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镀镍碳纤维填充聚乙烯导电复合材料的研究

作　者: 陆玲
导　师: 宾月珍
学　校: 大连理工大学
专　业: 高分子材料
关键词: 复合材料伽马射线辐射 PTC效应导电性能介电性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,随着电子科学技术的迅猛发展,导电高分子材料越来越引起人们的重视。有机PTC导电复合材料是一类具有重要理论研究价值的新型功能材料。这种复合型导电高分子材料具有质轻、耐腐蚀、导电性能稳定、成本低、加工工艺简单等优点,普遍应用于自控温电热器件、过流保护器、电磁屏蔽材料及传感器等领域。但是目前PTC导电复合材料在很多的理论和实际应用方面还有待进一步研究和完善,主要表现为复合材料的导电机理、复合材料的PTC强度的提高、NTC现象的消除以及高温稳定性和重现性的改进。本论文以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为基体,以镀镍碳纤维(NiCF)为导电填料,用凝胶／结晶法制备了导电复合材料。然后对复合材料进行室温伽马射线辐射交联处理。通过差示扫描量热法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、动态力学分析仪(DMA)、凝胶含量测试等多种分析测试手段研究了辐照处理对复合材料一系列性能的影响。研究结果表明,由于NiCF自身的高电导率,使得在填料体积分数高于4％时,复合材料的电导率逾渗值低于4vol％,并且室温电导率达到100S／cm。辐射后的复合材料,在NiCF含量达到4vol％时,UHMWPE/NiCF复合材料表现出108Ωcm的PTC强度。合适的辐射剂量,如300kGy,提高了复合膜高温下的机械性能和稳定性,消除了NTC现象,同时降低了室温下的电阻率。通过对超高分子量聚乙烯基PTC材料的体积膨胀试验和介电性能分析研究了其PTC效应机理。体积膨胀试验表明在聚合物基体熔点温度附近复合材料的体积急剧膨胀,导致体系中导电网络遭到破坏,从而引发PTC效应。另一方面,本文采用电容电阻电路模型对复合材料的介电性能进行了测试和分析,将材料的介电性能与PTC现象结合到一起,通过研究介电行为进一步阐明了PTC效应的机制。研究结果表明,与直流结果相似,在交流电阻率的曲线中,由于导电网络的破坏同样出现了PTC的跳跃。由于接触电容对频率和温度的强烈依存关系,交流电压下也出现了NTC现象。交流电压下的电性能表明,辐射后样品的跳跃温度向高温转移。由此,本文明确了伽马射线辐射交联对超高分子量聚乙烯／镀镍碳纤维导电复合材料PTC效应的影响,进一步扩宽了这种导电复合材料在高温下的应用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
引言  10-11
1 文献综述  11-25
  1.1 概述  11-12
  1.2 导电聚合物的分类  12-14
    1.2.1 结构型导电高分子材料  12-13
    1.2.2 复合型导电高分子材料  13-14
  1.3 聚合物基复合材料的导电机理  14-17
    1.3.1 导电通路的形成  14-15
    1.3.2 复合型导电高分子材料的导电机理  15-17
  1.4 聚合物基导电复合材料的温度依存性  17-19
    1.4.1 PTC效应机制  17-18
    1.4.2 影响PTC效应的因素  18-19
  1.5 γ射线辐照在导电复合材料改性方面的研究进展  19-22
    1.5.1 高分子辐射交联技术  19-20
    1.5.2 γ射线与聚合物的相互作用  20-21
    1.5.3 辐照后处理  21
    1.5.4 辐射交联对PTC材料稳定性的影响  21-22
  1.6 导电复合材料的应用  22-23
    1.6.1 防静电材料  22
    1.6.2 自控温发热材料  22-23
    1.6.3 电磁屏蔽材料  23
    1.6.4 其他应用  23
  1.7 本论文的研究内容及意义  23-25
    1.7.1 研究内容  23-24
    1.7.2 研究意义  24-25
2 凝胶/结晶法制备UHMWPE/NiCF导电复合材料  25-31
  2.1 概述  25
  2.2 实验部分  25-27
    2.2.1 实验原料及仪器设备  25-26
    2.2.2 样品制备及辐照  26-27
  2.3 复合材料分析测试与表征  27-31
    2.3.1 差示扫描量热法(DSC)分析  27
    2.3.2 导电性能及PTC效应测试  27-28
    2.3.3 介电性能测试  28-29
    2.3.4 凝胶含量的测定  29
    2.3.5 体积膨胀(PVT)测试  29-30
    2.3.6 动态粘弹(DMA)测试  30
    2.3.7 扫描电子显微镜(SEM)分析  30-31
3 辐射交联对导电复合材料结构及性能的影响  31-47
  3.1 概述  31-32
  3.2 辐射交联对复合材料室温逾渗值的影响  32-33
  3.3 辐射交联导电复合材料热性能的研究  33-35
  3.4 辐射交联对导电复合材料PTC效应的影响  35-39
    3.4.1 辐射剂量对复合材料PTC效应的影响  36-37
    3.4.2 复合材料PTC稳定性的研究  37-38
    3.4.3 NiCF含量为6%的复合材料PTC效应的研究  38-39
  3.5 辐射交联复合材料凝胶含量的测定  39-41
  3.6 导电复合材料断面的电镜观察  41-43
  3.7 辐射交联对复合材料机械性能的影响  43-44
  3.8 复合材料体积膨胀数据分析  44-45
  3.9 本章小结  45-47
4 PTC导电复合材料的介电性能  47-61
  4.1 聚合物复合材料的介电性能  47-49
    4.1.1 物质的极化现象  47-48
    4.1.2 介电性能表征参数  48-49
  4.2 介电驰豫的微观机制  49-51
    4.2.1 线性响应理论  49-50
    4.2.2 单一驰豫时间函数(Debye驰豫)  50
    4.2.3 具有驰豫时间分布的函数(Non-Debye驰豫)  50-51
    4.2.4 介电性质的温度依存性  51
  4.3 聚合物基复合材料介电理论的并联模型  51-53
  4.4 结果与讨论  53-60
    4.4.1 复合材料的交流电阻率与频率的关系  53-56
    4.4.2 复合材料的介电常数与频率的关系  56-57
    4.4.3 复合材料的介电损耗与频率的关系  57-59
    4.4.4 温度对复合材料介电性能的影响  59-60
  4.5 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-68
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  68-69
致谢  69-71

镀镍碳纤维填充聚乙烯导电复合材料的研究

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