23. července 2019 09:02

Plasty s novými vlastnostmi

Vývoj a výroba nových polymerních materiálů patří k nejdynamičtěji se rozvíjejícím oborům. Plasty s novými vlastnostmi dokážou například výrazně šetřit energii. Jedním z úkolů, které řeší divize Siemens Corporate Technology (CT), je vývoj plastů s přesně definovanou a reprodukovatelnou elektrickou vodivostí určených pro zefektivnění rotačních elektrozařízení.

Plasty neboli syntetické polymery se staly běžnou součástí našich životů. Setkáváme se s nimi prakticky na každém kroku – od kartáčků na zuby přes propisovací tužky až po chytré telefony. I když se i tyto běžně používané plasty od sebe vzájemně liší, řadu vlastností mají společných. Především je to nízká hmotnost, snadná tvarovatelnost a tvrdost. Právě kvůli těmto vlastnostem se plasty staly tak oblíbenými a masově využívanými. Pro použití v průmyslu to ale nestačí. Zvláště elektronický průmysl je z hlediska materiálů vysoce náročný. Materiály, které se zde uplatní, musejí být často transparentní, vykazovat specifické magnetické vlastnosti, odolnost vůči extrémním teplotám a být schopné vést či naopak být rezistentní vůči teplu a elektřině.

Elektronický průmysl vyžaduje plasty s přesně definovanými vlastnostmi. Společnost Siemens pracuje na vývoji technologií, které umožňují kombinovat materiály takovým způsobem, aby uspokojily trvale rostoucí specifické požadavky. (foto: Siemens)

Nové kompozity šetří energii

Při vysokonapěťových aplikacích dochází často k nechtěnému vedlejšímu jevu, kterým je tzv. korónový výboj. Tento samovolný doutnavý výboj způsobuje ionizaci vzduchu v bezprostředním okolí elektricky nabitého vodiče, a tím i ztráty elektrického náboje a další potenciálně nebezpečné efekty. Proto musejí být všechna vysokonapěťová elektrozařízení dobře odstíněna a opatřena ochrannými kryty. Tím se ale pochopitelně úměrně zvyšuje jednak velikost těchto zařízení, ale také jejich cena, která stoupá úměrně s nároky na množství a kvalitu nezbytných izolačních materiálů. Cílem proto je vyrobit materiál s co nejlepší elektrickou vodivostí a současně s vlastnostmi, které umožňují dobrou kontrolu elektrického pole.

Vyvinout a vyrobit takový materiál ale vůbec není snadné. Výzkumníkům se Siemens CT se podařilo dosáhnout požadovaných vlastností u poměrně složité sloučeniny, která se skládá ze speciálně dopovaného oxidu cínu nebo karbidu křemíku, které jsou zabudovány do polymerové matrice vytvořené z pryskyřice, různých aditiv, tvrdidel, katalyzátorů a rozpouštědel. První výsledky jsou více než dobré. U generátorů vysokého napětí mohla být délka přesahujícího korónového stínění zkrácena o celou třetinu a životnost vnější protikorónové ochrany se prodloužila až čtyřikrát.

Výzkumníci ze společnosti Siemens experimentují se zařízením pro Spark Plasma Sintering (SPS), které umožňuje stlačování a slinování práškových materiálů. (foto: Siemens)

Novodobá alchymie

Elektrické vlastnosti a zpracovatelnost tvarovatelných polymerních sloučenin závisejí nejen na samotném typu materiálu, ale také na velikosti, tvaru a počtu částic namixovaných do polymerové matrice. Tímto způsobem tedy lze připravit specifické materiály vhodné například pro izolaci motorů nebo transformátorů.

Nezáleží ale pouze na složení daných sloučenin, ale také na způsobu, jakým jsou jednotlivé materiály vzájemně spojeny. Problém spojení různých prášků do vysoce pevných a neporézních komponent vyřešil proces známý jako Spark Plasma Sintering (SPS), jehož principem je, že se extrémně stlačeným práškem (keramickým nebo kovovým) pouští silný elektrický proud, což vede ke vzniku kompaktního materiálu. Působením elektrického proudu o 3 000 A a napětí 4 V vznikají v materiálu velmi vysoké teploty. Povrchy částic prášku se tedy velmi rychle zahřejí a materiál se sline v kompaktní produkt, který je v podstatě stejně kompaktní, jako by byl vytvořen z homogenního materiálu.

Ve vysokonapěťové laboratoři Siemens v Erlangenu jsou generátorové tyče vystavovány extrémnímu elektrickému napětí, aby se zjistila přesná síla potřebné izolace. (foto: Siemens)

www.siemens.cz