[发明专利]一种无电火花防爆开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种以压敏金属/高分子复合材料研发的无火花防爆开关。所发明防爆开关的特点是利用压敏金属/高分子复合材料具有电阻可调节、较灵敏的压敏特性而设计的一种安全、简易的防爆开关。 

背景技术

随着煤矿现代化程度的不断提高和井下高压供电距离不断加大，对煤矿井下供电系统的可靠性、安全性和连续性的要求越来越高。由于煤矿井下工作环境恶劣，设备安全性能更难保证，存在较大安全隐患，如引起瓦斯、煤尘爆炸或雷管爆炸等事故，直接危及人身安全和矿井生产。目前，市场上使用的防爆开关大多数都是隔爆开关，即把开关部分密封在金属壳体内。开关闭合时产生的电火花隔离在壳体内，避免由电火花引发火灾，但是，传统的防爆开关没有从根本上解决电火花产生的原因。因此，传统的防爆开关的安全保障系数较小，存在潜在的安全隐患。我们在研究压敏高分子复合材料时发现该材料对压力有较强的灵敏性，即材料在不受外界压力的作用下，其电阻率为10¹²Ω.cm，随着外界压力逐渐增大到1000g(9.8N)时，电阻可降到0.01Ω，其电阻率变化可达10¹⁴Ω.cm。利用压敏高分子复合材料的这一压敏特性发明一种无电火花防爆开关，可以从根本上消除因金属电极瞬间接触产生电火花发生爆炸，其安全保障系数大，不存在潜在的安全隐患。该防爆开关可以应用到煤矿、加油站等易燃易爆行业的安全生产中去，从而避免瓦斯、煤尘、燃油等爆炸事故的产生。 

发明内容

本发明目的在于提供一种无电火花防爆开关，利用压敏金属/高分子复合材料具有电阻可调节、较灵敏的压敏特性设计的一种防爆开关，有效地解决因电火花而引起的爆炸问题。首先制备压敏金属/高分子复合材料，根据制备开关性能的需要，来加工压敏金属/高分子复合材料大小尺寸等形状，把压敏材料作为制备防爆开关的关键部件。在开关使用的过程中，材料的电阻因外界的压力的增大而逐渐减小，最终导通，使金属电极接通而不产生电火花，避免因电火花的产生而发生爆炸。 

本发明涉及到压敏金属/高分子复合材料的制备、防爆开关模型的设计。采用二次固化法制备压敏金属/高分子复合材料，利用其压敏特性而设计一种无电火花防爆开关模型，制备出防爆开关。具体的制备方法如下： 

(1)压敏金属/高分子复合材料的制备 

采用高纯(110)硅橡胶和颗粒小于100μm的高纯金属Ni粉(99.9％)按质量比1∶2～3配料，用甲苯作为溶剂，加入导电颗粒和适量的固化剂，利用超声波震荡器使其混合均匀进行 混炼，放入恒温箱经过一定时间的恒温固化后取出。为了使样品具有好的致密性，再次添加适量的固化剂进行二次固化制成样品。样品电阻对外界压力的变化关系如图1(图-1是镍粉与硅橡胶质量比为2.7∶1样品的电阻随应力变化曲线图)所示，材料表现出较灵敏的压敏效应，材料压敏效应的灵敏性可根据需要来调节其成分比例。样品具有很好的弹性，其厚度变化与所受压力的变化关系如图2(图2是镍粉与硅橡胶质量比为2.7∶1样品的厚度随应力变化曲线图)所示，受压后的电阻变化主要是材料电阻率的改变，而样品的几何形变对电阻的影响很小可以忽略不计。 

(2)防爆开关金属电极的设计 

把压敏金属高分子材料固定在金属底板上，在推拉过程中使D滑竿沿着滑道运动，确保电极C在材料滑动时所施加的外力随着离金属地板的距离的减小而增大，弹簧对外界压力起到微调的作用，设计新型防暴开关的外壳及金属电极如附图-3所示。 

(3)防爆开关模型的设计 

设计无电火花防爆开关模型的核心技术就是利用材料的压敏特性。防爆开关设计为推拉式工作方式。在关闭状态时，压力为零，材料的电阻较大处于绝缘状态，在推拉的过程，材料受到逐渐增大的压力作用使其电阻逐渐减小，材料所受压力达到500g(即压力为4.9N时)，其电阻为几欧姆相当于金属导体，最终实现开关触点与金属底板直接接触，从弱导通逐渐过渡到强导通却不产生电火花。在两金属电极接通时，把压敏材料从闭合电路中脱离出来，因为在推拉的过程中，电路中电流过大而产生大量的热量，压敏材料明显发热，时间过长将被烧坏，模型设计见图3(图3是无电火花防爆开关的模型图)。 

本发明所提供的一种无电火花防爆开关，具有结构简单、安全保障系数大，不存在潜在的安全隐患等特点，在煤矿、加油站等易燃易爆行业等领域具有很大的应用价值。本发明采用压敏金属高分子材料作为核心部件，制备一种无电火花防爆开关，其特点是利用材料的电阻压敏特性从根本上消除因金属电极接触瞬间产生电火花，可以有效避免开关因电打火而在易燃、易爆等工作环境引起的爆炸、火灾事故。