Vývoj elektricky vodivého silikátového kompozitu s vysokou účinností přenosu tepla

Abstract

Diplomová práca sa venuje tematike elektricky vodivých silikátových kompozitov, ktoré umožňujú vďaka zníženiu vlastnej rezistivity materiálu prechod elektrického prúdu, čím dochádza k vyhrievaniu hmoty. Účelom vyhrievaných kompozitov je ich aplikácia v systémoch autonómneho vyhrievania exteriérových plôch, ktoré nachádzajú uplatnenie najmä počas zimného obdobia. Vyhrievané kompozity by mali kombinovať vlastnosti bežných silikátových kompozitov a súčasne zabezpečovať efektívne a rovnomerné šírenie vzniknutého tepla hmotou. Cieľom práce je vývoj vyhrievaného kompozitu na silikátovej báze s prídavkom vodivých fáz, pri ktorých budú dosiahnuté vyhovujúce elektricky vodivé, tepelne vodivé a tiež mechanické vlastnosti. Teoretická časť práce obsahuje poznatky z kompozitných materiálov, vrátane dostupných vodivých surovín, ďalej nasledujú vybrané pojmy z náuky o elektrickom poli a šírení tepla prostredím. Teoretická časť je ukončená zhrnutím doterajších výsledkov svetového výskumu vyhrievaných silikátových kompozitov. Praktická časť začína formuláciou skúšobných postupov, výberom normových podkladov a pokračuje definíciou požadovaných vlastností na vyvíjanú hmotu. Nasleduje analýza surovín, na základe ktorej je v závere etapy zvolené surovinové zloženie. Ďalšia etapa je zameraná na návrh prvotných receptúr a výrobu skúšobných telies pre overenie dosiahnutých parametrov. Posledná etapa sa sústredí na samotné skúšanie definovaných vlastností, pričom sledovaná je impedancia hmoty, priebeh vyhrievania ako v laboratórnych podmienkach, tak aj po zmrazovaní pomocou termokamery, a tiež s využitím teplotného snímača. Pre vybrané receptúry je stanovený súčiniteľ tepelnej vodivosti na definovaných vzorkách. Sledovaná je z mechanických vlastností tiež pevnosť v ťahu za ohybu či pevnosť v tlaku vyvinutej hmoty. Podľa výsledkov prvotných receptúr nasleduje optimalizácia zloženia cielená na vodivé a mechanické vlastnosti. V závere práce je pre fungujúce receptúry uvedený zjednodušený, orientačný výpočet ekonomickej náročnosti vstupných surovín. Úspechom práce je návrh dvoch receptúr spĺňajúcich všetky požadované vlastnosti, pričom jedna z alternatív obsahuje aj suroviny druhotného pôvodu. Práca tiež poskytuje podklad pre výskumné účely v oblasti vyhrievaných kompozitov na silikátovej báze.

The diploma thesis deals with the topic of electrically conductive silicate composites, which allow the passage of electric current due to the reduction of their own resistivity, as a result of which heating of the material occurs. The purpose of heated composites is their application in systems of autonomous heating of exterior surfaces, which find application especially during the winter season. Heated composites should combine the properties of common silicate composites and at the same time ensure efficient and uniform spreading of the generated heat through the mass. The aim of this work is the development of a heated composite on a silicate base with the addition of conductive phases, which will achieve satisfactory electrically conductive, thermally conductive and also mechanical properties. The theoretical part of the work contains knowledge from composite materials, including available conductive raw materials, followed by selected terms from the electric field and heat transfer. The theoretical part is finished with a summary of the results of global research on heated silicate composites. The practical part begins with the formulation of test procedures, the selection of standard documents and continues with the definition of the required properties for the material development. This is followed by an analysis of the raw materials, on the basis of which the raw material composition is chosen at the end of the stage. The next stage is focused on the design of the initial recipes and the production of test specimens for the verification of the achieved parameters. The last stage focuses on testing of the defined properties, while the impedance of the material, the process of heating both in laboratory conditions and after freezing is monitored with thermal camera, and also with the use of a temperature sensor. For the selected formulas, the coefficient of thermal conductivity is determined on defined samples. From the mechanical properties, the bending strength and the compressive strength of the developed material are also tested. According to the results of the primary recipes, the recipe optimization aimed at conductive and mechanical properties follows. At the end of the work, a simplified calculation of the economic demand of the input raw materials is given for working recipes. The success of the work is the design of two recipes meeting all the required properties, while one of the alternatives also contains raw materials of secondary origin. The work also provides a basis for research purposes in the field of heated silicate-based composites.