碳納米管-硅橡膠復(fù)合材料介電與壓阻性能研究.pdf

1、壓敏導(dǎo)電復(fù)合材料電阻隨外加壓力的變化而變化（壓阻性能），可作為壓力傳感器材料。壓力傳感器材料應(yīng)具有較高的壓敏強(qiáng)度、較低壓縮永久變形、性能穩(wěn)定且彈性模量與其接觸材料相匹配。然而，在過去的發(fā)展過程中，受填料和加工工藝的限制，壓敏材料可控性低，重復(fù)性較差，發(fā)展較緩。同時(shí)，導(dǎo)電填料填充聚合物復(fù)合材料是一類新型高介電材料，盡管在過去的一段時(shí)間，人們對(duì)這類復(fù)合材料的介電行為和逾滲現(xiàn)象進(jìn)行了一定的研究，然而對(duì)于其在交變電場(chǎng)下的極化規(guī)律以及電導(dǎo)機(jī)理仍然

2、不是很清楚。 本文選擇性能優(yōu)異的多壁碳納米管作為功能填料，在對(duì)其改性的基礎(chǔ)上，采用濕法和三輥研磨機(jī)制備了碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料，對(duì)其導(dǎo)電、介電和壓阻性能及影響因素作了詳細(xì)研究。 通過對(duì)碳納米管表面修飾研究發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑KH550是碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料一類簡(jiǎn)單有效的改性劑，可直接與原始碳納米管表面存在的有機(jī)基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，維持了碳納米管原有的性能，提高了碳納米管與硅橡膠之間的結(jié)合力，使碳管較均勻的分散在基體中，提

3、高了復(fù)合材料的機(jī)械性能。同時(shí)，采用三輥研磨機(jī)制備得到填料完全分散的改性碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料。 本文對(duì)碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料的逾滲情況作了詳細(xì)研究，考察了復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響，總結(jié)了導(dǎo)電性和填料分散之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的滲流閾值較小，僅為1．0 vol．%，這保證了復(fù)合材料較好的彈性和性能穩(wěn)定性。但相對(duì)結(jié)晶高聚物基體復(fù)合材料，碳納米管/硅橡膠基復(fù)合材料的滲流閾值較大。并且由于碳管在聚合物基體中彎曲分布，其有效長(zhǎng)徑

4、比降低，導(dǎo)致其滲流閾值高于理論估算值。同時(shí)，碳管表面被基體包裹，復(fù)合材料中主要為隧道和躍遷導(dǎo)電。在一定范圍內(nèi)，電導(dǎo)率隨著溫度的增大而增大。較強(qiáng)的界面作用在提高碳納米管分散的同時(shí)也阻礙了電子的傳導(dǎo)。 本文通過對(duì)交流阻抗譜圖的分析，建立了復(fù)合材料等效電路，對(duì)其弛豫機(jī)制和交流導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)并聯(lián)的電阻-電容電路串聯(lián)構(gòu)成了復(fù)合材料的等效電路。在低頻時(shí)，復(fù)合材料電導(dǎo)率不隨頻率變化而變化；中高頻時(shí)，由于電容和界面

5、極化松弛作用，電導(dǎo)率隨頻率的增大而增大。當(dāng)復(fù)合材料電導(dǎo)率達(dá)到一定程度時(shí)，材料具有電感性，在高頻時(shí)，電導(dǎo)率隨頻率的增大而減小。同時(shí)，復(fù)合材料介電常數(shù)隨頻率變化曲線可分為三部分，在低頻下發(fā)生低頻介電彌散現(xiàn)象（LFD），介電常數(shù)隨頻率成指數(shù)性變化；中頻率階段，極化主要為碳納米管和基體形成的界面局域電荷躍遷，類似于偶極子，介電常數(shù)對(duì)頻率的依賴性較低；高頻主要是碳納米管本身電子云的極化。中頻區(qū)域介電常數(shù)的大小取決于兩個(gè)方面，一方面為復(fù)合材料中局域

6、電荷的數(shù)量，另一方面為界面勢(shì)壘能的大小。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)隨著碳納米管含量的增大，復(fù)合材料內(nèi)部界面勢(shì)壘能的高低，局域電荷和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)同時(shí)增多，導(dǎo)致其介電常數(shù)和電導(dǎo)率都增大。但當(dāng)碳納米管含量繼續(xù)增大，大多數(shù)碳管參與形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，局域電荷變少，介電常數(shù)下降。以上導(dǎo)電和介電理論的提出為制備高導(dǎo)電、高介電復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ)。 最后，本文對(duì)復(fù)合材料壓阻性能的機(jī)理和影響因素作了詳細(xì)考察。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料的電阻隨著壓力的增大

7、而增大，而且在一定壓力范圍內(nèi)電阻的對(duì)數(shù)與壓力呈良好的線性關(guān)系，屬于一種新型壓敏材料。壓阻性能與復(fù)合材料中填料的含量直接有關(guān)，當(dāng)填料含量較多時(shí)，粒子之間的平均距離較小，壓力的作用可使粒子之間相互接觸，從而電導(dǎo)率增大；但當(dāng)填料含量比較少時(shí)，粒子之間的平均距離較大，壓力主要破壞已經(jīng)形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而難以促使新的導(dǎo)電渠道形成。對(duì)于碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料，較少量的碳管首尾相接形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，致使碳管之間的平均距離較大，因而復(fù)合材料電阻隨著壓力的