PTFE ning isitgich niqobi ostidagi asosiy zaifligi uning past issiqlik o'tkazuvchanligi bo'lib, bu vatt zichligini cheklaydi. Ftoropolimer matritsasiga grafen-bir{2}}atom-g‘ayrioddiy issiqlik o‘tkazuvchanligi-bog‘langan grafenni kiritish orqali, materialshunoslar PTFE isitgichning ishlashini qayta aniqlay oladigan kompozitsiyalarni yaratmoqdalar. Yangi paydo bo'layotgan materiallar uzoq vaqtdan beri cheklangan ftorpolimerli suv isitgichlariga ega bo'lgan termal darboğazni engib o'tishga va'da beradi, bu esa yuqori quvvat zichligi, tezroq isitish vaqtini-va xizmat muddatini uzaytiradi.
Sof PTFE qoplamalarining termal chegaralanishi
Politetrafloroetilen (PTFE) ajoyib kimyoviy qarshilik, yopishmaydigan sirt va ajoyib elektr izolyatsiyasi xususiyatlariga ega bo'lib, uni agressiv korroziyali muhitda suvga cho'mdiruvchi isitgichlar uchun tanlov materialiga aylantiradi. Biroq, sof PTFE past issiqlik o'tkazuvchanligiga ega, taxminan 0,2-0,3 Vt·m⁻¹·K⁻¹-59-33. Isitgichni qo'llashda bu ichki qarshilik elementi tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik texnologik suyuqlikka etib borishdan oldin PTFE qobig'idan o'tishi kerakligini anglatadi. Past issiqlik o'tkazuvchanligi g'ilof bo'ylab sezilarli harorat gradientini hosil qiladi va PTFE yuzasining maksimal doimiy ish harorati taxminan 110 darajadan oshib ketishining oldini olish uchun vatt zichligining konservativ chegaralarini (odatda aralashtiriladigan eritmalar uchun 1,5 Vt/sm² va harakatsiz suyuqliklar uchun 0,8 Vt/sm²) majburlaydi.
Grafen yechimi: issiqlik o'tkazuvchanligini ikki - dan uch baravar oshirish
Grafen nanozarralari yoki qisqartirilgan grafen oksidi (rGO) trombotsitlari sinterlashdan oldin PTFE qatroniga tarqaladi. Hatto kichik foizlar (og'irlik bo'yicha 1-5%) kompozitning issiqlik o'tkazuvchanligini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Laboratoriya tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, og'irligi 4% grafen qo'shilishi issiqlik o'tkazuvchanligini taxminan 29% ga yaxshilaydi, og'irligi 8% esa 84% yaxshilanadi va 16% og'irlikdagi sof PTFEga nisbatan 157% ga oshadi-56. Yuqori to'ldiruvchi yuklarda (wt%) issiqlik o'tkazuvchanligi 4,02 Vt·m⁻¹·K⁻¹ ga yetishi mumkin, bu 1300% yaxshilanishni anglatadi-33. Yaqinda o'tkazilgan tadqiqotlar, ftorli grafit yuklanishining atigi 0,5% og'irlikdagi PTFE kompozitlarini ishlab chiqardi, bu esa sof PTFE-59ga qaraganda olti baravar yuqori tekislikdagi issiqlik o'tkazuvchanligiga erishdi.
Isitgich niqobini amaliy qo'llash uchun haqiqiy maqsad sof PTFE ning asosiy qiymatiga nisbatan ikki--uch baravar oshirish-issiqlik o'tkazuvchanligini 0,6–0,9 Vt·m⁻¹·K⁻¹ oralig'iga etkazishdir. Ushbu yaxshilanish g'ilof bo'ylab harorat gradientini keskin kamaytiradi va bir xil PTFE sirt harorati chegarasi uchun yuqori issiqlik oqimini ta'minlaydi.
Issiqlik samaradorligini oshirishda elektr izolyatsiyasini saqlash
Har qanday isitgich niqobi ostidagi material uchun muhim talab elektr izolyatsiyasi hisoblanadi. Kompozit PTFE ning mukammal dielektrik xususiyatlarini saqlab turishi kerak, bu ichki isitish elementidan texnologik suyuqlikka oqim oqishini oldini olish uchun. Tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, grafenning past yuklanishida (og'irligi 5% dan past) elektr qarshiligi, agar grafen uzluksiz o'tkazuvchan tarmoqlarni hosil qilmasdan bir tekis taqsimlangan bo'lsa, izolyatsiyalash ilovalari uchun etarlicha yuqori bo'lib qoladi. Ftorli grafenli variantlar issiqlik ko'rsatkichlarini oshirish bilan birga yuqori elektr izolyatsiyalash qobiliyatini namoyish etdi, bu ularni kompozit qoplamali ilovalar uchun ayniqsa mos keladi-48.
Muammo PTFE matritsasida grafenning bir xil tarqalishiga erishishdadir. Aglomeratsiyalangan grafen elektr izolyatsiyasini buzadigan mahalliy o'tkazuvchan yo'llarni yaratishi mumkin. Ushbu muammoni hal qilish uchun ilg'or ishlov berish usullari, jumladan, o'ta kritik suyuqlikni joyida tayyorlash-va intensiv mexanik aralashtirish ishlab chiqilmoqda.
Mexanik mustahkamlik va aşınma qarshiligini yaxshilash
Issiqlik afzalliklaridan tashqari, grafenni mustahkamlash PTFE qoplamalarining mexanik xususiyatlarini sezilarli darajada oshiradi. Sof PTFE yomon aşınma qarshilik va cheklangan yuk koʻtarish qobiliyatiga ega, bu esa abraziv yoki yuqori-oqim muhitida qobiqning shikastlanishiga olib kelishi mumkin. Grafenning kiritilishi valentlik kuchini, kesish modulini va aşınma qarshiligini oshiradi. Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, grafen bilan mustahkamlangan PTFE kompozitlari to'ldirilmagan PTFE-10-11 bilan solishtirganda eskirish tezligini ikki kattalikdan ortiq kamaytirishga erisha oladi. Kuchliroq va aşınmaya bardoshli qobiq, ayniqsa, zarrachalar bilan to'ldirilgan suyuqliklar yoki yuqori tezlikda aralashtirish bilan ishlaydigan ilovalarda to'g'ridan-to'g'ri isitgichning xizmat qilish muddatini uzaytiradi.
Isitgich dizayni va ishlashiga potentsial ta'sir
Muvaffaqiyatli tijoratlashtirilsa, grafen{0}}yaxshilangan PTFE kompozitlari ftoropolimerli immersion isitgichning ishlashini bosqichma-o‘zgartirish imkonini beradi:
Yuqori ruxsat etilgan vatt zichligi.Yaxshilangan qobiq issiqlik o'tkazuvchanligi bilan, yuqori issiqlik oqimlarida bir xil PTFE sirt harorati chegarasi (110 daraja) saqlanishi mumkin. Vatt zichligi 2,0–3,0 Vt/sm² oralig'ida, hozirgi maksimal 1,5 Vt/sm² bilan solishtirganda, yaxshi-ajitlangan eritmalar uchun maqbul bo'ladi. Bu bir xil isitish moslamasi sezilarli darajada ko'proq isitish quvvatini etkazib berishga imkon beradi.
Tezroq isitish-va isitgich hajmi kamayadi.Berilgan umumiy quvvat talabi uchun yuqori vatt zichligi jismoniy jihatdan kichikroq isitgichga ruxsat beradi. Shu bilan bir qatorda, bir xil jismoniy o‘lcham uchun isitgich tezroq isitish-va tiklanish vaqtlariga erisha oladi. Ikkala natija ham texnologik muhandislik afzalliklarini taqdim etadi: kichikroq isitgichlar tankga kirishni kamaytiradi, tezroq javob esa jarayonni yaxshilaydi.
Ichki simlarning haroratini pasaytiring.Ruxsat etilgan vatt zichligi uchun qobiqning yaxshilangan issiqlik o'tkazuvchanligi ichki qarshilik elementidagi haroratni pasaytiradi. Pastroq elementlarning harorati isitish simining ishlash muddatini uzaytiradi va ichki tugatishlarda termal stressni kamaytiradi. Dala tajribasi shuni ko'rsatadiki, hatto element haroratining 10-15 darajaga pasayishi ham isitgichning ishlash muddatini ikki baravar oshirishi mumkin.
Yuqori haroratli ilovalarga-kengayish.Sof PTFE 110 daraja uzluksiz ishlash bilan cheklangan. Kompozitning maksimal uzluksiz harorati bir xil bo'lib qolsa (PTFE hali ham matritsa materialidir), yaxshilangan issiqlik o'tkazuvchanligi g'ilofning suyuqlik haroratiga yaqinroq ishlashiga imkon beradi, bu esa standart PTFE isitgichlari sirt qizib ketishi bilan kurashadigan ilovalarda foydalanish oralig'ini kengaytirish imkonini beradi.
Shuni hisobga olish kerakki, bu kompozitlar PTFE isitgichlarini hozirda faqat metall{0}}qoplangan yoki perftoralkoksi alkan (PFA) isitgichlar tomonidan xizmat qiladigan texnologik isitish ilovalarida raqobatbardosh qilishi mumkin. Kimyoviy qarshilik,-yopishmaydigan sirt va yaxshilangan issiqlik ko'rsatkichlarining kombinatsiyasi jozibali qiymat taklifini taqdim etadi.
Ishlab chiqarish va tijoratlashtirish muammolari
Istiqbolli laboratoriya natijalariga qaramay, grafen{0}}kengaytirilgan PTFE isitgich qoplamalari sotuvga chiqarilishidan oldin bir qancha to‘siqlarni yengib o‘tish kerak:
Grafenning bir xil tarqalishi.Grafen nanoplateletlarini PTFE matritsasi bo'ylab aglomeratsiyasiz bir hil taqsimlanishiga erishish texnik jihatdan qiyin bo'lib qolmoqda. PTFE ning yuqori eritma viskozitesi va uning an'anaviy eritish{1}}birlash usullariga chidamliligi ishlov berishni murakkablashtiradi. Sovuq presslash va sinterlash-yordamida erituvchi bilan aralashtirish, soʻng sovuq{4}}bosish va sinterlash keng tarqalgan laboratoriya usulidir, ammo uni uzluksiz ishlab chiqarishga oʻtkazish -arzimas-33 emas.
Supero'tkazuvchi yo'llardan qochish.Grafen yuklanishi ortib borayotganligi sababli, kompozitning elektr o'tkazuvchanligiga aylanadigan perkolatsiya chegarasidan qochish kerak. Bu maksimal amaliy plomba tarkibini cheklaydi, bu esa o'z navbatida erishiladigan issiqlik o'tkazuvchanligini oshirishni cheklaydi. Ftorli grafen ustida ishlash, yuqori issiqlik o'tkazuvchanligini elektr izolyatsiyasi bilan saqlab qoladi, oldinga istiqbolli yo'lni taklif qiladi.
Xarajatlarni{0}}samarali oshirish-.Yuqori sifatli grafen grafit kukuni yoki bor nitridi kabi an'anaviy plomba moddalariga nisbatan nisbatan qimmat bo'lib qolmoqda. Biroq, kengaytiriladigan grafen ishlab chiqarishdagi-shu jumladan elektrokimyoviy eksfoliatsiya va superkritik suyuqlikni qayta ishlash-xarajatlarni kamaytirmoqda-52. O'n yillik tadqiqotlardan so'ng, grafen qo'shilgan PTFE kompozitsiyasini yaratgan universitet tadqiqot jamoasi diqqatga sazovor misol bo'lib, u tijorat buyurtmalari bo'yicha 140 million RMB ga erishdi, ishlab chiqarish kilogramm darajasidagi laboratoriya partiyalaridan-metrik tonnalik ishlab chiqarish liniyalarigacha ko'tarildi.
PTFE isitgich ilovalari uchun Outlook
Grafenli{0}}kengaytirilgan PTFE kompozitlarining ishlab chiqilishi sof PTFEning termal darboğazlarini bartaraf etuvchi, floropolimer isitgichlar uchun yangi ilovalarni ochishi mumkin bo‘lgan istiqbolli keyingi avlod materialidir. Yaxshilangan issiqlik o'tkazuvchanligi, saqlanib qolgan kimyoviy qarshilik va{3}}yopishmaydigan xususiyatlar bilan birgalikda, o'nlab yillar davomida PTFE isitgich dizaynini cheklab qo'ygan asosiy cheklovga javob beradi.
Agar ushbu materiallar tadqiqotdan tijorat ishlab chiqarishga muvaffaqiyatli o'tsa,grafen bilan yaxshilangan PTFE isitgich kompozitsiyasiyuqori vatt zichligi, tezroq termal javob, kichraytirilgan isitgich hajmi va xizmat muddatini uzaytirishi mumkin. Laboratoriya sinovlari issiqlik o'tkazuvchanligi, mexanik kuch va aşınma qarshiligi bo'yicha istiqbolli yaxshilanishlarni ko'rsatadi. To'ldiruvchining tarkibi to'g'ri nazorat qilinganda, dielektrik xususiyatlar isitgich niqobi ostida qo'llanilishi uchun maqbul diapazonlarda qoladi.
Tijoriy qabul qilish ishlab chiqarish va xarajat muammolarini hal qilishga bog'liq. Bir xil dispersiya, perkolatsiya nazorati va kengaytiriladigan ishlab chiqarish tadqiqotning faol yo'nalishlari bo'lib qolmoqda. Biroq, grafen{2}}polimer kompozitlari-shu jumladan, elektron qadoqlash va EMI ekranlash ilovalarida muvaffaqiyatli tijoratlashtirish-57-sanoat immersion isitgichlar niqobi ostidagi grafen{2}}kompozitsiyalarining rivojlanishining jadal sur'atlarini hisobga oladigan bo'lsak, yaqin kelajakda qo'llanilishi mumkin.
Amalda, sotuvda sotiladigan birinchi grafen{0}}PTFE isitgich qoplamalari, ehtimol, keyingi 3-5 yil ichida, dastlab yuqori -qiymatli ilovalarda paydo bo'lishi mumkin, bunda unumdorlik afzalliklari yuqori material narxini oqlaydi. Ishlab chiqarish ko'lami va xarajatlari kamayishi bilan umumiy kimyoviy isitish ilovalarida kengroq qabul qilinishi mumkin. Sof PTFE ning termal darbog'i sindirishga tayyor ko'rinadi va keyingi avlod ftorpolimer isitgichlarining imkoniyatlari juda katta.
