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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9023 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os compósitos de silicato têm condutividade muito baixa em geral. É possível conseguir uma diminuição da resistividade elétrica adicionando um enchimento eletrocondutor. A mistura condutora consiste em ligante cimentício, vários tipos de areia de sílica e cargas condutoras à base de grafite. Um dos focos de pesquisa é a substituição parcial de matérias-primas comuns por componentes alternativos (resíduos, subprodutos e matérias-primas secundárias) e sua influência nas propriedades dos compósitos. Os componentes alternativos estudados foram cinzas volantes como substituto parcial do ligante, resíduos de grafite de duas fontes diferentes e aparas de aço como substituto de carga condutora. A resistividade de amostras curadas à base de silicato condutor foi analisada em relação às alterações nas propriedades físico-mecânicas no contexto de alterações microestruturais na matriz cimentícia endurecida (por microscopia óptica e eletrônica de varredura com análise de energia dispersa). Verificou-se que a substituição parcial do cimento por cinza volante reduz 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 cargas condutoras primárias por matérias-primas secundárias.

Os materiais compósitos são um dos materiais de construção mais progressistas. Esses materiais são utilizados em todos os ramos da indústria. Sua maior vantagem é a capacidade de modificar propriedades diretamente para uma determinada finalidade de uso. Essas propriedades podem ser modificadas utilizando diferentes tipos e combinações de matrizes e preenchimentos1,2. 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, as cargas reduzem significativamente o preço do material e afetam ainda mais a densidade aparente, a condutividade elétrica, a absorção, etc.

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 superficial depende principalmente do teor de água do material.

A condutividade dos materiais compósitos depende da mobilidade dos elétrons. Materiais à base de cimento geralmente possuem resistividade de 6,5·105 a 11,4·105 Ω·cm7, então pode-se dizer que nem sequer são bons condutores como o cobre, que possui resistividade de aproximadamente 1,7·10–8 Ω·cm8 , nem bom isolante (ex. 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 eletrocondutividade do material compósito é a criação de uma rede perfeitamente condutora de eletricidade em sua estrutura. Quanto mais forte for esta rede condutora, maior será a condutividade elétrica do material. Isto também está associado à força máxima da corrente elétrica que pode passar por ele. Uma vez que a estrutura condutora interligada esteja 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 melhor feita de materiais condutores e com formato acicular e alongado, graças aos quais podem facilmente transferir corrente elétrica através de uma matriz não condutora em distâncias mais longas, como nanotubos de carbono, fibras de aço, etc. O problema ocorre quando esses componentes aciculares não estão em contato direto. portanto, uma combinação entre o uso de vários tipos de elementos condutores ou o aumento de sua proporção no material é adequada. Além disso, a condutividade do compósito é afetada principalmente pela densidade, pelo conteúdo das cavidades de ar, pela orientação direcional da carga ou dos fios, bem como pela sua dispersão no compósito. Condutividade elétrica (princípio, redes internas e estruturas).