廃棄物・副原料を配合した導電性複合材料

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9023 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

一般に、ケイ酸塩複合材料の導電率は非常に低くなります。 導電性フィラーを添加することで電気抵抗率を下げることが可能です。 導電性混合物は、セメント系バインダー、さまざまな種類の珪砂、およびグラファイトベースの導電性フィラーで構成されています。 研究の焦点の 1 つは、通常の原材料の一部を代替成分 (廃棄物副産物や副原料) に置き換えることと、それが複合材料の特性に及ぼす影響です。 研究された代替成分は、部分的なバインダーの代替品としてのフライアッシュ、2つの異なる供給源からの廃黒鉛、および導電性フィラーの代替品としての鋼の削りくずでした。 硬化した導電性ケイ酸塩ベースの試験片の抵抗率を、硬化したセメント質マトリックスの微細構造変化に関連した物理機械的特性の変化と関連させて分析しました（エネルギー分散分析を備えた光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡による）。 セメントをフライアッシュで部分的に置換すると、複合材料の電気抵抗率が低下することが判明した。 廃黒鉛充填材の中には、セメント複合材の抵抗率を大幅に低下させ、圧縮強度を高めるものもあります。 一次導電性フィラーを二次原料で置き換えることが可能であることが証明されました。

複合材料は最も進歩的な建築材料の 1 つです。 これらの材料は産業のあらゆる分野で使用されています。 最大の利点は、指定された使用目的に合わせてプロパティを直接変更できることです。 これらのプロパティは、さまざまなタイプのマトリックスとフィラーの組み合わせを使用して変更できます1、2。 マトリックスは材料のいわゆる連続相を形成し、主に複合材料全体の物理的および機械的特性、耐薬品性、熱伝導性、耐火性などに影響を与えます3。 マトリックスはほとんどがケイ酸塩、ポリマー、またはジオポリマーベースです4。 ほとんどの複合材料では、フィラーは材料の価格を大幅に削減し、かさ密度、導電性、吸収性などにさらに影響を与えます5、6。

導電性複合材は、安定した比較的高い導電性を実現するのに十分な量の導電性成分を含む複合材料として定義できます。 電気伝導率は抵抗率または抵抗に関係しており、逆数値です。 固体材料の場合、電気伝導率は内部伝導率と表面伝導率に分類できます。 内部導電率は使用される導電性コンポーネントの構造、量、性質に関​​連しますが、表面導電率は主に材料の水分含有量に依存します。

複合材料の導電率は電子の移動度に依存します。 通常、セメント系材料の比抵抗は 6.5・105 ～ 11.4・105 Ω・cm7 であり、比抵抗が 1.7・10-8 Ω・cm8 程度の銅のような良導体ですらないと言えます。 、どちらも優れた絶縁体ではありません（たとえば、おおよその抵抗率が 1015 ～ 1020 Ω・cm のテフロン）9。 すす、黒鉛、炭素繊維、鋼繊維などの導電性成分を添加することにより、良好な機械的特性を維持しながら抵抗率を大幅に下げることができます10。

複合材料の優れた導電性の鍵は、その構造内に完全な導電ネットワークを形成することです。 この導電ネットワークが強ければ強いほど、材料の導電率は大きくなります。 これは、そこを通過できる電流の最大力にも関係します。 相互接続された導電性構造が複合材料内で無傷になると、材料自体の抵抗が大幅に減少します。この限界はパーコレーション閾値と呼ばれ、その結果、その後の材料の追加は抵抗率に影響を与えなくなります11。 導電性ネットワークは、カーボン ナノチューブやスチール ファイバーなど、導電性があり針状の細長い形状をした材料で作るのが最適で、そのおかげで、非導電性マトリックスを介して長距離にわたって電流を容易に伝達できます。問題は、これらの針状コンポーネントが直接接触していない場合に発生します。 したがって、数種類の導電性元素を組み合わせて使用​​するか、材料中の導電性元素の割合を増やすことが適しています。 さらに、複合材料の導電率は主に、密度、空洞の含有量、フィラーまたはワイヤの方向配向、複合材料内での分散に影響されます。 電気伝導性（原理、内部ネットワーク、構造）。