Эффективность стабилизации дуги переменного тока при сварке покрытыми электродами
УДК 621.791.25
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТАБИЛИЗАЦИИ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА ПРИ СВАРКЕ ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
А. Ф. ШАТАН, А. А. АНДРИАНОВ, инженеры, В. Н. СИДОРЕЦ, А. М. ЖЕРНОСЕКОВ, кандидаты техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследована эффективность оптимизированных режимов стабилизации горения дуги переменного тока. Показано,
что при ручной дуговой сварке стали типа 18-10 переменным током достигаются свойства сварных соединений,
подобные таковым при сварке на постоянном токе.
Ключевые слова: коррозионностойкая сталь, дуговая
сварка, переменный сварочный ток, стабилизаторы горения
дуги, микроструктура, коррозия
Несмотря на успехи, достигнутые в последние де-
сятилетия в областях разработки и промышлен-
ного применения источников питания сварочной
дуги (инверторного оборудования, цифровых сис-
тем управления с регулированием формы кривой
сварочного тока), сварка дугой переменного тока
промышленной частоты остается достаточно рас-
пространенной и актуальной [1, 2].
Исследования
этого способа сварки можно поставить в один ряд
с продолжающимися в настоящее время работами
по сварке в углекислом газе, благодаря которой
получают достаточно качественные сварные со-
единения несмотря на широкое использование
многокомпонентных газовых смесей.
Применение стабилизаторов горения дуги при
сварке переменным током позволяет снизить нап-
ряжение холостого хода трансформатора и умень-
шить расход электротехнических материалов [1,
3]. Пока не существует единого мнения о пара-
метрах стабилизирующего импульса таких, как
энергия импульса, времени его подачи (инжек-
тирования) относительно момента перехода сва-
рочного тока через нуль и его полярности. Ав-
торам работы [4] удалось сформулировать и ре-
шить эту задачу. При этом критерием оптими-
зации было минимальное напряжение холостого
хода источника питания, при котором дуга еще
горит, а варьируемым параметром служила раз-
ность фаз между сварочным током и стабилизи-
рующим импульсом.
Описание сварочной дуги
переменного тока осуществлялось с помощью раз-
работанной в ИЭС им. Е. О. Патона обобщенной
математической модели динамической дуги.
В работе [4] определена зависимость мини-
мального напряжения холостого хода сварочного
трансформатора, при котором горит дуга, от раз-
ности фаз между сварочным током и стабилизи-
рующим импульсом (рис. 1). Из полученных
кривых следует, что зависимость напряжения
имеет ярко выраженные минимумы, а значит за-
дача оптимизации разрешима. Более того, подт-
верждается тот факт, что применение стабилизи-
рующих импульсов, полярность которых проти-
воположна полярности тока дуги, предпочтитель-
нее, поскольку кривая минимального напряжения
холостого хода Uх.х min в этом случае находится
ниже, чем при использовании импульсов с по-
ложительной полярностью. В работе [4] дано
объяснение этого факта: стабилизирующий им-
пульс, направленный противоположно сварочно-
му току, не препятствует работе основного ис-
точника питания и способствует тому, что после
окончания стабилизирующего импульса основной
источник питания дуги работает как стабилизи-
рующее устройство.
Целью настоящей работы являются экспери-
ментальные исследования эффективности стаби-
лизации горения дуги переменного тока при руч-
ной дуговой сварке коррозионностойких сталей.
Ручную дуговую сварку на переменном токе
осуществляли с использованием сварочного тран-
© А. Ф. Шатан, А. А. Андрианов, В. Н. Сидорец, А. М. Жерносеков, 2009
Рис. 1. Зависимость минимального напряжения холостого
хода сварочного трансформатора, при котором горит дуга, от
разности фаз между сварочным током и стабилизирующим
импульсом: 1 — полярность стабилизирующего импульса
совпадает с полярностью сварочного тока; 2 — противопо-
ложная полярность
3/2009 31
электроды
Электроды предназначены для выполнения сварочных работ. Благодаря сварочным электродам можно сваривать обычную сталь, цветные металлы и сплавы. ГОСТы по сварке:
Основанием электродов для дуговой сварки служит сварочная проволока, от химического состава которой зависят качества самого электрода. Электроды для ручной дуговой сварки бывают плавящимися (металлическими) или неплавящимися (графитовые). Неплавящиеся электроды или угольные выполняются из металла с высокой температурой плавления. Как правило это вольфрам с различными присадками. |
Неплавящиеся электроды бывают следующих типов:
наименование | Состав электрода | цвет | Свариваемые металлы |
WP | вольфрам | зеленый | Магний, алюминий |
WL — 15 | Вольфрам + оксид лантана | синий | Легированная сталь, алюминий, медь |
WZ-8* | Вольфрам + оксид циркония | белый | Цветные металлы и их сплавы |
Наружное покрытие электродов — смесь порошковых веществ, скрепленная натровым жидким стеклом, выполняющую роль склеивающей массы.
Наружное покрытие предназначено для легирования вновь образованного металла содержащимися в покрытии веществами, а также для защиты нового металла от окисления и воздействия азота, содержащегося в воздухе, покрывая его шлаковой коркой. Защитные покрытия могут составлять от 30 до 75% массы электрода. Самое распространенными являются электроды с рутиловым покрытием или с рутилцеллюлозным.
Покрытия, не содержание органических веществ, можно прокаливать при температуре до 450º С для высушивания от влаги.
К наружному покрытию должно отвечать многочисленным требованиям:
- температура плавления должна быть близка к температуре плавления электрода (1100..1200º С)
- устойчивое плавление при переменном токе
- обладать водоупорными свойствами. При длительном хранении электродов, их необходимо прокаливать с помощью соответствующих горелок в течение определенного времени.
- В жидком состоянии шлак должен иметь повышенную кислотность — что бы взаимодействовать с образованной оксидной пленкой на свариваемом металле
шлак должен быстро застывать — при выполнении вертикальных сварочных работ.
Классификация покрытий электродов для ручной дуговой сварки
Тип покрытия | состав | достоинства | недостатки | |
| Р | Руднокислые ОЗС-3, ОЗС-4, ОЗС- 6 | Оксиды марганца, железа, кремния, двуокись титана; раскислитель — ферромарганец | Длина дуги без ограничений | Нельзя варить легированные стали |
сварка коррозийного металла | Вязкость новый шов 12..14, старый шов 5..7 кгс-м/см2 | |||
Ток переменный | ||||
Т | Рутиловое Электроды УОНИ-13/55, ЦУ-1, ЦЛ-9, ОЗС2, ВН-48 | Углекислый калий, плавиковый шпат; раскислитель — диоксид титана, ферросилиций, ферромарганец, алюминий | Снижение брызг металла | Предельно короткая дуга |
сварка легированных сталей | Отсутствие коррозии металла | |||
Легко отделяются шлаки | DC обратной полярности | |||
Вязкость шва 25-30 кгс-м/см2 |
| |||
| ильменитовое | Диоксид титана и железа | Эластичное и прочное соединение |
|
Ф | фтористокалиевое | Плавиковый шпат | Пластичное соединение | отсутствие коррозиии |
Переносимость температурных изменений | ||||
О | Органические ОМА-2, ОЗЦ-1 | |||
Сварочные электроды маркировка
УОНИ-13/45 — марка электродов
Э — для сварки конструкционных сталей
Э-М — молибденовые стали
Э-ХМ — хромомолибденовые
Э-ХМФ — хромомолибденованадиевых
Э-ХМФБ — хромомолибденованадиевых теплоустойчивых
Э-Х2МФБ — хромомолибденованадиевых теплоустойчивых и в шве не менее 2% хрома
Э-Х5МФБ — хромомолибденованадиевых теплоустойчивых и в шве не менее 5% хрома
НЖ — электроды для нержавейки
45 — предел прочности при растяжении
42 — предел текучести в кгс/см2
А — повышенная прочность и ударная вязкость шва
4.
0 — диаметр, мм
Ф — фтористокалиевое покрытие
Сварка постоянным током
Электроды УОНИ 13/55 предназначены для сварки постоянным током. К достоинству данных электродам относится:
По шовным соединениям электроды выгодно отличаются:
|
Общие технические характеристики:
проволока | СВ-08, СВ-08А |
Марка сталей | Ст3, 08, 20, 20Л, низколегированные 09Г2, 14Г2 |
Содержание углерода, % | 0,25 |
соединения | Угол, стык, нахлест |
Полярность тока | Дуговая сварка обратной полярности |
покрытие | основное |
Электроды УОНИ 13/55 бывают диаметрами 3, 4 и 5мм.
Характеристики по наплавке
Ø, мм | Коэффициент, г/Ач | Производительность, кг/ч | Расход, кг/1кг металл |
9,5 | 1,4 | 1,7 |
Сварка переменным и постоянным током
Электроды для переменного и постоянного тока обеспечивают бездефектную сварку на повышенных режимах. Их используют и как наплавочные электроды.
При увлажнении электродов, необходимо выполнить прокалку при температуре 105º С
Общие характеристики:
Содержание углерода, не более % | 0,25 | |
Сталь | группы | А, Б, В |
| раскисление | КП, ПС, СП** |
Проволока | СВ-08, СВ-08А | |
Типы соединений | Угловые; стыковые; нахлесточные | |
Марка проволоки | СВ-08, СВ-08А | |
ток | AC | U холостого хода не более 50В |
| DC | Полярность любая |
Электроды АНО-4, АНО-36, АНО-21 характеристики
сталь | толщ стали, мм | сопротивление разыву | теку честь, МПа | удли нение % | покрытие | |||||||||
марки | рутил целюлоз | рутиловое | ||||||||||||
Ст0 | Ст1 | Ст2 | Ст3 | 10 | 20 | углерод-е | МПа | |||||||
Электрод АНО-21 2мм |
|
|
|
|
|
| + | 1. | 42..60 |
|
|
|
|
|
Электрод АНО-21 2,5мм |
|
|
|
|
|
| + | 1..20 | 42..60 |
|
|
| + |
|
Электрод АНО-21 3мм |
|
|
|
|
|
| + | 1. | 42..60 |
|
|
| + |
|
Электрод АНО-21 4мм |
|
|
|
|
|
| + | 1..5 | 42..60 |
|
|
| + |
|
Электрод АНО-36 2,5мм |
|
|
| + | + | + |
| 2. | 42..60 |
|
|
|
| + |
Электроды АНО-36 3мм |
|
|
| + | + | + |
| 1..5 | 42..60 |
|
|
| + |
|
Электроды АНО 36 4мм | + | + | + |
|
|
|
| 1. | 42..60 |
|
|
| + |
|
Электроды АНО 4 4мм |
|
|
| + | + | + |
| 1..5 | 42..60 |
|
|
|
| + |
Электроды АНО-4 5мм |
|
|
| + | + | + |
| 1. |
| 451 | 370 | 22 |
| + |
Professional 3мм* | + | + | + |
|
|
| + | 1..20 |
|
|
|
|
| + |
.20
.5
.3
.5
.5* данные электроды используются в тех случаях, когда к сварному соединению предъявляют повышенные требования. Можно выполнять сварку при поврежденном трубопроводе с давлением воды не превышающим 1 атм.
, благодаря тому, что при образовании дуги образуется пузырь газа, оттесняющий воду.
При работе с электродами используют специальный держатель электродов.
Электрод Ресанта МР-3 Ф4,0 Пачка 1 кг в Москве
Сварочные электроды РЕСАНТА предназначены для ручной дуговой сварки стальных конструкций переменным или постоянным током. Данные электроды могут применяться как в быту, так и для сварки ответственных конструкций из углеродистой стали с массовой долей углерода до 0,25%. Сварка возможна в различных пространственных положениях, кроме сварки на спуск. Электроды РЕСАНТА относятся к высококачественным электродам типа МР-3 с рутиловым покрытием и изготовлены в соответствии с требованиям ГОСТ.
Электрод представляет собой металлический стержень из электропроводного материала, предназначенный для подвода тока к свариваемому изделию.
Плавящиеся электроды РЕСАНТА изготовляют из сварочной проволоки Св-08А, ГОСТ 2246-70. Поверх металлического стержня методом опрессовки под давлением наносят слой защитного рутилового покрытия.
Роль покрытия заключается в металлургической обработке сварочной ванны, защите от атмосферного воздействия и обеспечении более устойчивого горения дуги.
Самым главным преимуществом электродов РЕСАНТА является рутиловое покрытие. При работе с черными и низколегированными металлами — именно рутиловое покрытие формирует шов, характерный для спокойной или полуспокойной стали. После застывания в металле практически не образуется трещин. Речь идет не о дефектах шва, которые видно невооруженным глазом — скорее о микротрещинах в толще металла, которые скрытым образом снижают прочность и являются своеобразной губкой для проникновения влаги. Название покрытию дал природный минерал «рутил». Более половины объема этого вещества составляет двуокись титана.
Преимущества рутиловой обмазки:
— При работе в режиме сварки переменным током — дуга стабильна, как при постоянном токе;
— Самый низкий процент разбрызгивания при сварке.
По этому показателю электроды с рутилом приближаются к сварке в среде инертных газов;
— Можно производить сварочные работы на мокрой поверхности, практически без потери свойства шва;
— Допускается коррозийный слой на соединяющихся поверхностях, но не более 30%;
— Возможна сварка металлов, покрытых грунтовкой малой толщины;
— Повышение щелочности шлака, что способствует улучшению ударной вязкости шва;
— Практически отсутствуют так называемые горячие трещины;
— Допустимо превышать рекомендуемый диаметр электродов при сварке тонких металлов;
— Швы, сваренные рутилом — обладают высоким усталостной прочностью;
— При кратковременном увеличении длины дуги, качество шва не меняется.
— Сгораемые газы не токсичны.
Однако одно из свойств делает этот материал незаменимым. В случаях, когда невозможно произвести механическую обработку шва, применяются электроды с рутиловой обмазкой. Благодаря двуокиси титана, переход поверхности шва к поверхности свариваемого металла более плавный, в сравнении с другими типами покрытия.
Поэтому механическая обработка зачастую не требуется.
Эксплуатационные свойства шва, полученного при использовании рутиловых электродов
— В условиях низких температур (в том числе отрицательных) устойчивость к динамическим нагрузкам сохраняется, что дает возможность применять электроды в условиях крайнего севера;
— Выдерживают продолжительные статические нагрузки. Это свойство используется при изготовлении емкостей высокого давления;
— Способность переносить ударные нагрузки нашла применение в станкостроении и производстве корпусов крупных судов.
Применение электродов РЕСАНТА
Электродами МР-3 Ресанта выполняют сварку с использованием источника постоянного, либо переменного тока, обеспечивающего напряжение ХХ (холостого хода) не меньше, чем 50 В (у сварочных аппаратов Ресанта это min 75В). При питании постоянным током полярность должна быть обратной – плюс на сварочном электроде. Сварку можно проводить в любом нужном пространственном положении.
Преимущества электродов РЕСАНТА
— легкое зажигание сварочной электрической дуги и обеспечение последующего ее устойчивого горения;
— позволяют легко формировать шов;
— низкое разбрызгивание металла;
— шлаковая корка хорошо отделяется от шва;
— простое повторное зажигание;
— высокая производительность и качество сварки.
— обмазка не сыпется при сгибании электродов дугой
— работа с влажной поверхностью;
— работа с плохо очищенными от загрязнений и окислов поверхностями;
— работа с ржавыми поверхностями.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка браузера на прием файлов cookie
Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.
Ниже приведены наиболее распространенные причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.
Inconel AC/DC для всех положений — электроды и сплавы
Посмотреть техническое описание продукта
Посмотреть паспорт безопасности продукта
МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ |
AWS/ASME A 5.11 E NiCrFe-3
EN/ISO 14172: E-Ni6082 NiCr20Mn3Nb
DIN 1736: EL-NiCr15FeMn
NFA 81-347: EF 20.70 NiCrMnFe B 20 BH
Для разнородных сварных швов сплавов на основе никеля друг с другом, легированных сталей или нержавеющих сталей.
- A Ниобиевый подшипник, все положения Электрод из инконеля для сварки жаропрочных и криогенных сталей и никеля.
- Отлично вне позиции.
- Феноменальные физические свойства.
- Чрезвычайно легкое удаление шлака.
- Исключительно хорошо работает при переменном токе.
- Также доступен в форме TIG под кодом продукта 6082.
Анализ всего металла сварного шва (типовой вес %) |
Микроструктура: В состоянии после сварки этот наплавленный металл на основе никеля состоит из аустенита с небольшим количеством карбидов.
Цвет флюса: Серо-коричневый
С | Мн | Си | С | Р | Кр | № | Фе | Со | Медь | Та | Ти | Ni |
. | 6,0 | .40 | .005 | .01 | 16,5 | 2,0 | 6,0 | .12 | .1 | 1,3 | .1 | бал |
04
Типичные механические свойства |
Неразбавленный наплавленный металл Максимальное значение До:
Прочность на растяжение 100 000 фунтов на квадратный дюйм (700 МПа)
Предел текучести 60 000 фунтов на квадратный дюйм (420 МПа)
Удлинение 43 %
Сварочный ток и инструкции |
Рекомендуемый ток: Положительный постоянный ток (+), переменный ток
| Диаметр (мм) | 3/32 (2. | 1/8 (3,25) | 5/32 (4,0) |
| Минимальная сила тока | 50 | 70 | 90 |
| Максимальная сила тока | 70 | 95 | 120 |
5) Методы сварки: Сварка при минимальной силе тока для поддержания низкого тепловложения.
Позиции сварки: плоская, горизонтальная, вертикальная вверх, над головой
Скорость осаждения:
| Диаметр (мм) | Длина | Сварной металл/ | Электроды | Время дуги | Сила тока | Восстановление |
3/32 (2. | 12″ (300) | 0,37 унции. (10,5 г) | 43 (95) | 37 (82) | 60 | 105% |
1/8 (3,25) | 14″(350) | 0,76 унции (22 г) | 21 (47) | 24 (53) | 90 | 105% |
5/32 (4.0) | 14″ (350) | 1,14 унции (32 г) | 14 (31) | 17 (38) | 105 | 105% |
5)
ПРИМЕРНАЯ УПАКОВКА ЭЛЕКТРОДА И РАЗМЕРЫ |
| Диаметр (мм) | 3/32 (2,5) | 1/8 (3. | 5/32 (4,0) |
| Длина (мм) | 12″ (300) | 14″ (350) | 14″ (350) |
| Электроды / фунт | 24 | 13 | 9 |
| Электроды / кг | 53 | 28 | 19 |
25)
СохранитьСохранить
СохранитьСохранить
Суперконденсатор высокого рабочего напряжения с использованием композитного электрода PPy/AC, основанного на простом методе погружения
По мере появления различных носимых устройств интерес вызывают самогенерирующиеся источники энергии, такие как пьезоэлектрические генераторы, трибоэлектрические генераторы и термоэлектрические генераторы.
Чтобы адаптировать собственные источники питания для прикладных устройств, суперконденсатор необходим из-за короткого времени генерации (1–10 мс) и низкой генерируемой мощности (1–100 мкс Вт) источников питания с собственной генерацией. Однако на сегодняшний день суперконденсаторы слишком велики, чтобы их можно было адаптировать для носимых устройств. Было предпринято много попыток уменьшить размер суперконденсаторов за счет использования полипиррола (PPy) для высокоэнергетических электродов суперконденсаторов. Однако эти суперконденсаторы имеют ряд недостатков, таких как низкое рабочее напряжение из-за использования водного электролита и сложные способы изготовления, такие как гидрогелевые и аэрозольные способы.В частности, низкое рабочее напряжение (~ 1,0 В) является серьезной проблемой, поскольку большинство электронных компонентов работают при напряжении выше 3,0 В. В этом исследовании мы успешно продемонстрировали высокое рабочее напряжение (3,0 В) суперконденсатора, использующего PPy/активированный уголь ( АС) композитный электрод на основе химической полимеризации полипропилена простым окунанием.
Кроме того, было достигнуто двукратное повышение его плотности энергии по сравнению с обычными суперконденсаторами, использующими электроды переменного тока.
1. Введение
По мере появления различных носимых устройств, например смарт-часов, смарт-браслетов и трекеров активности [1, 2], большое значение имеют их источники энергии.Эти носимые устройства воздействуют на части человеческого тела, такие как шея, запястье и грудь; поэтому необходимо, чтобы их источники энергии имели малый размер, малую толщину, высокую мощность и высокую энергию для различных рабочих функций носимых устройств. К сожалению, существующие аккумуляторы не могут полностью удовлетворить этим требованиям. Чтобы преодолеть эти проблемы, многие исследователи пытались разработать самогенерирующиеся источники энергии, такие как пьезоэлектрические генераторы, трибоэлектрические генераторы и термоэлектрические генераторы [3-5].Однако источники питания с собственной генерацией имеют недостатки, такие как малое время генерации (1–10 мс), малая генерируемая мощность (1–100 мВт) и нерегулируемая мощность.
Эти проблемы могут быть решены с помощью суперконденсаторов, которые могут быстро заряжаться и разряжаться. В последнее время интерес вызывает гибридная система накопления энергии, состоящая из суперконденсатора и батареи [6, 7]. Чтобы успешно продемонстрировать гибридную систему накопления энергии, необходимо повысить плотность энергии суперконденсаторов, поскольку плотность энергии существующих суперконденсаторов относительно низка (10–20 F/г).
Для увеличения плотности энергии суперконденсаторов было проведено множество исследований с использованием композитных электродов, изготовленных из таких материалов, как оксид металла/активированный уголь (АУ) [8], проводящий полимер/углерод [9–11] и производные углерода [12, 13]. ] были проведены. В частности, проводящие полимеры использовались для различных функций, таких как проводящие агенты, высокопористые материалы и источники окислительно-восстановительных реакций для композитных электродов полимер/переменный ток. Например, Sun и Mo [14] сообщили об удельной емкости 238 F/г, что примерно в десять раз выше, чем у коммерческих суперконденсаторов, использующих только электроды переменного тока.
Однако большинство этих опубликованных результатов были основаны на использовании водных электролитов, таких как H 2 SO 4 , KOH, NaCl и Na 2 SO 4 . Учитывая, что большинство электронных компонентов носимых устройств работают при напряжении 3,0 В (некоторые датчики способны частично работать при 1,5 В), можно использовать водные суперконденсаторы при последовательном соединении по три. Однако в носимых устройствах недостаточно места для использования суперконденсатора. Кроме того, водные суперконденсаторы имеют сложные методы производства, такие как гидрогелевые [15] и аэрозольные методы [16].
В этом исследовании мы успешно продемонстрировали неводный суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC с высоким рабочим напряжением (3,0 В). Мы подготовили композитный электрод PPy/AC путем химической полимеризации, которую проводили путем погружения в раствор мономера пиррола и раствор легирующей примеси (1,0 M пара-толуолсульфоната тетраэтиламмония в ацетонитриле) последовательно.
И мы собрали и испытали неводный цилиндрический суперконденсатор, который был изготовлен путем намотки составных электродов.В результате достигнуто двукратное повышение плотности энергии по сравнению с обычными суперконденсаторами на основе переменного тока при снижении емкости на 17% за 2500 циклов. Кроме того, для подготовки композитного электрода для суперконденсатора мы использовали метод химической полимеризации с помощью простого метода погружения. Таким образом, эти результаты разработки могут быть непосредственно применены к процессу массового производства. Учитывая эти преимущества, этот суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC должен стать перспективным источником энергии для носимых устройств.
2. Материалы и методы
Смеси активного материала, электропроводящего материала и связующего материала готовили с использованием фиксированных соотношений 75 : 15 : 10. В качестве электропроводного материала использовали технический углерод. В качестве водорастворимых связующих использовали бутадиен-стирольный каучук, политетрафторэтилен, карбоксиметилцеллюлозу и поливинилпирролидон.
В качестве активного материала использовали АЦ. Все материалы были приобретены у Sigma-Aldrich. Во всех случаях электродные материалы смешивали с использованием дистиллированной воды в качестве растворителя.Суспензии готовили путем перемешивания смесей методом шаровой мельницы при скорости 200 об/мин в течение 6 часов. Смешивание проводили при комнатной температуре. Используя метод доктора Блэйда, хорошо перемешанные суспензии были равномерно нанесены на обе стороны протравленной алюминиевой фольги толщиной 20 мкм мкм. Подготовленные электроды погружали в мономер пиррола и сушили на воздухе. Затем подготовленные электроды также погружали в 1,0 M раствор пара-толуолсульфоната тетраэтиламмония (TEApTS) в растворе ацетонитрила (ACN) и сушили на воздухе.
Суперконденсаторы готовили следующим образом: подготовленные композитные электроды PPy/AC вырезали до размеров 2 × 5 см и прессовали при давлении 0,7–0,8 тонн см –2 при 120°С. Цилиндрические элементы изготавливались путем сшивания выводов и их намотки в присутствии разделительных пленок.
Изготовленные цилиндрические элементы были высушены при 120°С в течение 48 часов в условиях вакуума 30 мбар или менее. Впоследствии они были в достаточной степени пропитаны 1,0 М тетрафторборатом тетраэтиламмония (Et 4 NBF 4 ) в электролите ACN в перчаточном боксе, заполненном газообразным аргоном.Наконец, суперконденсаторы были загерметизированы, вставив резиновые колпачки в перчаточный ящик.
Материалы исследовали с использованием анализатора размера частиц (PSA), анализа Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) и сканирующей электронной микроскопии (SEM). Размер частиц и распределение пор до и после процесса измельчения в шаровой мельнице определяли с помощью анализа PSA и БЭТ. СЭМ-анализ проводили для наблюдения за поверхностью электрода. Для электрохимических измерений были проведены циклическая вольтамперометрия (CV) и гальваностатические исследования заряда-разряда суперконденсаторов с композитными электродами PPy/AC и электродами переменного тока соответственно с использованием потенциостата/гальваностата EG&G Model 273A, Princeton Applied Research.
Анализ импеданса переменному току проводили с помощью электрохимического анализатора импеданса при напряжении ±1 мВ и диапазоне частот 0,01–100000 Гц. После разряда суперконденсаторов при различных плотностях тока также измеряли удельную емкость и плотность энергии суперконденсаторов с помощью амплификатора. Кроме того, надежность суперконденсаторов в течение 2500 циклов была определена в ходе эксперимента по зарядке/разрядке.
3. Результаты и обсуждение
На рис. 1 показана схема изготовления композитных электродов PPy/AC и неводного цилиндрического суперконденсатора.Композитные электроды PPy/AC были изготовлены с помощью простого процесса, состоящего из смешивания в шаровой мельнице, нанесения покрытия Dr. Blade и погружения в мономер пиррола и растворы TEApTS/ACN, используемые в качестве примесей (рис. 1(a)). Подготовленные композитные электроды PPy/AC были намотаны с помощью самодельной намоточной машины, и после пропитки 1,0 M Et 4 NBF 4 /ACN (рис.
1(c)) суперконденсаторы были герметизированы путем вставки резиновых колпачков в перчаточный бокс. .
Для изучения свойств электродных материалов материалы были проанализированы методами PSA, BET и SEM.В таблице 1 показаны данные БЭТ активных материалов для электродов. Электрод переменного тока имел большую поверхность и площадь мезопор 1867,93 м 2 g -1 и 202,57 м 2 g -1 соответственно. Кроме того, соотношение мезопор было определено как 11%. Эти значения демонстрируют, что имеется большая площадь поверхности, обеспечивающая высокую емкость двойного электрического слоя, обусловленную нефарадеевской реакцией. Исходя из этих значений, мы смогли предсказать, что может быть достигнута высокая производительность.На рис. 2(а) и 2(б) показано распределение по размерам частиц АУ, проводящего углерода и смесей, приготовленных методом шаровой мельницы. Средние размеры частиц АУ и электропроводящего углерода составили 30 и 5 мкм мкм соответственно.
Для достижения однородного размера частиц перемешивание в шаровой мельнице проводили при 200 об/мин в течение 6 ч; после этого процесса частицы смеси имели равномерный средний размер примерно 10 мкм мкм. Морфология поверхности электрода переменного тока и композитного электрода PPy/AC показана на рисунках 2(c) и 2(d).На СЭМ-изображении электрода переменного тока можно наблюдать относительно однородные активные частицы и множество пор. Этим порам можно приписать высокую емкость. После погружения в раствор мономера пиррола и раствор TEApTS/ACN наблюдались мелкие частицы полипропилена, и они могли столкнуться с окислительно-восстановительной реакцией.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
93 Ожидается, что благодаря окислительно-восстановительной реакции PPy составной электрод PPy/AC с большой площадью поверхности будет демонстрировать улучшенные электрохимические емкостные свойства по сравнению с обычными электродами переменного тока.
Электрохимическая емкость суперконденсатора на основе композитного электрода PPy/AC рассчитывалась по гальваностатическому профилю заряда-разряда. На рис. 3(а) показаны кривые заряда-разряда при различных плотностях тока в диапазоне от 0,5 до 5,0 А г −1 при напряжении 0,0–3,0 В. Быстрому процессу заряда/разряда способствует электрохемосорбция катионов электролита ( Et 4 N + ) на отрицательном электроде и анионы электролита () на положительном электроде, наряду с образованием двойного электрического слоя.Примечательно, что расчетная удельная емкость (45,1 Ф г -1 ) была определена как постоянная при различных плотностях тока до 0,5 А г -1 . Эта значительно высокая емкость может быть связана с большой площадью поверхности и окислительно-восстановительной реакцией композитного электрода PPy/AC [22]. Примечательно, что мы успешно продемонстрировали высокое рабочее напряжение 3,0 В, и можно ясно видеть, что наш суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC демонстрирует превосходные характеристики рабочего напряжения по сравнению с большинством ранее описанных суперконденсаторов на основе электродов PPy.
CV была проведена для оценки электрохимического поведения суперконденсатора на основе композитного электрода PPy/AC в неводном Et 4 NBF 4 в электролите ACN при различных скоростях сканирования в диапазоне от 20 до 500 мВ с -1 . Графики CV показывают квазипрямоугольную форму, характерную для типичного суперконденсатора, даже при высокой скорости сканирования 500 мВ с -1 (рис. 3(b)).
Графики Найквиста для суперконденсаторов на основе композитного электрода PPy/AC были получены в результате анализа импеданса переменному току (рис. 3(c)).Эффект поляризации наблюдается на высокой частоте (1000–100000 Гц) для большинства электрохимических устройств, проявляющих реакцию Фарадея; поэтому можно было наблюдать полукруг. На низкой частоте (0,01–10 Гц) наблюдается эффект массопереноса и на графике Найквиста проявляется линия, параллельная мнимой оси или под углом менее 90° к действительной оси. При умеренной частоте (10–1000 Гц) для суперконденсаторов наблюдался эффект поляризации, эффект переноса массы или эффект суперпозиции.
В случае эффекта суперпозиции обнаруживается поведение импеданса Варбурга или неполной полуокружности [8]. Суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC имел форму полукруга из-за поляризации на высокой частоте и вертикальных линий из-за массопереноса на низкой частоте. Известно, что такое поведение связано с окислительно-восстановительной реакцией PPy. Значения омического сопротивления суперконденсатора составляли приблизительно 0,2 мОм. Чтобы оценить его циклическую стабильность, мы также исследовали свойства циклического заряда-разряда в течение 2500 циклов при 5 A g -1 для композитного электрода PPy/AC, как показано на рисунке 3(d).Примечательно, что было замечено, что суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC сохраняет примерно 87% своей начальной удельной емкости в течение 2500 циклов.
Чтобы подтвердить превосходство суперконденсатора на основе композитного электрода PPy/AC, мы провели электрохимические испытания, чтобы сравнить его характеристики с характеристиками обычного суперконденсатора на основе электрода переменного тока.
На рис. 4(а) показаны кривые гальваностатического заряда-разряда суперконденсаторов на основе композитного электрода PPy/AC и электрода переменного тока.Суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC способен заряжаться до напряжений от 0,0 до 3,0 В; однако суперконденсатор на основе электрода переменного тока не может заряжаться до того же диапазона напряжений из-за нежелательных побочных реакций. Однако кривые обоих суперконденсаторов имели симметричную обратную V-образную форму. Графики Найквиста для суперконденсаторов на основе композитного электрода PPy/AC и электрода переменного тока показаны на рисунке 4(b). Как упоминалось ранее, график для суперконденсатора на основе композитного электрода PPy/AC представляет собой полукруг из-за окислительно-восстановительной реакции PPy.Однако на графике суперконденсатора на основе электрода переменного тока не было полукругов из-за поляризации на высокой частоте, но наблюдались вертикальные линии из-за массопереноса на низкой частоте; это типично для обычного суперконденсатора.
Учитывая циклическую стабильность суперконденсаторов, сохранение емкости суперконденсаторов с использованием композита PPy/AC и электродов переменного тока составило 87% и 92% соответственно (рис. 4(c)).
На рис. 4(d) представлен график Рагона, демонстрирующий взаимосвязь между плотностью энергии и удельной мощностью суперконденсатора.Суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC обеспечивает максимальную плотность энергии 56,4 Втч кг −1 при плотности мощности 30 Вт кг −1 и поддерживает значение 18,8 Втч кг −1 при высокая удельная мощность 20 000 Вт кг -1 . Однако для более широкого контекста нашей работы рабочее напряжение и плотность энергии нашего суперконденсатора на основе композитного электрода PPy/AC сравнивались с другими известными суперконденсаторами на основе PPy; результаты представлены в таблице 2.Из таблицы 2 ясно видно, что суперконденсатор на основе композитного электрода PPy/AC продемонстрировал лучшую производительность, чем большинство суперконденсаторов, о которых сообщалось ранее [17–21].
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(2010) [18]
0 V Электрохимические свойства сверхкапаситоров на основе композиционного электрода PPY / AC были исследованы. Примечательно, что мы успешно продемонстрировали высокое рабочее напряжение примерно 3,0 В для носимых устройств, работающих при напряжении до 3,0 В. Импеданс переменного тока показал, что проявление псевдоемкости может быть связано с окислительно-восстановительной реакцией PPy.