炭黑-硅橡膠復(fù)合材料熱、力敏感性與電熱效應(yīng)研究.pdf

1、導(dǎo)電復(fù)合材料是一種功能材料,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、電熱效應(yīng)及熱、力敏感性,在土木工程測試、采暖加熱及電子工程等領(lǐng)域具有重要研究價值。本文選擇硅橡膠為基體、納米導(dǎo)電炭黑為導(dǎo)電填料研制了炭黑/硅橡膠復(fù)合材料,對其導(dǎo)電性、電熱效應(yīng)及熱、力敏感性進(jìn)行系統(tǒng)的理論與試驗研究,力圖為其新的工程應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　導(dǎo)電性是炭黑/硅橡膠復(fù)合材料具有多功能性的基礎(chǔ),通過SEM圖像微觀觀察與導(dǎo)電機(jī)理分析,完善了炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電模型。微觀

2、SEM圖像發(fā)現(xiàn),炭黑顆粒在聚合物基體中主要以“團(tuán)聚體”及與之相連的“鏈條”兩種結(jié)構(gòu)形式存在;根據(jù)該結(jié)構(gòu)形式簡化獲得炭黑分布模型,模型中將炭黑“團(tuán)聚體”與“鏈條”結(jié)構(gòu)簡化為“大顆粒”整體結(jié)構(gòu)形式,并認(rèn)為“大顆?！本哂锌勺冃涡?“大顆?！敝g通過直接接觸與隧道效應(yīng)兩種方式實現(xiàn)載流子傳遞;在該分布模型基礎(chǔ)上,結(jié)合隧道效應(yīng)理論建立了炭黑/硅橡膠復(fù)合材料導(dǎo)電模型,新型模型考慮到了炭黑的非均勻分布特性。對炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電性測試表明,炭黑含

3、量超過4％時,可獲得導(dǎo)電性優(yōu)良的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料;電性能試驗表明,直流電壓或恒定低頻交流電壓激勵時該導(dǎo)電復(fù)合材料具有純電阻特性;試樣的電阻抗隨著交流頻率的變化而變化,證明“隧道效應(yīng)”對炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理解釋是正確的。
　　根據(jù)炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理,首次分析了該復(fù)合材料的電熱效應(yīng)機(jī)理;電壓加載后電子在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中的定向流動是導(dǎo)致電發(fā)熱效應(yīng)的主因。通過配方與工藝設(shè)計,成功獲得了電熱薄膜試樣的研制方法;電熱性能基

4、礎(chǔ)試驗表明,炭黑/硅橡膠復(fù)合材料薄膜具有優(yōu)良的電發(fā)熱能力;大面積加熱膜電熱試驗結(jié)果表明,220V電壓下炭黑含量14％,厚度117μm的電熱膜加熱功率達(dá)到1430.46W/m2,是一種優(yōu)質(zhì)的面狀加熱材料。
　　炭黑/硅橡膠基復(fù)合材料敏感性試驗表明,薄膜試樣的拉伸應(yīng)變-電阻曲線在拉伸應(yīng)變達(dá)到25％、溫度-35℃時,壓力-電阻曲線在應(yīng)力達(dá)到20MPa時都具有較好的線性關(guān)系及可重復(fù)性;多次溫度循環(huán)后,薄膜試樣溫度-電阻曲線的可重復(fù)性也較好

5、;分析發(fā)現(xiàn)薄膜試樣力-阻靈敏系數(shù)約為2.5～3.0,明顯大于熱-阻靈敏系數(shù)(約為0.15～0.60)。大量試驗及分析結(jié)果表明,相較于常見的“體結(jié)構(gòu)”試樣來說,“膜結(jié)構(gòu)”試樣具有更優(yōu)越的熱、力-阻敏感特性。首次引入形變系數(shù)λ建立力-阻模型,以反應(yīng)“大顆?！钡囊鬃冃涡?在現(xiàn)有理論模型基礎(chǔ)上,研究獲得了簡化的熱-阻模型;與力-阻模型耦合分析,首次建立了炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的熱-力-阻耦合分析模型;模型分析認(rèn)為,導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中存在的“隧道電阻”對力

6、敏、熱敏特性起主導(dǎo)作用。根據(jù)多組試驗數(shù)據(jù)擬合獲得模型中β、λ值,并代入模型與其他條件下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算對比,結(jié)果表明計算值與試驗值吻合;最后,引入“壓阻模量”E′值,建立了電阻關(guān)于應(yīng)力的壓-阻模型,試驗結(jié)果驗證了模型的正確性。
　　最后,根據(jù)炭黑/硅橡膠復(fù)合材料導(dǎo)電機(jī)理、電熱效應(yīng)機(jī)理、熱-力-阻模型及壓-阻模型等理論研究,在大量試驗研究基礎(chǔ)上,基于炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的優(yōu)良特性,對新型電加熱技術(shù)、一維大變形測試技術(shù)、壓力及變形分