Materiais compostos eletricamente condutores com resíduos incorporados e matérias-primas secundárias

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9023 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Compósitos de silicato têm condutividade muito baixa em geral. É possível conseguir uma diminuição da resistividade elétrica adicionando uma carga eletrocondutora. A mistura condutora consiste em aglutinante cimentício, vários tipos de areia de sílica e enchimentos condutores à base de grafite. Um dos focos de pesquisa é a substituição parcial de matérias-primas comuns por componentes alternativos (subprodutos de resíduos e matérias-primas secundárias) e sua influência nas propriedades dos compósitos. Os componentes alternativos estudados foram as cinzas volantes como substituto parcial do aglutinante, resíduos de grafite de duas fontes diferentes e aparas de aço como substituto do filler condutivo. A resistividade de corpos de prova à base de silicato condutivo curado foi analisada em relação às mudanças nas propriedades físico-mecânicas no contexto de mudanças microestruturais na matriz cimentícia endurecida (por microscopia óptica e eletrônica de varredura com análise de dispersão de energia). A substituição parcial do cimento por cinzas volantes reduziu a resistividade elétrica do compósito. Algumas das cargas residuais de grafite reduzem significativamente a resistividade do compósito de cimento e aumentam a resistência à compressão. Foi comprovado que é possível substituir as cargas condutoras primárias por matérias-primas secundárias.

Os materiais compostos são um dos materiais de construção mais progressivos. Estes materiais são utilizados em todos os ramos da indústria. Sua maior vantagem é a capacidade de modificar as propriedades diretamente para o propósito de uso. Essas propriedades podem ser modificadas pelo uso de diferentes tipos e combinações de matrizes e fillers1,2. A matriz forma a chamada fase contínua do material e afeta principalmente as propriedades físicas e mecânicas, resistência química, condutividade térmica, resistência ao fogo e outras de todo o material compósito3. As matrizes são principalmente à base de silicato, polímero ou geopolímero4. Para a maioria dos materiais compósitos, os enchimentos reduzem significativamente o preço do material e afetam ainda mais a densidade aparente, a condutividade elétrica, a absorção etc.5,6.

Um compósito eletricamente condutivo pode ser definido como um material compósito que contém uma quantidade suficiente de componentes eletricamente condutivos para alcançar uma condutividade elétrica estável e relativamente alta. A condutividade elétrica está relacionada à resistividade ou resistência, é um valor inverso. Para materiais sólidos, podemos dividir a condutividade elétrica em condutividade interna e superficial. A condutividade interna está relacionada à estrutura, quantidade e natureza dos componentes condutores utilizados, enquanto a condutividade elétrica de superfície depende principalmente do teor de água do material.

A condutividade dos materiais compostos depende da mobilidade dos elétrons. Materiais à base de cimento geralmente têm resistividade de 6,5·105 a 11,4·105 Ω·cm7, então pode-se dizer que eles nem são bons condutores como o cobre, que tem resistividade de aproximadamente 1,7·10–8 Ω·cm8 , nem bom isolante (por exemplo, Teflon com resistividade aproximada de 1015 a 1020 Ω·cm)9. Ao adicionar componentes condutores como fuligem, grafite, carbono e fibras de aço, sua resistividade pode ser significativamente reduzida, mantendo boas propriedades mecânicas10.

A chave para a excelente condutividade elétrica do material compósito é a criação de uma rede perfeitamente condutora de eletricidade em sua estrutura. Quanto mais forte for essa rede condutora, maior será a condutividade elétrica do material. Isso também está associado à força máxima de corrente elétrica que pode passar por ele. Uma vez que a estrutura condutora interconectada está intacta no material compósito, a resistência do próprio material é significativamente reduzida, esse limite é chamado de limiar de percolação, e o resultado é que a adição subsequente do material não afeta mais a resistividade11. A rede eletricamente condutora pode ser feita de materiais condutores e com uma forma alongada acicular, graças à qual eles podem facilmente transferir corrente elétrica através de uma matriz não condutora em distâncias maiores, como nanotubos de carbono, fibras de aço, etc. problema ocorre quando esses componentes aciculares não estão em contato direto. portanto, uma combinação de usar vários tipos de elementos condutores ou aumentar sua proporção no material é adequada. Além disso, a condutividade do compósito é afetada principalmente pela densidade, o conteúdo das cavidades de ar, a orientação direcional do material de enchimento ou fios, bem como sua dispersão no compósito. Condutividade elétrica (princípio, redes internas e estruturas).