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碳纤维增强复合材料电阻率-温度特性研究

放大字体??缩小字体 发布日期:2016-02-27??来源:中国官方ag游戏|HOME网??作者:[db:作者]??浏览次数:2701
核心提示:  材料中填料的种类。含量对该类复合材料的导电性及其该类复合材料的电阻率温度特性的影响进行了研究,并对电阻率-温度变化特性进行了进行回归分析。实验结果表明较低温度条件下制备的碳纤居复合材料具有线形的N

  材料中填料的种类。含量对该类复合材料的导电性及其该类复合材料的电阻率温度特性的影响进行了研究,并对电阻率-温度变化特性进行了进行回归分析。实验结果表明较低温度条件下制备的碳纤居复合材料具有线形的NTC变化特性,而较高温度条件下制备的碳纤居复合材料具有特殊的变化特性,即先表现出PTC效应,后表现出NTC效应中图法分类号:TB 332:A高分子导电复合材料的导电机理非常复杂。大量实验表明,当复合体系中导电填料的含量在达到一个临界值前,其电阻率急剧下降,在电阻率导电填料含量曲线上出现一个狭窄的突变区域在此区域内,导电填料含量的任何细微变化均会导致电阻率的显着改变,这种现象通常称为“渗滤”现象,导电填料的临界含量称为“渗滤阀值”。在突变区域之后,即使导电填料含量继续提高,复合材料的电阻率变化甚小,这反映在突变点附近导电填料的分布开始形成导电通路网络。

  导电高分子材料的导电现象是由导电填料的直接接触和填料间隙之间的隧道效应的综合作用产生的;或者说是由导电通道隧道效应和场致发射三种导电机理竞相作用的结果在低导电填料含量、低外加电压下,导电粒子间距较大,形成链状导电通道的几率极小,这时隧道效应起主要作用;在低导电填料含量、高外加电压时,场致发射理论变得显着;在高导电填料含量下,导电粒子的间距小,形成链状导电通道几率较大,这时导电通路机理作用明显碳素填充高分子导电复合材料是应用最广、前景最好的一大系列,它包括石墨,导电碳黑和碳纤维三类在电子工业中导电碳黑填充复合材料发展迅速,随着碳纤维材料的工业化生产的成功和军转民的扩大,碳纤维导电复合材料的研究引起世界各国的关注。以不同碳化温度条件下制备的短切碳纤维为导电填料,以乙烯基树脂为基体,制成添加型导电复合材料,研究了填料的不同种类,含量对材料导电性及电阻率温度特性的影响1实验部分1.1原材料及制备导电纤维制备将短切PAN基预氧化纤维分别在惰性气体保护下,于700°C,730C,760C,800C,1000C下进行碳化。

  树脂:320乙烯基树脂,上海新华树脂厂生产。固化剂:过氧化甲乙酮;促进剂:环烷酸钴溶液。

  导电复合材料的制备将制备的导电纤维与3201树脂固化剂、促进剂混合均匀,按照不同的纤维含量(4%~2(%,质量分数)压制成板材;按10X2CK2制成试样导电复合材料性能测试①将试样放入马丁耐热箱中,升温速率控制在2°C/min记录试样自30°至100C的电阻变化在3. 2中将对实验结果进行详细分析。②参照国家标准GB3855- 83〈碳纤维强塑料树脂含量试验方法,测量试样的树脂含量。

  1.2实验仪器及设备(1)马丁耐热箱上海实验仪器总厂制造;(2温度电阻自动记录仪武汉工业大学复合材料研究所研制;(3)UT70B型万用电衰深圳市伏利惠电子有限公司制造;(4)惰性气体保护程序控温高温炉。武汉工业大学复合材料研究所研制;(5)TG328A电光分析天平。湘仪天平仪器厂制造2实验结果与讨论2.1纤维含量碳化温度对电阻率的影响研究21.1纤维含量对体积电阻率的影响从可以看出,当纤维质量分数小于5%时,体积电阻随纤维含量的加急剧下降,当纤维质量分数大于5%时,体积电阻的变化趋于平缓,体积电阻率的下降与纤维质量分数的加并不成正比,而是有一个渗滤阀值这个渗滤阀值约为5%填料量小于5%时,电阻率很大,高于5%时电阻率下降到平稳值。这表明,碳纤维乙烯基树脂复合体系在碳纤维质量分数为5%时,形成了良好的导电通路电阻率-千维含量曲线纤维碳化温度电阻率曲线21.2不同碳化温度下制备碳纤维对复合材料体积电阻率的影响确定碳纤维含量为20%的复合材料为研究对象,研究碳化温度对复合材料电阻率的变化根据数据作图见从可以看出,试样的体积电阻率随纤维灼烧温度的升高而下降对数据进行回归分析,发现体积电阻率的下降与纤维碳化温度的升高成指数关系。

  表2纤维的碳化温度对体积电阻率的影响碳化温度/C完全碳化体积电阻率/0.cm 2.2温升条件下不同复合材料电阻率一一温度变化的影响固定碳纤维质量分数为20%的复合材料为研究对象,研究升温条件下不同碳化温度碳纤维强复合材料电阻率随温度的变化700C下碳化纤维强复合材料试样电阻率温度变化见;760C下碳化纤维强复合材料试样电阻率温度变化见;800C下碳化纤维强复合材料试样电阻率温度变化见;1000C下碳化纤维强复合材料试样电阻率温度变化见对数据进行回归分析,得到方程为:对数据进行回归分析,得到方程为:对数据进行回归分析,得到方程为:对数据进行回归分析,得到方程为:方程(2)~(4)对实验数据的拟合程度是相当好的,其Correlation值分别为-0.983,- 0.987,-0.978方程(5)的线性关系并不是很好,其Correlation值只有-0.512从中可以看出温阻变化曲线尽管总的是NTC趋势,但还有PTC效应的存在从方程(2)~(5)中,可以观察到,拟合曲线中(P/dT是递减的,所以随着纤维碳化程度的增加,试样的体积电阻率的下降逐渐趋于平缓这是由于碳纤维的结构并不是理想的石墨点阵结构,而是属于乱层石墨结构在乱层石墨结构中,石墨层面是最基本的结构单元25个层平面组成1个石墨微晶,由石墨微晶再组成原纤维Pauling认为的石墨晶体结构,由六方型面层分子组成,每一面层设想为一个巨大的分子,而面层与面层之间间距太大,重叠的面层是通过微弱的范德华力结合在一起的,以致分子之间不可能存在共价键在每个面层中电子可以自由移动,面层之间电子移动困难。因此,石墨导电具有明显的方向性碳纤维和石墨纤维的差别主要是结晶的有序程度不同没有完全炭化的碳纤维中石墨晶体的层面,存在一定的晶型缺陷和O,N等原子,这些形式的缺陷会使得电子的运动受阻,宏观上表现为材料电阻率的增大随着温度的升高,石墨面层中电子具有更高的能量,更易于移动随着炭化程度的增加,晶型缺陷以及O,N呈现出减少的趋势也降低了对温度的敏感在复合材料体系中,当试样在加热时,树脂基体与碳纤维同时受热树脂基体受热膨胀,将碳纤维之间的接点间距拉大,这种效应使复合材料体系电阻率有增大的趋势。碳纤维受热时,又使得电子具有更高的能量,易于在石墨面层间移动,其结果是使复合材料体系电阻率有下降的趋势。在碳纤维碳化程度较低的情况下,由于碳纤维受热使其电阻率下降对整个复合材料体系的影响远远比树脂基体膨胀使体系电阻率上升的影响要大,电阻率以指数形式下降,升高温度带来的使树脂电阻率增大的影响可以忽略,故整个体系呈现出NTC效应在碳纤维碳化程度很高的情况下,石墨面层中的缺陷很少,石墨面层的导电能力本身很高,在室温条件下层中的电子就可以十分自由地运动le温初期该纤维电阻率下降的小这时高温使树脂膨胀带来的电阻率大在复合材料体系中的影响占主导地位复合材料中PTC作用强于NTC作用,复合材料体系先表现出PTC效应;随着温度的继续升高,该纤维面层中的电子具有了更高的能量,电阻率下降的影响占主导地位,使复合材料又表现出NTC效应3结论碳纤维乙烯基树脂复合体系在碳纤维质量分数为5%时,形成了良好的导电通路。5%是碳纤维乙烯基复合材料体系的渗滤阀值碳纤维乙烯基复合材料体系的体积电阻率随碳纤维碳化温度的升高而下降。

  纤维在较低温度碳化时,得到的碳纤维制备的复合材料中NTC效应占主导,并表现出较好的线性NTC下降关系(-1. -0.997),其变化随着碳纤维碳化温度升高而趋缓。

  纤维在较高温度碳化时,得到的碳纤维制备的复合材料中,有表现出两种相反的效应,即先表现出PTC效应,后表现出NTC效应

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