока получен ряд зависимостей, которые в комплексе позволяют направленно регулировать свойства РКМ технологическими приёмами [6, 12].

Системно-аналитические исследования РКМ и проведённые расчёты свидетельствуют о том, что:

электропроводность в слабых электрических полях подчиняется перколяционной теории;

в сильных электрических полях электропроводность необходимо рассчитывать по уравнению полного тока контактирующих проводящих частиц;

в промежуточных электрических полях действует эффект Френкеля-Пула.

Рассмотрены вопросы компьютерного моделирования для подбора рецептуры композиционных материалов при совместном использовании экспериментальных и расчётных данных с учётом особенностей структуры резистивных композиционных материалов. Зависимости электро-, тепло- и физико-механических характеристик от состава и структуры материала положены в основу методик подбора состава и предварительного прогноза параметров РКМ, что приводит к снижению затрат от 15 до 40% при выполнении поисковых научно-исследовательских работ. Разработанны компьютерные структурные модели для композитов с дисперсными наполнителями, учитывающие изменение параметров воздействующих на них факторов в условиях близких к эксплуатационным.

В различных электрических схемах наиболее распространёнными элементами являются резисторы, ЭНУ и заземлители, изготавливаемые из металлических и непроволочных материалов. Многообразие резисторов и ЭНУ, связанное с областями их применения, вызвало необходимость более детальной классификации с учётом их технологических и конструктивных особенностей. Приводятся данные по исследованию структурообразования, закономерностей его изменения для композитов на основе силикатных и полимерных связок – бетэла и рапита [15-16, 21, 56].

В работе исследуется распределение электрического поля в прижимных контактах изделий из РКМ, объёмных резисторов и электронагревателей, в которых рабочий элемент набирают из отдельных однотипных резистивных цилиндров, квадратов и т.п., различных размеров по толщине и площади (рисунок 10) [15-17,21].

  Конструкции-52

Рисунок 10 – Конструкции электронагревательных устройств:

а) из РКМ 4; б) из РКМ 2; в) из РКМ 3; г) из РКМ 3; 1 – электронагреватель; 2 – электрод; 3 – электроизоляционный материал (бетон или резина)

Наборные конструкции на основе однотипных дисков позволяют широко варьировать такими параметрами резисторов как номинальное сопротивление, рабочее напряжение и т.д. Однако известно, что электрическая прочность резисторов значительно ниже прочности самих резистивных дисков, что объясняется не только увеличением неоднородности электрического поля с увеличением общей длины резистивного элемента, но и наличием большого числа прижимных контактов, вызывающих нарушение гомогенности структуры резистивного элемента по его длине. Это необходимо учитывать при разработке резисторов и на этапе проектирования количественно оценивать влияние контактного сопротивления на снижение рабочих напряжений резисторов [16-17, 41, 56].

Расчёт распределения потенциала основывается на решении уравнения Лапласа, описывающего электрическое поле в проводящей среде [16, 41]. В цилиндрических координатах и с учётом осевой симметрии резистивных дисков, уравнение Лапласа имеет вид

. (21)

  Расчётные граничные-54

Рисунок 11 – Расчётные граничные условия резистивного диска

Решение уравнения может быть представлено в виде , где (Z) является решением задачи при равномерном распределении потенциала, а (Z, r) учитывает стягивание линий тока к электроду, т.е. контактное сопротивление [13, 16, 41]. Для (Z) уравнение и граничные условия запишутся

, , (22)

где – удельное сопротивление материала резистивных дисков; J(h,r) – плотность тока через торцевую часть диска; h – высота диска.

С учётом определения функции (Z) и J(h,r) = const, решение имеет вид (Z) = IZ/R, где I – ток через резистивный диск и R – его радиус. Граничные условия для функции (Z, r)

, (23)

где.

Тогда общее решение уравнения (21) для (Z, r)

(Z, r) = . (24)

С учётом граничных значений окончательно получаем

, (25)

где– положительные корни уравнения ; – функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка, соответственно.

Выражение (25) получено без учёта переходного сопротивления между электродом и самим резистивным диском. Однако, исходя из граничных условий (23), т.е. постоянной плотности тока через поверхность электрода, легко учесть и переходное сопротивление, которое в ряде случаев влияет на распределение потенциала в большей мере, чем сопротивление стягивания, значение которого оценивается вторым слагаемым выражения (25).

Численное решение позволяет рассчитывать поля в резисторах с различной степенью нелинейности вольт-амперных характеристик. В этом случае уравнение, описывающее распределение потенциала имеет вид

, (26)

где – проводимость материала диска; – потенциал.

Граничные условия при решении уравнения (26) записываются следующим образом

, (27)

где R – радиус; Z0 – полувысота; r – текущая координата в радиальном направлении и Z – координата по высоте диска (причём начало координат выбрано в середине диска).

Условие = 0; R = r >R; Z = Z0 ; справедливо лишь для уединенного резистивного диска. Если же учитывать влияние соседних дисков, то при подаче напряжения на резистивный элемент, в зазоре между кромками дисков появляется разность потенциалов, которая индуцирует поверхностный заряд и поэтому приведённое граничное условие нарушается, а вместо уравнения Лапласа необходимо решать уравнение Пуассона. Однако из-за сложности прямого решения задачи предложен и реализован способ последовательного приближения, когда на первом этапе принимается первоначальное граничное условие, а затем, после решения интегральных уравнений и определения поверхностного заряда, граничное условие уточняется и задача решается вновь до тех пор, пока разница в определении плотности заряда на

кромках дисков не станет меньше требуемой.

При апроксимации нелинейной вольт-амперной характеристики резисторов использовано выражение [15-17, 21, 40]

U = R0 ·I , (28)

где U – напряжение, приложенное к резистору; R0 – сопротивление резистора при токе I = 1А; – степень нелинейности.

Из формулы (28) следует

= 0 (1/) Е (1- )/, (29)

где – удельная электропроводность; 0 – удельная электропроводность при I = 1А; Е – напряжённость электрического поля.

По составленной программе рассчитывались электрические поля в резистивных дисках с различной степенью нелинейности вольт-амперных характеристик, исследовалось влияние на параметры резисторов переходных сопротивлений между слоем металлизации (электродом) и диском. При этом оценивалось сопротивление, обусловленное разницей диаметров электрода и диска, рассматривалось сопротивление всего резистивного элемента с учётом контактных сопротивлений между резистивными дисками и т.д.





Наличие в контактных узлах резисторов воздушных зазоров снижает электрическую прочность резисторов и поэтому напряжение пробоя зависит не только от электрической прочности самих резистивных дисков, но и от значения контактного сопротивления, а также способа соединения дисков друг с другом. Экспериментальные значения напряжённости электрического поля в зазорах между резистивными дисками можно снизить: изоляцией стыков между дисками с помощью различных клеевых составов; шоопированием торцевых поверхностей дисков алюминием, кадмием, цинком и другими металлами с дальнейшим покрытием аквадагом или контактолом. Подготовленные таким образом резистивные диски собирают в виде колонки, которую обжимают с усилием от 0,3 до 2,0 МПа. При этом обеспечивается надёжное контактирование металлизированных поверхностей и исключается наличие воздушных пустот между ними. Поверхность резистивной колонки по специальной технологии покрывают слоем электроизоляционных кремнийорганических эмалей. Типовые промышленные конструкции резисторов приведены на рисунке 12 [13-17].

Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась по разработанным программам и с использованием диалоговой системы «Stadia», которая дополнительно обеспечила систематизацию результатов исследований [13-15].

а) б)

Рисунок 12 – Конструкция бетэловых резисторов типов: а – РБШН-3,5; б – РСК-Н-02, выпущенных предприятием «Энерготехпром»:

1 – активная часть; 2 – резистивные диски (галеты); 3 – фарфоровая покрышка; 4, 5 – металлические верхняя и нижняя крышка с предохранительными клапанами; 6 – тарельчатая пружина; 7 – скосы дисков; 8 – диэлектрический наполнитель; 9 – электроизоляционное покрытие

В третьей главе приводится обоснование применения ингредиентов в резистивных композиционных материалах (РКМ) и электротехнических конструкциях (резисторах, электронагревателях и др.), предназначенных для работы в схемах электротеплоснабжения объектов АПК. Использование гетерогенной системы для бетэла, состоящей из электропроводной фазы, цемента и диэлектрических наполнителей, позволило создать бетэловые резисторы и ЭНУ с большой энергией рассеяния при минимальной индуктивности [13-15].

Повышенные тепло- и электрофизические параметры РКМ получены при применении силикатной связки – натриевого жидкого стекла - вместо цемента. Например, диэлектрические композиционные материалы на основе натриевого жидкого стекла имеют: повышенную нагреваемость, позволяющую длительное время работать при температурах, превышающих 500 К; стойкость к воздействию минеральных кислот большой концентрации; высокие адгезивные свойства, позволяющие при максимальном количестве компонентов получать необходимые механические свойства (высокую механическую прочность в воздушно-сухом состоянии) [13, 21].

Диэлектрические наполнители не только участвуют со связкой в создании структуры композиции, но и оказывают решающее влияние на физико-механические, тепло- и электрофизические свойства.

Стремлением к повышению водостойкости бетэла обусловлено использование в его составе коллоидной смеси каучука и других полимеров в водной среде – различных типов латексов с добавлением неионогенных поверхностно-активных веществ (НПАВ). В этом случае латексы при смешивании не коагулируют с активными наполнителями, например, содержащими поливалентные ионы цемента, глины, гипса и т.п.

Выбор полимерного связующего для РКМ с необходимыми эксплуатационными характеристиками определяется возможностью реализации производства при комбинировании связующего с армирующими наполнителями, то есть возможностью создания эффективной технологии. К связующим предъявляется ряд специальных требований: стабильность характеристик в заданном температурном интервале, негорючесть, нетоксичность, водо- и химостойкость и т.д. [17, 26, 33].

Применение электропроводных полимерных композиций для резисторов различного назначения оценивалось в зависимости от их состава и последующей обработки. Электрическая проводимость их осуществляется техническим углеродом, дисперсным графитом или порошковыми металлами, введёнными в структуру полимеров.

Так как структура полимера в значительной степени определяет распределение электропроводного компонента, то удельное сопротивление РКМ зависит от природы эластомера. Критерием выбора полимерного связующего является обеспечение заданных электрофизических, теплофизических и физико-механических характеристик.

Экспериментально установлено, что при одинаковом содержании технического углерода меньшим электрическим сопротивлением обладают РКМ на основе полимеров, имеющих высокоупорядоченные надмолекулярные образования. Более стабильные электрофизические характеристики имеют резины на основе смесей кристаллизирующихся и аморфных каучуков, по сравнению с электропроводными резинами на основе каждого из каучуков в отдельности. Резина на основе комбинаций бутилкаучука (БК-2055) и бутадиен-нитрильного сополимера (СКН-26) имеет электропроводность, сильно зависящую от условий введения наполнителя, что связывают с формированием токопроводящей углеродной структуры. Для всех разновидностей бутилкаучука введение активных наполнителей способствует повышению прочностных, тепло- и электрофизических характеристик [11, 15-17, 21].

Наряду с фторсодержащими каучуками в последнее время находят применение политетрафторэтилен (ПТФЭ) – фторопласт-4 (Ф-4), сополимеры тетрафторэтилена с гексафторпропиленом. Фторопласты обладают высокой химической активностью, термо-, морозо-, и атмосферостойкостью, комплексом повышенных физических свойств и негорючестью. ПТФЭ не выдерживает действия только газообразных хлора или фтора при повышенных температурах и давлениях, а также расплавленных щелочных металлов. Являясь термически стойким полимером, ПТФЭ имеет незначительные потери массы при высокой температуре.

Нами выполнены поисковые исследования композитов на основе ПТФЭ с наполнителями из кокса и графита. Дальнейшие исследования фторопласта, наполненного графитом, стекловолокном, дисперсными и ультрадисперсными железом и бронзой, позволяют прогнозировать получение новых РКМ с требуемыми электро- и теплофизическими характеристиками [7, 16, 33]. Исследования показали перспективность применения в качестве связки и защитных покрытий кремнийорганических полимерных продуктов – силиконов [13, 16, 21].



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.