炭黑-硅橡膠復合材料熱、力敏感性與電熱效應研究.pdf

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

2、SEM圖像發(fā)現(xiàn),炭黑顆粒在聚合物基體中主要以“團聚體”及與之相連的“鏈條”兩種結構形式存在;根據(jù)該結構形式簡化獲得炭黑分布模型,模型中將炭黑“團聚體”與“鏈條”結構簡化為“大顆?！闭w結構形式,并認為“大顆粒”具有可變形性,“大顆?！敝g通過直接接觸與隧道效應兩種方式實現(xiàn)載流子傳遞;在該分布模型基礎上,結合隧道效應理論建立了炭黑/硅橡膠復合材料導電模型,新型模型考慮到了炭黑的非均勻分布特性。對炭黑/硅橡膠復合材料的導電性測試表明,炭黑含

3、量超過4％時,可獲得導電性優(yōu)良的炭黑/硅橡膠復合材料;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電復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”對炭黑/硅橡膠復合材料的導電機理解釋是正確的。
　　根據(jù)炭黑/硅橡膠復合材料的導電機理,首次分析了該復合材料的電熱效應機理;電壓加載后電子在導電網絡中的定向流動是導致電發(fā)熱效應的主因。通過配方與工藝設計,成功獲得了電熱薄膜試樣的研制方法;電熱性能基

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

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)。大量試驗及分析結果表明,相較于常見的“體結構”試樣來說,“膜結構”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“大顆?！钡囊鬃冃涡?在現(xiàn)有理論模型基礎上,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/硅橡膠復合材料的熱-力-阻耦合分析模型;模型分析認為,導電網絡中存在的“隧道電阻”對力

6、敏、熱敏特性起主導作用。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)進行計算對比,結果表明計算值與試驗值吻合;最后,引入“壓阻模量”E′值,建立了電阻關于應力的壓-阻模型,試驗結果驗證了模型的正確性。
　　最后,根據(jù)炭黑/硅橡膠復合材料導電機理、電熱效應機理、熱-力-阻模型及壓-阻模型等理論研究,在大量試驗研究基礎上,基于炭黑/硅橡膠復合材料的優(yōu)良特性,對新型電加熱技術、一維大變形測試技術、壓力及變形分