Materiali compositi elettricamente conduttivi con incorporati scarti e materie prime secondarie

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9023 (2023) Citare questo articolo

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I compositi ai silicati hanno in generale una conduttività molto bassa. È possibile ottenere una diminuzione della resistività elettrica aggiungendo un riempitivo elettroconduttivo. La miscela conduttiva è costituita da legante cementizio, vari tipi di sabbia silicea e riempitivi conduttivi a base di grafite. Uno dei focus della ricerca è la sostituzione parziale delle materie prime ordinarie con componenti alternativi (sottoprodotti dei materiali di scarto e materie prime secondarie) e la sua influenza sulle proprietà dei compositi. I componenti alternativi studiati erano le ceneri volanti in sostituzione parziale del legante, la grafite di scarto proveniente da due fonti diverse e i trucioli di acciaio in sostituzione del riempitivo conduttivo. La resistività dei campioni conduttivi a base di silicato polimerizzati è stata analizzata in relazione ai cambiamenti nelle proprietà fisico-meccaniche nel contesto dei cambiamenti microstrutturali nella matrice cementizia indurita (mediante microscopia ottica ed elettronica a scansione con analisi della dispersione di energia). Si è scoperto che la sostituzione parziale del cemento con la cenere volante riduce la resistività elettrica del composito. Alcuni riempitivi di grafite di scarto riducono significativamente la resistività del cemento composito e aumentano la resistenza alla compressione. È stato dimostrato che è possibile sostituire i riempitivi conduttivi primari con materie prime secondarie.

I materiali compositi sono uno dei materiali da costruzione più progressisti. Questi materiali sono utilizzati in tutti i settori industriali. Il loro più grande vantaggio è la possibilità di modificare le proprietà direttamente per lo scopo d'uso specificato. Queste proprietà possono essere modificate utilizzando diversi tipi e combinazioni di matrici e riempitivi1,2. La matrice costituisce la cosiddetta fase continua del materiale e influenza principalmente le proprietà fisiche e meccaniche, la resistenza chimica, la conducibilità termica, la resistenza al fuoco e altre dell'intero materiale composito3. Le matrici sono per lo più a base di silicati, polimeri o geopolimeri4. Per la maggior parte dei materiali compositi, i riempitivi riducono significativamente il prezzo del materiale e influiscono ulteriormente sulla densità apparente, sulla conduttività elettrica, sull'assorbenza, ecc.5,6.

Un composito elettricamente conduttivo può essere definito come un materiale composito che contiene una quantità sufficiente di componenti elettricamente conduttivi per ottenere una conduttività elettrica stabile e relativamente elevata. La conduttività elettrica è correlata alla resistività o alla resistenza, è un valore inverso. Per i materiali solidi, possiamo dividere la conduttività elettrica in conduttività interna e superficiale. La conduttività interna è legata alla struttura, alla quantità e alla natura dei componenti conduttivi utilizzati, mentre la conduttività elettrica superficiale dipende principalmente dal contenuto di acqua del materiale.

La conduttività dei materiali compositi dipende dalla mobilità degli elettroni. I materiali a base cementizia hanno solitamente una resistività compresa tra 6,5·105 e 11,4·105 Ω·cm7, quindi si può dire che non sono nemmeno un buon conduttore come il rame, che ha una resistività di circa 1,7·10–8 Ω·cm8 , né un buon isolante (ad esempio Teflon con resistività approssimativa da 1015 a 1020 Ω·cm)9. Aggiungendo componenti conduttivi come fuliggine, grafite, fibre di carbonio e acciaio, la sua resistività può essere significativamente ridotta mantenendo buone proprietà meccaniche10.

La chiave per l'eccellente elettroconduttività del materiale composito è la creazione di una rete perfettamente elettricamente conduttiva nella sua struttura. Quanto più forte è questa rete conduttiva, tanto maggiore è la conduttività elettrica del materiale. Ciò è anche associato alla forza massima della corrente elettrica che può attraversarlo. Una volta che la struttura conduttiva interconnessa è intatta nel materiale composito, la resistenza del materiale stesso si riduce notevolmente, questo limite è chiamato soglia di percolazione, e il risultato è che la successiva aggiunta del materiale non incide più sulla resistività11. La rete elettricamente conduttiva può essere realizzata al meglio con materiali conduttivi e di forma aciculare allungata grazie alla quale possono facilmente trasferire corrente elettrica attraverso una matrice non conduttiva su distanze maggiori, come nanotubi di carbonio, fibre di acciaio, ecc. il problema si verifica quando questi componenti aciculari non sono in contatto diretto. pertanto, è adatta una combinazione di diversi tipi di elementi conduttivi o di aumento della loro proporzione nel materiale. Inoltre, la conduttività del composito è influenzata principalmente dalla densità, dal contenuto di cavità d'aria, dall'orientamento direzionale del riempitivo o dei fili, nonché dalla loro dispersione nel composito. Conduttività elettrica (principio, reti interne e strutture).