應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響【開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報(bào)告</b></p><p><b>　　工程力學(xué)</b></p><p>　　應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響</p><p><b>　　1　緒論</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的飛

2、速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的高分子材料的需求也與日俱增。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過(guò)加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)而言，它不僅工藝簡(jiǎn)單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。</p><p>　　2　選題的背景與意義</p><p>　　隨

3、著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的高分子材料的需求也與日俱增。作為一種新興的功能材料，聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料不僅具有導(dǎo)電功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。目前所研制的導(dǎo)電高聚物大體上可以分為兩類，即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高聚物和復(fù)合型導(dǎo)電高聚物。結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料是指高分子本身的結(jié)構(gòu)或經(jīng)過(guò)摻雜處理后而具有導(dǎo)電功能的材料。由于大分子鏈中的共軛鍵可提供導(dǎo)電載流子，所以其自身

4、就具有導(dǎo)電性。由于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物分子本身剛性較大、摻雜劑多數(shù)是毒性較大、腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)，因此這類導(dǎo)電高聚物的使用價(jià)值還有待于進(jìn)一步研究和開發(fā)。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過(guò)加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)而言，它不僅工藝簡(jiǎn)單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的導(dǎo)

5、電填料的種類很多，常用的可分為金屬系和炭系兩大類。用金屬類填料研發(fā)的導(dǎo)電高聚物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能外，通常用于導(dǎo)電性能要</p><p>　　本項(xiàng)目以不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電聚合物體系為研究對(duì)象，研究該材料在不同應(yīng)變率下載荷-電阻效應(yīng)。</p><p>　　3　研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題</p><p>　　3.1 研究的基本內(nèi)容</p>

6、<p>　　鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；</p><p>　　不同纖維含量、不同碳納米管含量復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下電阻變化規(guī)律；</p><p>　　3.2 擬解決的主要問題</p><p>　　不同鋼纖維、碳納米管含量對(duì)鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系電阻變化規(guī)律；</p><p>

7、　　應(yīng)變率對(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料電阻影響規(guī)律。</p><p>　　4 研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試導(dǎo)電復(fù)合材料在載荷作用下電阻變化，記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)分析得出變化規(guī)律，并討論分析變化規(guī)律。</p><p>　　MTS試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試不同填料含量高聚物材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；</p><p>　　用高阻計(jì)測(cè)試材料載荷作用下電阻變化；&

8、lt;/p><p>　　在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同應(yīng)變率下不銹鋼纖維/聚酰胺復(fù)合材料導(dǎo)電性變化測(cè)定</p><p>　　5　研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　?。?）2010年11月-12 月 對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀，作文獻(xiàn)綜述。</p><p>　　（2）2011年 1 月 -2 月 對(duì)論文進(jìn)行翻譯理解，熟讀文獻(xiàn)。</p><

9、;p>　?。?）2010年 3 月-4月就“導(dǎo)電復(fù)合材料的不同應(yīng)變率下電阻隨 載荷變化”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　?。?）2010年4月 -5月 實(shí)驗(yàn)總結(jié)，撰寫畢業(yè)論文。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Ishigure Y., Iijima S.,

10、Ito H., Ota T., Unuma H., Takahashi M., Hikichi Y., Suzuki H., Electrical and elastic properties of conductor-polymer composites. Journal of Materials Science, 1999, 34: 2979-2985. </p><p>　　Zeng Q., Song Y.

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12、t;<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　工程力學(xué)</b></p><p>　　應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響</p><p><b>　　1　緒論</b></p><p>　　本文主要講述在文獻(xiàn)閱讀過(guò)程中摘錄的對(duì)本課

13、題的理論指導(dǎo)內(nèi)容，以及相關(guān)理論的發(fā)展階段。本文通過(guò)對(duì)不同材料對(duì)導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和不同纖維含量、不同碳納米管含量復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下電阻變化規(guī)律兩個(gè)方面，進(jìn)行相關(guān)的材料引述，豐富課題的研究?jī)?nèi)容。</p><p>　　2 不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　2.1 不銹鋼纖維所屬導(dǎo)電纖維高聚物體系導(dǎo)電規(guī)律<

14、;/p><p>　　不銹鋼纖維纖維類導(dǎo)電高聚物體系導(dǎo)電規(guī)律如正交及單向CFRP 復(fù)合材料[1]在靜態(tài)拉伸載荷作用下,其電阻變化率隨著應(yīng)變?cè)黾颖憩F(xiàn)為3個(gè)階段: 較為迅速增加的線性階段、非線性平緩階段和階梯狀迅速增加階段 ,其實(shí)質(zhì)反映了材料內(nèi)部纖維在不斷增加的應(yīng)力作用下逐步伸長(zhǎng)、變形和斷裂的過(guò)程 ,因此可以在結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)中作為傳感材料用于結(jié)構(gòu)完整性的自診斷和自監(jiān)測(cè);在較小應(yīng)力幅值(24%)的交變載荷作用下,2 種材料的電

15、阻變化率都表現(xiàn)出明顯的電阻應(yīng)變特性和一定的可逆性 ,單向CFRP復(fù)合材料的電阻變化率較正交CFRP復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變更敏感。</p><p>　　導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電行為具有非連續(xù)性。Xue[2]等采用氣相沉積聚合方法制備了聚吡咯/聚已內(nèi)酰胺纖維，并對(duì)纖維在內(nèi)軸拉伸情況先電阻魚應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該纖維電阻在單軸拉伸過(guò)程中電阻出現(xiàn)線性增大；萬(wàn)煒濤[3]曾對(duì)單軸拉伸對(duì)碳黑/聚已內(nèi)酰胺纖維電阻進(jìn)行了研究。</p

16、><p>　　導(dǎo)電粒子填充的纖維材料在拉力的作用下將發(fā)生彈性形變，電阻隨拉伸聽便增大為增大，在某一臨界應(yīng)變下，電阻呈現(xiàn)非線性增大，這一現(xiàn)象稱為電阻“正效拉力系數(shù)”效應(yīng)[4]。</p><p>　　1.2 碳納米管復(fù)合物導(dǎo)電體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　碳納米管復(fù)合物導(dǎo)電體系的相關(guān)研究是：自20世紀(jì)90 年代Iijima[5]發(fā)現(xiàn)碳納米管(Carb

17、on nanotubes, CNTs) 以來(lái), 由于其獨(dú)特的力學(xué)性能、電學(xué)性能和極高的縱橫比, 使CNTs在納米電子器件、催化劑載體、電極材料、儲(chǔ)氫材料等方面的應(yīng)用取得了引人注目的進(jìn)展[6~8] .迄今, CNTs 填充高分子復(fù)合材料的研究主要集中在力學(xué)增強(qiáng)以及光學(xué)性能的改進(jìn)方面. 其制備方法主要是溶液法 和原位聚合方法 . 但尚存在工藝復(fù)雜且溶劑使用及殘留、成本高及產(chǎn)量低等問題. CNTs 填充高分子復(fù)合體系導(dǎo)電特性的研究尚不多見,

18、特別是 CNTs/ 高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合材料的導(dǎo)電性的研究尚未見報(bào)道.[9]</p><p>　　理想的碳納米管可認(rèn)為是由六角網(wǎng)格狀石墨片層卷曲而成的無(wú)縫同心圓柱。按石墨層數(shù)目的不同, 碳納米管可分為多壁碳納米管（MWNT）和單壁碳納米管（SWNT）。碳納米管具有管徑小、長(zhǎng)徑比大的特點(diǎn),被視為準(zhǔn)一維材料。[10]</p><p>　　碳納米管的形變可帶來(lái)電導(dǎo)值的變化。Tombler

19、等[11]發(fā)現(xiàn) SWNT的電導(dǎo)率可因形變而產(chǎn)2個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。緊束縛計(jì)算法（thetight-bindingcalculation）表明在局部彎曲時(shí),扶手椅式 SWNT的原子發(fā)生sp²到sp³的變化，電導(dǎo)值隨之降低不過(guò)Paulson等[12]發(fā)現(xiàn)MWNT的電阻值沒有隨形變而變化。經(jīng)Liu等[13]細(xì)致研究,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性 CNT（n - m =3 p）形變后電子能帶產(chǎn)生一定的能隙,從而變成半導(dǎo)體;除非施力情況特殊 ,才會(huì)

20、保持導(dǎo)電性。而半導(dǎo)體性質(zhì)的CNT形變后電子能隙保持 ,不會(huì)變得具有導(dǎo)電性。</p><p>　　1.3 聚酰胺類復(fù)合物導(dǎo)電體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　聚酰胺類高聚物導(dǎo)電復(fù)合物導(dǎo)電規(guī)律如聚乙烯石墨半導(dǎo)體復(fù)合物(HD PE/GP)在軸向壓力下的壓阻特性[14]。結(jié)果表明, 這種復(fù)合物的導(dǎo)電性有較顯著的壓力依賴性。在低壓力范圍內(nèi)電阻隨壓力增加而降低, 在較高壓力下則隨壓

21、力增大而升高,呈現(xiàn)出所謂的“電阻負(fù)壓力系數(shù)(NPCR)”和“正壓力系數(shù)(PPCR)”效應(yīng)。電阻的壓力依賴性, 以及在恒壓力作用下表現(xiàn)出來(lái)的“電阻蠕變”行為, 被認(rèn)為與導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下的破壞與重組有關(guān)。</p><p>　　2 材料不同含量下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究</p><p>　　2.1 單軸壓阻行為的產(chǎn)生源于材料受外力變形而導(dǎo)致的滲流網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)變化,且這種變化強(qiáng)烈依賴于填料含量&

22、lt;/p><p>　　當(dāng)填料含量較低時(shí)(滲流閾值附近), 體系電阻率隨壓力升 而表現(xiàn)為電阻正壓力系數(shù)行為;當(dāng)填料含量較高時(shí), 體系電阻率隨壓力升高顯現(xiàn)電阻負(fù)壓力系數(shù)效應(yīng).完全卸載的零壓力下, 電阻基線隨壓縮循環(huán)隨循環(huán)次數(shù)增大而發(fā)生漂移, 這種漂移與軸向殘余壓縮應(yīng)變有關(guān),可以通過(guò)增加循環(huán)次數(shù)來(lái)加以穩(wěn)定.交聯(lián)可以減小殘余壓縮應(yīng)變, 并抑制 填充復(fù)合體系電阻基線的漂移[15]. </p><p>

23、　　2.2 研究了聚乙烯石墨半導(dǎo)體復(fù)合物(HD PE GP ) 在軸向壓 力下的壓阻特性</p><p>　　結(jié)果表明, 這種復(fù)合物的導(dǎo)電性有較顯著的壓力依賴性。在低壓力范圍內(nèi)電阻隨壓力增加而降低, 在較高壓力 下則隨壓力增大而升高, 呈現(xiàn)出所謂的“電阻負(fù)壓力系數(shù)(NPCR)”和“正壓力系數(shù)(PPCR)”效應(yīng)。電阻的壓力依賴性,以及在恒壓力作用下表現(xiàn)出來(lái)的“電阻蠕變”行為, 被認(rèn)為與導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下的破

24、壞與重組有關(guān)。</p><p>　　宋義虎等[16]研究了高密度聚乙烯（HDPE)基導(dǎo)電復(fù)合材料在首次單軸壓縮過(guò)程中的電阻壓力（應(yīng)變）關(guān)系 ,發(fā)現(xiàn)在某一壓力以下 ,電阻隨壓力增大而降低 ,這被稱作“負(fù)壓力系數(shù)效應(yīng)”（negative pressure coefficient , NPC）;而當(dāng)壓力高于該臨界值時(shí),電阻反隨壓力增大而升高 ,這被稱為“正壓力系數(shù)效應(yīng)”（positive pressure coeffi

25、cient , PPC) 。NPC現(xiàn)象可能源于聚集體間隙減小及導(dǎo)電粒子互相接近造成的附加導(dǎo)電通路,而PPC現(xiàn)象則是因?yàn)榛w大分子的橫向滑移以及基體與導(dǎo)電粒子鍵接破壞所導(dǎo)致的臨時(shí)性導(dǎo)電鏈沿軸向的損傷。滲流網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下的破壞和重組同時(shí)存在 ,相互競(jìng)爭(zhēng);隨著這一競(jìng)爭(zhēng) ,材料的電阻變化可能出現(xiàn)相反趨勢(shì)并在一定壓力下達(dá)到最低值[16]。兩種效應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱以及從NPC 向PPC效應(yīng)轉(zhuǎn)變的臨界壓力均與導(dǎo)電粒子含量有關(guān)。</p>&l

26、t;p>　　2.3 由于拉伸和壓縮而產(chǎn)生的材料滲流網(wǎng)絡(luò)魚RAM問題：</p><p><b>　　2.3.1 拉伸</b></p><p>　　Voet 等[17]在研究CB填充丁苯橡膠的拉伸時(shí)發(fā)現(xiàn),由于CB暫態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞,導(dǎo)電橡膠的軸向電阻率首先隨拉伸而出現(xiàn)小的增大;此后,由于永久性碳鏈沿應(yīng)力方向排列取向, 電阻率在較大應(yīng)變范圍內(nèi)下降直至最低點(diǎn);當(dāng)外力超過(guò)

27、CB與彈性體之間的相互作用力后,可以打破永久碳鏈的取向,導(dǎo)致電阻率顯著增大。Kost 等證實(shí)了拉伸對(duì)CB填充硅橡膠的電阻率有影響。這種影響隨著 CB 濃度向滲流閾值逼近而愈加顯著 , 同時(shí)還隨應(yīng)變速率增大而增強(qiáng)。由此認(rèn)為,導(dǎo)電橡膠在拉伸下的電阻率變化取決于導(dǎo)電粒子簇的暫態(tài)分布，我們約定平行于外力作用方向?yàn)檩S向,垂直于外力作用方向?yàn)闄M向;如無(wú)特別說(shuō)明, 電阻率均為沿軸向方向所測(cè)得（下同）。</p><p>　　2.

28、3.2 壓縮</p><p>　　Pramanik[18]研究CB填充丁腈橡膠的導(dǎo)電行為,發(fā)現(xiàn)電阻率隨壓力增大顯著下降,但在某一臨界壓力（0.4kg·cm-²）電阻率僅有輕微下降并逐漸趨于恒定。對(duì)于不同填料含量的復(fù)合物 ,該臨界壓力相差不大。</p><p>　　Chelidze 等[19]發(fā)現(xiàn) ,對(duì)滲流閾值以下濃度的體系進(jìn)行壓縮可使導(dǎo)電行為進(jìn)入滲流區(qū)域,這一現(xiàn)象被

29、稱為壓致滲流轉(zhuǎn)變（pres sureinduced percolation transition ,PIPT）。Chelidze從導(dǎo)電顆粒或?qū)щ姶刂g相互接觸的破壞重組的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程解釋了PIPT 與通常意義上的滲流行為（臨界指數(shù)為2）的區(qū)別,認(rèn)為滲流閾值附近的初始無(wú)限大導(dǎo)電簇易在外壓下發(fā)生重排而破壞 ,使得隧道間隙減小及導(dǎo)電路徑增加對(duì)電阻的貢獻(xiàn)被網(wǎng)絡(luò)破壞部分抵消,從而使PIPT的臨界指數(shù)僅為0.38 左右[16]。</p>

30、<p><b>　　3 結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　本文緊密結(jié)合不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和材料不同含量下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究?jī)纱笾髦純?nèi)容，對(duì)他們各自的特點(diǎn)和相關(guān)研究的進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述，為課題的研究提供了有力的了理論依據(jù)和材料論證。為課題的進(jìn)一步深入，奠定了了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　

31、　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　蘇小萍，晏石林，胡高平. 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的電阻應(yīng)變特性[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(12):27-12. </p><p>　　P.Xue,X.M.TAO,Electromechanical behaviour of fibers coated with an electrically conductive polyme

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39、T , Gueguen Y. [J] .J Phys D Appl Phys , 1998 ,31 : 2877～2885.</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響</p><p&

40、gt;<b>　　摘　要</b></p><p>　　【摘要】聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料不僅具有導(dǎo)電功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。共混/填充高聚物復(fù)合材料是高分子材料的研究熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目以不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電聚合物體系為研究對(duì)象，研究該材料在不同加載速率下電阻變化規(guī)律，即研究該體系高聚物電阻隨壓力變化的率效應(yīng)。結(jié)果表明：隨著載荷的提高，

41、變形相應(yīng)增加，壓縮模量超出后所需應(yīng)力更大；在低應(yīng)變時(shí)，復(fù)合材料的電阻隨應(yīng)變的增加而降低，而在高應(yīng)變時(shí)則隨應(yīng)變的增大而升高，分別呈現(xiàn)出所謂的“電阻負(fù)壓力系數(shù)”和“電阻正壓力系數(shù)”效應(yīng)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】導(dǎo)電聚合物；應(yīng)變率；載荷-電阻效應(yīng)；不銹鋼纖維；碳納米管。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

42、　【ABSTRACT】Conductive polymer-based composite material not only has the function of conductivity, possess the characteristics of the polymer materials,but also has the ability of adjusting the electrical and mechanical p

43、roperties of materials in a wide range. Blending polymer and filled composite have been becoming hot research in polymer field. The results show that: The strain increases with the increasing of stress ; At low strain st

44、age, the resistance of the composite decreases with the incre</p><p>　　【KEYWORDS】Conductive polymer; Strain rate; load-resistance effect; Stainless steel fiber; Carbon nanotubes.</p><p><b>

45、;　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要10</b></p><p>　　Abstract10</p><p><b>　　目　錄11</b></p><p><b>　　1 引言13</b></p><p>　　1.

46、1 導(dǎo)電高聚物復(fù)合材料的研究背景與制備方法13</p><p>　　1.2 納米材料簡(jiǎn)介14</p><p>　　1.3 碳納米管填料15</p><p>　　1.4 本論文研究的內(nèi)容與意義16</p><p><b>　　2 實(shí)驗(yàn)部分16</b></p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料和

47、儀器設(shè)備16</p><p>　　2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料16</p><p>　　2.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器及用途16</p><p>　　2.2 靜載荷作用下復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系17</p><p>　　2.3 電阻、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)17</p><p>　　2.3.1 應(yīng)變率為10-2時(shí)，電阻、應(yīng)力與應(yīng)

48、變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)17</p><p>　　2.3.2 應(yīng)變率為10-3時(shí)，電阻、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)17</p><p>　　3 結(jié)果研究與分析17</p><p>　　3.1 應(yīng)變率為10-2、10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析18</p><p>　　3.1.1 應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析18</p>

49、<p>　　3.1.2 應(yīng)變率為10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析24</p><p>　　3.1.3 應(yīng)變率為10-2、10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)比28</p><p>　　3.2 應(yīng)變對(duì)材料的導(dǎo)電性能的影響30</p><p>　　3.2.1 導(dǎo)電復(fù)合材料的載荷-電阻效應(yīng)30</p><p>　　3.2.2 應(yīng)變率對(duì)材料導(dǎo)

50、電性能的影響40</p><p>　　4 結(jié)論和展望43</p><p><b>　　4.1 結(jié)論43</b></p><p><b>　　4.2 展望43</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p>　　致謝錯(cuò)

51、誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　導(dǎo)電高聚物復(fù)合材料的研究背景與制備方法</p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的高分子材料的需求也與日俱增。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過(guò)加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方

52、法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)而言，它不僅工藝簡(jiǎn)單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。</p><p>　　作為一種新興的功能材料，聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料不僅具有導(dǎo)電功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。目前所研制的導(dǎo)電高聚物大體上可以分為兩類，即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高聚物和復(fù)合型導(dǎo)電高聚物。結(jié)構(gòu)型高分子

53、導(dǎo)電材料是指高分子本身的結(jié)構(gòu)或經(jīng)過(guò)摻雜處理后而具有導(dǎo)電功能的材料。由于大分子鏈中的共軛鍵可提供導(dǎo)電載流子，所以其自身就具有導(dǎo)電性。由于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物分子本身剛性較大、摻雜劑多數(shù)是毒性較大、腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)，因此這類導(dǎo)電高聚物的使用價(jià)值還有待于進(jìn)一步研究和開發(fā)。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過(guò)加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)

54、而言，它不僅工藝簡(jiǎn)單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的導(dǎo)電填料的種類很多，常用的可分為金屬系和炭系兩大類。用金屬類填料研發(fā)的導(dǎo)電高聚物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能外，通常用于導(dǎo)電性能要求特別高的場(chǎng)所如電磁波屏蔽等。</p><p>　　其工作原理主要有： </p><p>　　1.作為導(dǎo)電材料方面：在復(fù)合型導(dǎo)電高聚物中，當(dāng)填充粒子達(dá)到一定濃

55、度時(shí)，體系的電導(dǎo)率發(fā)生突變，稱為逾滲現(xiàn)象。即導(dǎo)電填料濃度較低時(shí)，復(fù)合材料的電阻率接近于基體的水平；當(dāng)填料濃度增加到滲流閾值時(shí)，電阻率往往在極窄的濃度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)的下降，呈現(xiàn)所謂的“滲流轉(zhuǎn)變”(percolation transition)[1]。在滲流閾值以上,電阻率則主要取決于導(dǎo)電相的結(jié)構(gòu)與堆砌方式。一般認(rèn)為導(dǎo)電填料在滲流閾值附近開始形成貫穿于絕緣基體的滲流網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2.滲流網(wǎng)絡(luò)的

56、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)取決于導(dǎo)電粒子本身的特性，如形狀、尺寸、粒度、表面性質(zhì)及暫態(tài)結(jié)構(gòu)(transient structure)[2]等。另一方面,基體的粘彈性則使導(dǎo)電行為在外場(chǎng)（如機(jī)械外力、溶劑、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或超聲場(chǎng)）作用下呈現(xiàn)溫度與時(shí)間依賴性。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與基體隨外界刺激作出的響應(yīng)共同決定體系的導(dǎo)電行為。Kirkpatrick、Zallen等人利用高聚物網(wǎng)絡(luò)與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的相似性，借用凝膠理論描述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成,設(shè)想在填料超過(guò)臨界濃度之后，導(dǎo)電粒子構(gòu)成的

57、聚集體展開后就像無(wú)規(guī)鏈一樣偶聯(lián)著，如球狀粒子只有體積分?jǐn)?shù)達(dá)到16%以上時(shí)，才會(huì)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論，用于粒子填充高聚物的電導(dǎo)率。Sumita提出了逾滲現(xiàn)象的熱力學(xué)模型，認(rèn)為隨著基材類型變化，粒子臨界體積分?jǐn)?shù)也要發(fā)生改變。Wessling提出了“動(dòng)態(tài)界面模型”這一新概念，與Sumita一樣，把粒子和基體的表面張力作為影響逾滲網(wǎng)絡(luò)的首要因素，這個(gè)模型采用了非平衡態(tài)熱力學(xué)的概念，將逾滲現(xiàn)象形象化。但Wessling的假設(shè)條件

58、過(guò)多，與實(shí)際不甚相符。由于影響逾滲現(xiàn)象的因素很多，解釋的各種理論都有局限性。</p><p>　　3.力敏復(fù)合材料：在單軸壓力作用下，高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻具有明顯的壓力依賴性，呈現(xiàn)壓阻(piezoresistivity)行為。電阻(R)對(duì)外界應(yīng)力(s)刺激的響應(yīng)比較復(fù)雜，根據(jù)R-s關(guān)系，可分為兩種類型，即電阻負(fù)壓力系數(shù)(negative pressure coefficient of resistance,

59、NPCR)效應(yīng)和電阻正壓力系數(shù)(positive pressure coefficient of resistance, PPCR)效應(yīng)[3]。當(dāng)基體模量較低時(shí)，s可導(dǎo)致復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變宏觀力學(xué)性能與導(dǎo)電性能。這些特性在接觸控制開關(guān)、應(yīng)力(壓力)傳感器、機(jī)器手等方面獲得了成功應(yīng)用。</p><p><b>　　納米材料簡(jiǎn)介</b></p><p>　

60、　從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。其由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)

61、和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同[4]。</p><p>　　納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來(lái)原子吸附鍵結(jié)，同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子[5]。 </

62、p><p>　　納米復(fù)合材料包括納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)、納米微粒與常規(guī)塊狀復(fù)合(0-3復(fù)合)、納米顆粒與薄膜復(fù)合(0-2復(fù)合)、不同材質(zhì)納米薄膜層狀復(fù)合(2-2復(fù)合)等。通過(guò)物理或化學(xué)方法將納米微粒填充在介孔固體(如氣凝膠材料)的納米孔洞中，這種介孔復(fù)合材料也是納米復(fù)合材料[6]。納米復(fù)合材料可以利用己知的納米材料奇特的物理、化學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的綜合性能，可用于航空、航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各

63、個(gè)領(lǐng)域，納米復(fù)合材料被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的新材料” 。</p><p><b>　　碳納米管填料</b></p><p>　　聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的綜合性能與組分的類型及性質(zhì)緊密相關(guān)。隨著導(dǎo)電填料在高分子基體中的加入，復(fù)合材料的電導(dǎo)率在一定導(dǎo)電填料濃度范圍內(nèi)的變化是不連續(xù)的。當(dāng)導(dǎo)電填料達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)電粒子在聚合物基體中的分散狀態(tài)發(fā)生了突變，即在基體中形成了導(dǎo)電滲濾網(wǎng)絡(luò)

64、，此時(shí)復(fù)合材料的電阻率會(huì)發(fā)生突變[7]。發(fā)生此臨界轉(zhuǎn)變所需的最小導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)稱為滲濾閾值。導(dǎo)電復(fù)合材料的滲濾閾值的大小不僅與導(dǎo)電填料在聚合物基體中的分散狀況和聚合物基體性質(zhì)有關(guān)，而且還與導(dǎo)電填料的幾何形狀有關(guān)。因此，導(dǎo)電填料的種類是決定復(fù)合材料導(dǎo)電性能、力學(xué)性能及其它性能的一個(gè)關(guān)鍵性因素。導(dǎo)電填料的種類很多，常用的可分為碳系和金屬系兩大類。碳系的導(dǎo)電填料主要包括碳黑、石墨和碳纖維等；金屬系的填料主要有鉛、銅、鎳、鐵等金屬粉末、金屬

65、片、和金屬纖維等。金屬粉末含量一般在50％左右時(shí)，才會(huì)使材料電阻率達(dá)到導(dǎo)電復(fù)合材料的要求，這必然使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。另外由于金屬的密度遠(yuǎn)大于非金屬的密度，因此在復(fù)合材料的成型過(guò)程中容易出現(xiàn)分層或不均勻現(xiàn)象，影響材料性能穩(wěn)定性。與金屬系導(dǎo)電填料相比，碳系導(dǎo)電填料表現(xiàn)出其顯著的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　理想的碳納米管可認(rèn)為是由六角網(wǎng)格狀石墨片層卷曲而成的無(wú)縫同心圓柱。按石墨層數(shù)目的不同,碳納米管可分為多壁碳納

66、米管( MWNT)和單壁碳納米管( SWNT)。碳納米管具有管徑小、長(zhǎng)徑比大的特點(diǎn),被視為準(zhǔn)一維材料。SWNT直徑分布較小，一般只有幾個(gè)納米。由于范德華力作用，SWNT大多以集結(jié)成束的形態(tài)存在，每束含幾十到幾百根SWNT，束的直徑約幾十個(gè)納米。MWNT內(nèi)徑與普通SWNT的直徑相當(dāng)，外徑隨管壁層數(shù)的變化一般為幾個(gè)到幾十個(gè)納米，各層間距為0.34nm。碳納米管的軸向長(zhǎng)度為微米至厘米量級(jí)。用長(zhǎng)徑比( aspect ratio)來(lái)表示CNT的大

67、小,其值在103量級(jí)或者更大。碳納米管的另一個(gè)特征是它的手性，可用特征矢量Ch= na + mb來(lái)描述[8]。Ch是在平鋪的六角網(wǎng)格狀石墨晶片上，連接碳納米管上兩個(gè)等價(jià)碳原子的向量。a與b是石墨平面的結(jié)構(gòu)矢量。參數(shù)n，m皆為整數(shù)。手性角θ是矢量Ch與a的夾角。</p><p>　　碳納米管的形變可帶來(lái)電導(dǎo)值的變化。Tombler等發(fā)現(xiàn)SWNT的電導(dǎo)率可因形變而產(chǎn)生2個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。緊束縛計(jì)算法(the tight

68、-binding calculation)表明在局部彎曲時(shí),扶手椅式SWNT的原子發(fā)生sp2到sp3的變化，電導(dǎo)值隨之降低。不過(guò)Paulson等發(fā)現(xiàn)MWNT的電阻值沒有隨形變而變化。經(jīng)Liu等細(xì)致研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性CNT( n- m= 3p )形變后電子能帶產(chǎn)生一定的能隙，從而變成半導(dǎo)體；除非施力情況特殊，才會(huì)保持導(dǎo)電性。而半導(dǎo)體性質(zhì)的CNT形變后電子能隙保持，不會(huì)變得具有導(dǎo)電性。</p><p>　　碳納米管是一

69、種徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)的層狀中空結(jié)構(gòu)特征的碳材料?？梢院?jiǎn)單地把碳納米管看成是單層或多層的石墨片卷曲成的細(xì)長(zhǎng)圓柱體。碳納米管具有高模量、高強(qiáng)度，被認(rèn)為是理想的聚合物增強(qiáng)材料。碳納米管導(dǎo)電性能類似石墨，長(zhǎng)徑比大的特點(diǎn)使它易于形成導(dǎo)電網(wǎng)鏈，導(dǎo)電效率是石墨的20倍左右[9]，很適合作為導(dǎo)電填料。同時(shí)，碳納米管有著較高的導(dǎo)熱系數(shù)，滿足導(dǎo)熱散熱的要求。綜合碳納米管的性能特點(diǎn)，大量的研究證明，將其應(yīng)用于導(dǎo)靜電涂料領(lǐng)域，可使傳統(tǒng)涂層的

70、導(dǎo)靜電性能和防腐性能得到提升，更高效、更環(huán)保。</p><p>　　本論文研究的內(nèi)容與意義</p><p>　　本論文中主要以尼龍6為基體，不銹鋼纖維和碳納米管為填料，其中不銹鋼纖維的含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，碳納米管含量分別為0%，1%，3% 。共計(jì)對(duì)19種試樣進(jìn)行壓阻實(shí)驗(yàn)。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定每組試樣應(yīng)變率分別在10-2 、10-3 時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系及電

71、阻率與應(yīng)變之間的關(guān)系。并據(jù)此分析導(dǎo)電高聚物的力學(xué)及導(dǎo)電性能。由于在此填充含量下的碳納米管導(dǎo)電高聚物以往研究較少，所以希望通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)和分析，能為測(cè)試載荷-電阻曲線并研究其壓阻效應(yīng)提供基礎(chǔ)性研究。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備</b></p><p><

72、b>　　實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)所用PA6（尼龍6）粒料為南京德爾隆公司生產(chǎn)。SSF（不銹鋼纖維）粒料為湖南惠同新材料股份有限公司生產(chǎn)，SSF直徑12μm，母粒長(zhǎng)度5mm，母粒直徑3mm。工業(yè)級(jí)多壁CNT為中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司提供，由化學(xué)氣相沉淀法（CVD）生成，純度大于85%，外徑20～40nm，長(zhǎng)度10～30μm，導(dǎo)電率大于100s/cm。</p>&

73、lt;p>　　由于在高分子材料中加入填料等于加入雜質(zhì)和缺陷，有引發(fā)裂紋和加速破壞的副作用，因此對(duì)填料表面進(jìn)行恰當(dāng)處理，加強(qiáng)它與高分子基體的親合性，同時(shí)防止填料結(jié)團(tuán)，促進(jìn)填料均勻分散，始終是粉狀填料增強(qiáng)改性中人們關(guān)心的焦點(diǎn)。</p><p>　　這些除與填料本身性質(zhì)有關(guān)外，改性工藝、條件、設(shè)備等也都起重要作用。</p><p>　　將上述原料熔融共混，注塑成型，由北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料

74、與納米技術(shù)系制造。</p><p><b>　　主要實(shí)驗(yàn)儀器及用途</b></p><p>　　ZC36型高絕緣電阻測(cè)量?jī)x：用于測(cè)量電阻值大于106Ω時(shí)試樣的電阻；</p><p>　　VC-62數(shù)字型萬(wàn)用電表：用于測(cè)量小于106Ω時(shí)試樣的電阻；</p><p>　　810MTS實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由Hydraulic Power

75、 Unit，647 Hydraulic Wedge Grip，System Electronics三部分組成，用于做靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試。</p><p>　　靜載荷作用下復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)使用810 Material Test System （動(dòng)靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)，簡(jiǎn)稱MTS）來(lái)進(jìn)行材料靜力學(xué)性能測(cè)試。MTS由Hydraulic Power Unit(動(dòng)力裝置)，

76、647 Hydraulic Wedge Grip（加載裝置）和System Electronics(數(shù)據(jù)采集裝置)三部分組成。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為10-2，10-3，在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，記錄材料應(yīng)變，壓力、位移和時(shí)間。畫出不同填料含量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)對(duì)銹鋼纖維的含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，以碳納米填料的含量分別為0%，1%，3% ，共計(jì)對(duì)19種試樣

77、進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　電阻與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)</p><p>　　應(yīng)變率為10-2時(shí)電阻與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)</p><p>　　MTS上下兩個(gè)壓頭之間絕緣，故本實(shí)驗(yàn)將上下兩個(gè)壓頭各接導(dǎo)線連至電阻測(cè)量裝置（高阻計(jì)或電阻計(jì)），復(fù)合材料在進(jìn)行電阻測(cè)試之前，試樣兩側(cè)均勻涂抹導(dǎo)電銀膠，有助于增加試樣與壓頭之間的接觸，減少因初始條件下因接觸不良導(dǎo)致的誤差。</

78、p><p>　　本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為10-2，應(yīng)變?yōu)?0%，壓縮位移為2.7mm。測(cè)試時(shí)間90s，記錄點(diǎn)5s每點(diǎn)，共計(jì)19點(diǎn)。人工記錄內(nèi)容為時(shí)間及即時(shí)電阻，MTS記錄內(nèi)容為即時(shí)應(yīng)變，壓力和位移。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)對(duì)銹鋼纖維的含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，以碳納米填料的含量分別為0%，1%，3% ，共計(jì)對(duì)19種試樣進(jìn)行了壓阻實(shí)驗(yàn)。</p><p>

79、;　　應(yīng)變率為10-3時(shí)電阻與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)與2.3.1實(shí)驗(yàn)使用儀器相同。應(yīng)變率為10-3，應(yīng)變?yōu)?6.7%，壓縮位移2mm。測(cè)試時(shí)間為670s，記錄點(diǎn)10s每點(diǎn)，共計(jì)68點(diǎn)。人工記錄內(nèi)容為時(shí)間及即時(shí)電阻，MTS記錄內(nèi)容為即時(shí)應(yīng)變，壓力和位移。</p><p><b>　　結(jié)果研究與分析</b></p><p>　　

80、將實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由公式（其中為電阻率，R為電阻，A為截面面積，L為厚度）將所測(cè)得的電阻都換算為電阻率，對(duì)電阻率取對(duì)數(shù)，然后使用origin作圖，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。</p><p>　　應(yīng)變率為10-2、10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中儀器記錄了壓力（kN）-位移（s）對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，處理時(shí)，先通過(guò)公式和（為小圓片面積，d為厚度）。實(shí)驗(yàn)對(duì)不銹鋼纖維（SSF）的

81、含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，以碳納米填料（CNT）的含量分別為0%，1%，3% ，共計(jì)19種試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的數(shù)據(jù)在以下分組進(jìn)行討論。</p><p>　　應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　圖3.1.1-3.1.3中給出了應(yīng)變率為10-2條件下應(yīng)力-應(yīng)變(-)關(guān)系，由-關(guān)系可知，整體的趨勢(shì)是隨著應(yīng)力增大變形量增加。在宏觀上，分段觀察，

82、初始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而較快增大，中間趨于平緩，末端又較快增大，且斜率高于初始階段。變化過(guò)程可由壓縮模量（又稱“彈性模量”、“楊氏模量”、“體積模量”，用K表示，單位N/m2）反映，它表示縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)，在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從胡克定律，即變形與受力成正比，公式表示為K=σ/ε[10]。壓縮模量是工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來(lái)說(shuō)壓縮模量是衡量物體抵抗壓縮變形能力大小的尺度，從微觀角度來(lái)說(shuō)，則是原子、離子或分子之

83、間鍵合強(qiáng)度的反映。凡影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的壓縮模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等。壓縮模量可視為衡量材料產(chǎn)生壓縮變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定壓縮變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生壓縮變形越小。壓縮模量K是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位壓縮變形所需要的應(yīng)力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，相當(dāng)于普通彈簧中的剛度[9]。在圖3.1.1-3.1.</p>&

84、lt;p>　　圖3.1.1 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.2 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.3 CNT含量為3%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　如圖3.1.1-3.1.3中相同碳納米管填料含量，不同不銹鋼纖維含量的應(yīng)

85、力-應(yīng)變(-)圖中對(duì)比可知，碳纖維的含量越高，達(dá)到相應(yīng)的應(yīng)變所需應(yīng)力也越高。不銹鋼纖維導(dǎo)電復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)材料的一種，纖維增強(qiáng)材料是利用纖維的高強(qiáng)度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密度、強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)制備的一種復(fù)合材料。兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，復(fù)合的同時(shí)既克服了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強(qiáng)度、剛性、耐蠕變和耐熱性。不銹鋼纖維的含量的提高使得材料的壓縮模量有了明顯的提高[11]。</p><p>　　不銹鋼纖維具有高強(qiáng)度可以

86、承受高應(yīng)力，樹脂基體容易發(fā)生粘彈變形和塑性流動(dòng)，它們與不銹鋼纖維粘結(jié)在一起可以傳遞應(yīng)力。材料受力時(shí)，同時(shí)相應(yīng)發(fā)生形變，首先由纖維承受應(yīng)力，個(gè)別纖維即使發(fā)生斷裂，由于樹脂的粘結(jié)作用和塑性流動(dòng)，斷纖維被拉開的趨勢(shì)得到抑制，斷纖維仍能承受應(yīng)力。樹脂與纖維的粘結(jié)還具有抑制裂紋傳播的效用。材料受力引發(fā)裂紋時(shí)，軟基體依靠切變作用能使裂紋不沿垂直應(yīng)力的方向發(fā)展，而發(fā)生偏斜，使斷裂功有很大一部分消耗于反抗基體對(duì)纖維的粘著力，阻止裂紋傳播。</p&

87、gt;<p>　　圖3.1.4 SSF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.5 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.6 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.7 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力

88、-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.8 SSF含量為10%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.9 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　如圖3.1.4-3.1.9中不同碳納米管填料含量，相同不銹鋼纖維含量的應(yīng)力-應(yīng)變(-)圖中對(duì)比可知，隨著CNT含量的升高，同SSF的試樣的第二拐點(diǎn)明

89、顯較無(wú)CNT的試樣滯后，但抗壓性能仍高于不含CNT的試樣。然而并非CNT越多對(duì)抗壓性能的提升越高，圖3.1.5-3.1.9表現(xiàn)為CNT含量1%的試樣同應(yīng)變所需應(yīng)力高于3%試樣。碳納米管填料作為活性粒子，吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，使得材料的整體力學(xué)性能有所提升。</p><p>　　應(yīng)變率為10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　圖3.1.10

90、 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.11 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.12 CNT含量為3%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　在圖3.1.10-3.1.12中觀察所有應(yīng)變率在10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，應(yīng)變初始階段所需應(yīng)力急

91、劇升高，中間上升趨于平緩。多數(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程仍在壓縮模量的使用范圍之內(nèi)。這是由于其應(yīng)變?yōu)?6.7%，正處于K的臨界點(diǎn)附近。</p><p>　　由圖3.1.10-3.1.12得到，同CNT含量，隨著SSF含量的升高，同應(yīng)變所需應(yīng)力有明顯提升，即材料整體抗壓性能提升。第二拐點(diǎn)的隨著SSF含量的提高而提前。前段上升的斜率即壓縮模量也隨SSF含量的升高而升高。</p><p>　　圖3.1.13 S

92、SF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.14 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.15 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.16 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p

93、>　　圖3.1.17 SSF含量為10%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.18 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　由圖3.1.13-3.1.18不同CNT含量的應(yīng)力-應(yīng)變圖可知：在8%SSF含量以下時(shí)，含有CNT的試樣全程抗壓性能高于不含CNT的試樣；在10%-12%SSF含量時(shí)，前段含有CNT的試樣

94、抗壓性能低于CNT含量為0的試樣，交點(diǎn)之后斜率高于CNT含量0%的試樣。在壓力作用下，SSF和CNT都會(huì)發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，受壓后復(fù)合材料體積收縮，CNT體積分?jǐn)?shù)增大，在后段CNT起到了主導(dǎo)作用。</p><p>　　應(yīng)變率為10-2、10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)比</p><p>　　圖3.1.19 0-6,1-6,3-6三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較</p

95、><p>　　圖3.1.20 0-8，1-8，3-8三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較</p><p>　　圖3.1.21 0-10，1-10，3-10三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較</p><p>　　圖3.1.22 0-12，1-12，3-12三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較&

96、lt;/p><p>　　分析：在圖3.1.19-3.1.22可以看出，將含有CNT填料的試樣進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)變率為10-2發(fā)生相同應(yīng)變所需應(yīng)力明顯大于應(yīng)變率為10-3的式樣；將不含有CNT填料的式樣進(jìn)行對(duì)比則結(jié)論相反。所有試樣總趨勢(shì)是隨著變形時(shí)的應(yīng)變率增加，每種填料試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率都增加，這就是高聚物材料的應(yīng)變率效應(yīng)。</p><p>　　應(yīng)變對(duì)材料的導(dǎo)電性能的影響</p>

97、<p>　　導(dǎo)電復(fù)合材料的載荷-電阻效應(yīng)</p><p>　　圖3.2.1 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.2 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.3 CNT含量為3%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p&

98、gt;　　圖3.2.4 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.5 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.6 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　從圖3.2.1-3.2.6應(yīng)變-電阻關(guān)系可以看出，隨著變形增加，材料的電阻總

99、體上是下降的，但是對(duì)于不同填料含量的材料下降程度不同，即變形對(duì)每種材料的電阻影響程度不同，還可以看出隨著不銹鋼纖維含量增加，材料的電阻顯著降低。與導(dǎo)電復(fù)合材料在溫度場(chǎng)作用下所呈現(xiàn)出的電阻正溫度系數(shù)(PTCR)效應(yīng)相似，我們將電阻在單軸壓力場(chǎng)作用下隨壓力增大而降低或升高的特征行為,分別稱為電阻的負(fù)壓力系數(shù)(Negative Pressure Coefficient of Resistance, NPCR)或電阻的正壓力系數(shù)(Positiv

100、e Pressure Coefficient of Resistance, PPCR)效應(yīng)[12][13]。由圖3.2.1-3.2.6可以明顯看出聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料在壓縮的過(guò)程中存在NPCR 效應(yīng)。填料含量和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料在加載過(guò)程中的壓阻特性的主要因素之一。由于導(dǎo)電顆粒在聚合物基體中分布不均勻,沒有穩(wěn)定的導(dǎo)電鏈通道，因此初始電阻較大，而隨著載荷的增加，材料變形量增加，導(dǎo)電夾雜會(huì)互相接觸的幾率增加，能形成了穩(wěn)定的導(dǎo)電鏈

101、通道,因此材料的電阻會(huì)隨載荷增加而降低，因此</p><p>　　圖3.2.7 SSF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.8 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.9 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>

102、　　圖3.2.10 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.11 SSF含量為10%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.12 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.13 SSF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲

103、線</p><p>　　圖3.2.14 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.15 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.16 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.17 SSF含量為1

104、0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.18 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　從圖3.2.7-18應(yīng)變-電阻關(guān)系可以看出，隨著變形增加，材料的電阻總體上是下降的，但是對(duì)于不同填料含量的材料下降程度不同，即變形對(duì)每種材料的電阻影響程度也不同，還可以看出隨著CNT含量增加，材料的電阻也降低，但是有些含量時(shí)會(huì)稍

105、有不同。</p><p>　　應(yīng)變率對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響</p><p>　　圖3.2.19 0-6,1-6,3-6三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　圖3.2.20 0-8,1-8,3-8三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　圖3.2.21 0-10,1-10,

106、3-10三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　圖3.2.22 0-12,1-12,3-12三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　分析：從圖3.2.19-3.2.22中可以看出，應(yīng)變率對(duì)變形過(guò)程中材料的電阻有明顯的影響?？傏厔?shì)是隨著變形的增加，電阻急劇減小，后趨于平穩(wěn)，符合NPCR效應(yīng)?？傮w上應(yīng)變率為10-2試樣的同應(yīng)

107、變下所需載荷高于應(yīng)變率為10-3試樣，相同應(yīng)變時(shí)應(yīng)變率為10-2時(shí)材料的電阻率下降幅度比10-3小，即應(yīng)變率越大，電阻率降低趨勢(shì)越??；應(yīng)變率越小，電阻率下降得越多。</p><p>　　微觀原因是：在不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電聚合物中，當(dāng)碳納米管達(dá)到一定含量時(shí)，碳納米管聚集相互形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完善程度與碳納米管的含量有關(guān)。此外，基體大分子間的相互纏結(jié)以及基體與填料之間的相互作用可以形成。</