金属纤维_聚合物导电复合材料的性能研究

金属纤维_聚合物导电复合材料的性能研究
金属纤维_聚合物导电复合材料的性能研究

金属纤维 聚合物导电复合材料的性能研究

Study on P rop erties of M etal F ib re F illed Po lym er Com po sites

谭松庭 章明秋 容敏智 曾汉民 黎宝恩(中山大学材料科学研究所,聚合物复合材料及功能材料教育部开放研究实验室)

T an Songting Zhang M ingqiu Rong M inzh i Zeng H anm in L i B aoen

(M aterials Science In stitu te,Zhongshan U n iversity,

L abo rato ry of Po lym er Com po site and Functi onal M aterials,

State Educati onal Comm issi on of Ch ina)

[摘要] 以铜纤维和不锈钢纤维为导电填料,分别填充ABS、H IPS和PP树脂基体,制得导电复合材料。研究了金属纤维含量及工艺条件对复合材料的导电性能和力学性能的影响。结果表明,选择合适的工艺条件以保证金属纤维有较大的长径比并在树脂中有良好的分散状态,是制造性能优良的导电复合材料的关键。

关键词 金属纤维 聚合物 导电复合材料

[Abstract] E lectrical conductive com po sites w ere fab ricated u sing AB S,H IPS and PP as m atrix resin s filled w ith Cu fib re and stain less steel fib re1T he effects of m etal fib re con ten ts and com pounding conditi on s on electrical and m echan ical p rop erties in the elctrical conductive com po s2 ites have been studied1T he resu lts indicate that the key to p repare electrical conductive com po s2 ites w ith sup eri o r p roperties is h igher L D rati o of m etal fib res and w ell2dispersi on of the fib res in m atrix1

Keywords m etal fib re po lym er electroconductive com po sites

1 前言

由聚合物基体加工制成的电子仪器外壳具有良好的外观、质轻、易加工成型等优点,已获得了广泛应用。但不导电的塑料外壳对电磁波干扰毫无屏蔽作用,而电磁干扰(E lectrom agntic Interference)已成为一种新的社会公害。一些经济发达国家对这一问题都非常重视,并制订了抗电磁干扰法规,如美国的FCC法,德国的VD E 法等;对大多数电子仪器产品规定,必须达到相应的标准才允许进入市场。

为了防止电磁波辐射造成的干扰与泄漏,通常在塑料壳体上涂敷导电涂料或将导电填料直接分散在树脂中制成导电复合材料[1~2],国内对导电复合材料的研究大多采用切削法生产的铜纤维或钢纤维作导电填料,这类金属纤维由于直径较大(20~50Λm),须要较大的填充量(6~12vo l%或30~50w t%)才有一定的导电能力,如此高填充量的金属纤维,不仅使塑料制品失去轻质的特点,而且使复合材料的力学性能大幅度下

降[3~4]。所以,选择性能优良的导电填料,并优化制备工艺以降低填料的填充量已成为制备导电复合材料的关键。

2 实验部分

211 主要原材料

ABS:PA2757,熔体流动速率(M FR)为115g 10m in;H IPS:PH288H,M FR为115g 10m in;PP:M FR 为213g 10m in;黄铜短纤维(CuF):直径30~80Λm,长度3~8mm;不锈钢长纤维(SSF):316L, 00C r17Fe66N i12,直径8Λm,使用时剪成5~8mm。212 试样制备

将树脂和一定比例的金属纤维于B rabender转矩流变仪中混炼,然后在平扳硫化机上加热加压成试样片。工艺条件如下:

PP,ABS和H IPS双辊混炼及压片温度分别为190~200℃,200~220℃,和200~220℃;螺杆转速为32

r m in;混炼时间为10m in。

213 性能测试

21311 体积电阻率的测试

当试样电阻≥1068时,采用ZC243型超高阻计测量;当试样电阻在100~1068之间时,采用D T2830型数字式万用表测量;当试样电阻<1008时,用S W22型数

字微欧计测量。

21312 力学性能测试

将测完电学性能的试样片裁成5个45mm×8mm×

315mm的试样条,室温下用LW K25型微控拉力机测定试样的弯曲强度和弯曲模量,速率5mm m in,跨距为50mm。

另压一片试样同上裁成5个试样条,用摆锤式冲击

试验机测量简支梁冲击强度,试样跨距为40mm。

21313 纤维长径比的测量

将一小块共混料于25吨平扳硫化机上压成薄片(温

度为200℃,压力为918M Pa),然后在显微镜下测量纤维的长度,并拍照。

3 结果与讨论

311 金属纤维填充量对复合材料导电性能的影响图1是金属纤维含量与复合材料体积电阻率的关系,对于由切削法得到的铜纤维填充ABS,由于直径大,长径比小,需要较大的填充量(9vo l%以上)才能使复合材料电阻率产生突降;但用直径较细的不锈钢纤维填充ABS和H IPS,在4vo l%以上就可以使材料的体积电阻率从10158 c m突降到1048 c m以下,显示出纤维长径比对导电复合材料渗滤过程的控制作用。当用同种不锈钢纤维填充结晶性的PP基体时,临界填充量在1vo l%左右,这可能是金属纤维受PP结晶的影响,而在非晶区富集较多的缘故。Fow ler[5]用PAN基碳纤维填充尼龙266和聚碳酸酯时也发现在相同填充量下结晶性尼龙266比无定型聚碳酸酯的电阻率要低得多。

312 金属纤维填充量对导电复合材料力学性能影响图2和图3给出了铜纤维和不锈钢纤维与不同基体复合所得复合材料的弯曲强度与纤维含量的关系。从图中可以看出,用不锈钢纤维填充ABS和PP基体时,随纤维含量增加,弯曲强度开始有所增加,然后下降。造成这种现象的原因可能是:直径细的不锈钢纤维在其含量较低且均匀分散于基体中时,可充当增强组份使复合材料弯曲强度增加;但当含量较高时,由于分散不好而缺陷增多使复合材料的力学性能下降。用这种不锈钢纤维填充H IPS时,在测量范围内,弯曲强度比纯H IPS有所增加,说明适量的不锈钢纤维对热塑性基体有一定的增强作用。而直径较粗的铜纤维,由于长径比小,对材料没有增强作用;并且这种纤维可能成为复合材料中的应力集中点,

使材料的弯曲强度有较大幅度下降。

图1 金属纤维含量与材料体积电阻率的关系

F ig11 R elati onsh i p betw een resistivity of

compo

sites and vo lum e percent of m etal fibres

图2 不锈钢纤维含量与材料弯曲强度的关系

F ig12 R elati onsh i p betw een

flexural strength and

vo lum e percent of stainless steel fibres

图3 铜纤维含量与材料弯曲强度的关系

F ig13 R elati onsh i p betw een flexural strength

and vo lum e percent of copper fibres

313 加工工艺条件对导电复合材料性能的影响对于直径较粗的铜纤维,由于不容易破碎,只要采

用相对较长的时间混炼均匀即可,加工条件对材料的电学性能和力学性能影响较小。而对于直径细的不锈钢纤维,因为在混炼过程中很容易折断,加工工艺条件(混炼时间、螺杆转速)对材料的性能影响较大。通常提高螺杆转速和延长混炼时间有助于填料分散均匀,但会降低纤维的长径比,使复合材料的导电性下降。表1是在不锈钢纤维含量2vo l %,混炼温度190~200℃,螺杆转速20r m in 时,经不同混炼时间后不锈钢纤维 PP 复合材料的电学性能和力学性能比较。

表1 混炼时间对不锈钢纤维 PP

导电复合材料性能的影响

T able 1 Effects of m ixing ti m e on SSF PP compo sites p roperties

混炼时间

m in

24681010(纯PP )体积电阻率

8 c m 14160181161183713

319×1014弯曲强度

M Pa

3319636157401573418933170

37178冲击强度kJ m 2

511651616142616710188

11184

从表1可

看出,混炼时间太短(2m in )和太长

(10m in )

,材料的体积电阻率都较高;这是因为混炼时

间太短,纤维还没有分散开,纤维束之间不能达到充分接触,影响了导电性;材料的力学性能(弯曲强度和冲击强度)都较低。而混炼时间太长或螺杆转速太快,导

致纤维的长径比下降,使复合材料的导电性变差,弯曲强度降低。但材料的冲击强度随混炼时间增加而升高,可能是随混炼时间增加,纤维被基体浸润更充分所致。 从图4和图5可看出,当混炼时间为2m in 时,纤维长度在2~5mm 之间,大量纤维未能分散开,呈团束状;混炼时间超过8m in 后,尽管纤维在树脂基体中分散较好,但大部分纤维被折断到1mm 以下,使导电性变差,只有当混炼时间在2~6m in 之间时,纤维既有较好的分散,又有较大的长径比,材料的导电性能和力学性能都较好。为了在短时间内使金属纤维达到较好的分散并保持较大的长径比,采用母料法工艺可以达到较佳的效果。

图4 不同混炼时间下不锈钢纤维长度分布图

F ig 14 F ibres length distributi on at vai ous m ixing ti m e

图5 不锈钢纤维填充PP 树脂的显微镜照片 35×

F ig 15 M icropho tograph s of SSF PP compo sites m ixing ti m e :(a )2m in ;(b )4m in ;(c )10m in

4 结论

(1)用直径较粗(30~50Λm )的铜纤维填充ABS

所制得的导电复合材料,体积电阻率产生突降时的临界填充量为9vo l %以上;而用直径较细(8Λm )的不锈钢

(下转第38页)

(3)尽管该导向器上方出现裂纹的叶片数量较少,但也有三片出现了裂纹。这说明,在试验过程中整个导向器的温度偏高。

(4)该合金的使用温度为950℃,根据对与K24成分相近的K405和K417合金所做的过热、过烧试验结果得出,当该类合金的使用温度达到1000~1100℃时,Χ′相便会聚集长大,高于1100℃会出现回溶,高于1200℃晶界会出现初熔现象。由此可判定,该导向器叶片在试验过程中的最高温度达到1050℃左右。

313 热疲劳裂纹的扩展

疲劳裂纹的扩展速率da dN一般采用Paris公式表示,即da dN=C(?K)m,式中C和m为常数,?K 为裂纹尖端的应力强度因子幅值,它是决定da dN的主要力学参量,在热疲劳裂纹扩展中它取决于热应力(Ρ)的变化。前面已提到,Ρ主要取决于?T,随着热裂纹向里扩展,一方面?T值和Ρ值要减小;另一方面,随着热裂纹的产生与扩展,使裂纹区有了收缩和膨胀的余地,约束要变小,热应力(Ρ)得以松弛,?K也要变小,裂纹扩展速率da dN将降低,所以出现热裂纹的零件,如果没有外界机械力的叠加作用,一般不会出现断裂破坏。

4 结论与建议

(1)导向器叶片裂纹的性质属典型的热疲劳断裂失效,不是过烧及其它脆性断裂。

(2)引起导向叶片热疲劳断裂失效的主要原因是试验温度偏高,温度场分布不均、排气边冷却效果不良也是影响叶片开裂的因素。

(3)要控制涡轮导向器的环境温度,使其不超过1000℃(对K24合金而言),并尽可能使其温度场均匀化。

稿件收到日期:199817115

赵爱国,男,1971年5月生,助工,1995年毕业于南昌航空工业学院材料工程系,现在中国航空工业总公司失效分析中心从事失效分析工作。联系地址:北京市81信箱4分箱(邮编100095)

333333333333333333333333333333333

(上接第17页)

纤维填充ABS和H IPS,4vo l%的纤维含量就可以使塑料的体积电阻率从10158 c m突降到1048 c m;当用这种不锈钢纤维填充结晶性的PP时,临界填充量为1vo l%

(2)随金属纤维含量增加,材料脆性增加;铜纤维填充ABS时,复合材料的弯曲强度持续降低;不锈钢纤维填充ABS和PP时,材料的弯曲强度先随金属纤维含量增加然后下降。

(3)加工工艺条件对导电复合材料的性能影响较大,选择合适的混炼时间和螺杆转速,可以获得较好的导电性能和力学性能的导电复合材料。

参考文献

1 W endero th K,et al1Po lym er Compo sites,1989,10(1):522 谭松庭,章明秋,曾汉民1材料工程,1998,5:6~9

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5 Jo seph N1Epel,et al1Engineered M aterial H andbook,Engi2 neering P lastics,1988,2

国家自然科学基金(59725307)和广东省高教厅“千百十”人才培养基金资助项目

稿件收到日期:199816116

谭松庭,男,1961年7月出生。1996年毕业于湘潭大学化学系获得硕士学位,现为中山大学材料所博士研究生,主要从事导电高级复合材料的性能和应用研究。联系地址:广州市中山大学材料科学研究所博士信箱(邮编:510275)。

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导电复合材料

导电复合材料

导电复合材料的制备及应用浅析 摘要:随着电子工业及信息技术等产业的迅速发展,对于具有导电功能的高分子材料的需求越来越迫切。本文详细介绍了导电高分子材料的分类,介绍了导电复合材料的导电填料的种类及性质,总结了复合型导电高分子材料的制备方法和应用情况。 关键词:复合型;导电高分子材料;制备及应用; 1.前言 通常高分子材料的体积电阻率都非常高,约在1010-1020Ω·cm之间,作为电器绝缘材料使用无疑是非常优良的。但是,随着科学技术的进步,特别是电子工业、信息技术的迅速发展,对于具有导电功能的高分子材料需求愈来愈迫切。世界各国无论是学术界还是产业界都在积极地对这一新兴功能材料进行研究与开发。 关于导电高分子的定义,到目前为止国内外尚无统一的标准,一般是将体 积电阻率ρ V 小于1010Ω·cm的高分子材料统称为高分子导电材料。其中将ρ V 在106-1010Ω·cm之间的复合材料称为高分子抗静电材料;将ρ V 在100-106Ω·cm 之间的称为高分子半导电材料;将ρ V 小于100Ω·cm的称为高分子导电材料。 按照结构和制备方法的差异又可将导电高分子材料分为结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。结构型导电高分子材料(或称本征高分子导电材料)是指分子结构本身能导电或经过掺杂处理之后具有导电功能的共扼聚合物,如聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯、聚噬吩、聚吠喃等。复合型导电高分子材料是指以聚合物为基体,通过加入各种导电性填料(如炭黑、金属粉末、金属片、碳纤维等),并采用物理化学方法复合制得的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。目前结构型导电高分子材料由于结构的特殊性与制备及提纯的困难,大多还处于实验室研究阶段,获得实际应用的较少,而且多数为半导体材料。复合型导电高分子材料,因加工成型与一般高分子材料基本相同,制备方便,有较强的实用性,故已较为广泛应用。本论文主要研究了复合型导电高分子材料的制备以及应用。 2.复合型导电高分子材料 2.1复合型导电高分子材料概述 复合型导电高分子材料在工业上的应用始于20世纪60年代。复合型导电高分子材料是采用各种复合技术将导电性物质与树脂复合而成的。按照复合技术分类有:导电表面膜形成法、导电填料分散复合法、导电填料层压复合法三种。 复合型导电高分子材料的分类方法有多种。根据电阻值的不同,可划分为半导电体、除静电体、导电体、高导电体。根据导电填料的不同,可划分为碳系(炭

聚合物基纳米复合材料的近代发展

汽车发动机地技术现状及发展趋势 摘要:自汽车发明以来,为人们地出行运输带来了极大地便利,促进了人类地大发展,一百多年后地今天,相关技术不断创新和走向成熟.但随之而来地问题则是,全球石油能源紧张,空气污染.因此,先进地发动机技术将在汽车节能、环保技术开发中起着关键地决定性地作用. 关键词:汽油直喷技术

聚合物基复合材料

聚合物基复合材料 摘要:聚合物基复合材料以其特有的性能近年来越来越受到人们的青睐。本文简单的介绍了聚合物基复合材料,描述了其作为一种新材料的性能特点,并详细描述了其发展历史及应用。 关键词:聚合物、复合材料、应用、历史 1、聚合物基复合材料 复合材料是指:两个或两个以上独立的物理相,包括粘接材料(基体)和粒料纤维或片状材料所组成的一种固体物。 (1) 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性,但复合材料的性能却不是各组分材料性能的简单加和,而是有着重要的改进。(2)复合材料中通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相,称为增强材料。(3)分散相是以独立的形态分布在整个连续相中,两相之间存在着界面。分散相可以是增强纤维,也可以是颗粒状或弥散的填料。 聚合物基复合材料(PMC)是以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体,连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低,但由于其粘接性能好,能把纤维牢固地粘接起来,同时还能使载荷均匀分布,并传递到纤维上去,并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合,各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求,充分展示各自的优点,并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 实用PMC通常按两种方式分类。一种以基体性质不同分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料;另一种按增强剂类型及在复合材料中分布状态分类。如:玻璃纤维增强热固性塑料(俗称玻璃钢)、短切玻璃纤维增强热塑性塑料、碳纤维增强塑料、芳香族聚酰胺纤维增强塑料、碳化硅纤维增强塑料、矿物纤维增强塑料、石墨纤维增强塑料、木质纤维增强塑料等。这些聚合物基复合材料具有上述共同的特点,同时还有其本身的特殊性能。通常意义上的聚合物基复合材料一般就是指纤维增强塑料。 而聚合物基复合材料一般都具有以下特性: 1. 比强度、比模量大。比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标,比强度越高,同一零件的自重越小;比模量越高,零件的刚性越大。复合材料的比强度和比模量都比较大,例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料,其比强度是钢的

二维导电纳米复合材料的制备及其性能研究

二维导电纳米复合材料的制备及其性能研究新型二维纳米材料(石墨烯和MXenes)具有由尺寸效应带来的优异物化性能,目前已在众多领域展现出广阔应用前景。为有效利用石墨烯和MXenes本身纳米尺度上优异性能以满足相关领域具体使用要求,利用逐渐兴起的组装技术,将微观尺寸的纳米片层组装成具有宏观尺寸的功能结构(如一维纤维、二维薄膜、三维气凝胶)无疑是一种最为有效的方法。通过对二维纳米材料组装体进行合理的结构设计和形貌调控,不仅能够更好地利用纳米材料本身优异的电学、光学和力学等性能,而且还能开发材料新的功能特性并拓展其应用范围,因此,研究二维纳米材料的组装策略并以此制备宏观功能材料对实现二维纳米材料实际应用具有重要意义。 本论文针对MXenes和石墨烯宏观组装体制备和使用时仍存在的难点和性能缺陷,如石墨烯薄膜在作为电磁屏蔽材料时屏蔽机制单一、MXenes材料在潮湿环境中易降解、MXenes二维宏观薄膜导电与力学性能难以兼顾以及MXenes三维宏观组装结构难以形成等问题,通过提出新的结构设计思路和组装策略,设计出轻质磁性多孔石墨烯二维薄膜、高强高导电二维MXene薄膜、低密度疏水二维MXene 泡沫薄膜以及低密度、超弹性MXene三维气凝胶,并系统研究其结构与性能关系。本论文主要内容和创新成果如下:(1)针对目前石墨烯薄膜作为电磁屏蔽材料时屏蔽机制单一且性能提高困难的问题,我们采用高效的肼蒸汽还原诱导发泡工艺制备轻质、导电且具有磁性的石墨烯/羰基铁多孔薄膜并研究其超宽频段电磁屏蔽性能。通过引入适量壳聚糖作为界面粘接剂来增强还原氧化石墨烯纳米片之间的层间相互作用,稳固体系内多孔结构,优化宏观组装材料表观形貌和内部结构;利用导电组分和磁性组分对电磁波损耗的协同效应,将磁性片状羰基铁引入到导

聚合物基纳米复合材料的近代发展

聚合物基纳米无机复合材料的应用与发展 摘要:聚合物基纳米无机复合材料是一种性能优异的新型复合材料,已成为材料科学的新热点。本文概述了聚合物基纳米无机复合材料的发展前景及发展过程中应注意的问题。及相应的解决方法。 关键词:聚合物;纳米;无机物;复合材料 1.纳米复合材料的概念、特性、背景 1.1纳米复合材料的概念 纳米复合材料是指一种或多种组分以纳米量级的微粒,即接近分子水平的微粒复合于基质中构成的一类新型复合材料。因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域,从而给材料的物理和化学性质带来特殊的变化,纳米复合材料正日益受到关注,被誉为“21世纪最有前途的材料”,其研究的种类已涉及无机物、有机物及非晶态材料等。聚合物基纳米无机复合材料因其综合了有机物和无机物的各自优点,且能在力学、热学、光学、电磁学与生物学等方面赋予材料许多优异的性能,正成为材料科学研究的热点之一[1]。 1.2纳米复合材料的特性 当材料粒子尺寸进入纳米量级时,因其自身具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应,以及纳米固体粒子中大量缺陷的存在,使得聚合物基纳米无机复合材料具有与众不同的特点[2]。纳米复合材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能材料之后的第四代材料。 1.3纳米复合材料的背景 纳米复合材料的出现先于概念的形成。早在上世纪年代末, 实际上就已出现了聚合物心纳米复合材料, 只是人们还未认识到其特殊的性能与实际应用意义〕。纳米复合材料是年代初〕提出的, 与单一相组成的纳米结晶材料和纳米相材料不同, 它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级复合而成的复合材料, 这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之, 而且可以是无机、有机或二者都有。纳米相与其它相间通过化学共价键、赘合键与物理氢键等作用在纳米水平上复合, 即相分离尺寸不得超过纳米数量级。因而, 它与具有较大微相尺寸的传统的复合材料在结构和性能上有明显的区别, 近些年已成为聚合物化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域, 受到各国科学家和政府的重视。 2.纳米无机复合材料相关应用与发展 材料性能与组织结构有密切关系。与其他材料相比,纳米复合材料的物相之间有更加明显并呈规律变化的几何排列与空间结构属性,因此聚合物基纳米复合材料具有灵活的结构可设计性及优于一般传统复合材料的特性,在许多领域有着广泛的应用前景。 2.1吸波材料 根据目前吸波材料的发展现状,一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术提出的“薄、宽、轻、强”的综合要求[3 ] ,采用质量轻的有机聚合物作基体,无机吸收剂作客体进行多元复合制备吸波材料就成了必然趋势。另外,具有共轭电子体系结构,通过掺杂而成的导电聚合物(如聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩) 本身就有较好的微波吸收性能,一些聚合物还具有红外活性或红外特征吸收带[4 ,5 ] ,利于红外吸波。聚合物基纳米无机复合材料可以方便地调节复合物的电磁参数,以达到阻抗匹配的要求,且价廉。美国F117 飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子,它们对不同频段的电磁波有强烈的吸收能力[6] 。

聚合物基导电复合材料研究进展_龚文化

聚合物基导电复合材料研究进展 龚文化 曾黎明 (武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070) 摘 要 本文介绍了聚合物基导电复合材料的种类、用途及导电机理。并对碳系填料填充聚合物基导电复合材料及金属系填料填充聚合物基导电复合材料的研究进展进行了综述,最后展望了聚合物基导电复合材料的发展趋势。 关键词 聚合物,导电复合材料,导电机理,炭黑 Progress of polymer matrix conductive composites Gong Wenhua Zeng Lim ing (Institute of M aterial Science and Engineering,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070) Abstract T he classification,applicat ions and conductive mechanism of polymer matr ix conductiv e composites are in -troduced in this paper,and the progr ess of polymer matrix conductive composites filled w ith carbons or metals is rev iewed,A t last,the development tendency of poly mer matrix conduct ive composites is looked ahead. Key words polymer,conductiv e composites,conductive mechanism,carbon black 聚合物基导电复合材料是在基体聚合物中加入另外一种导电聚合物或导电填料,采用物理或化学方法复合后而得到的既具有一定的导电功能,又具有良好的力学性能的多相复合材料,它是导电复合材料的研究重点。随着航空工业及电子信息产业的高速发展,对材料的质量、强度、导电性等综合性能都提出了更高的要求,这就给聚合物基导电复合材料的发展提供了前所未有的机遇。美国对聚合物基导电复合材料的需求量每年以20%~30%的速度 递增,发展潜力十分巨大。在日本,聚合物基导电复合材料也获得了广泛的应用,有关研究课题已被列入通产省于1987年制定的/21世纪产业基础技术研究开发0中12项优先科研项目之一[1]。 聚合物基导电复合材料按高分子基体材料的性质分类,可分为导电性涂料、粘合剂、导电弹性体和导电塑料等。按复合材料的导电性能则可分为半导体复合材料(Q U 107~10108#cm )、防静电复合材料(Q U 104~1078#cm)、导电复合材料(Q U 100~1048 表1 聚合物基导电复合材料的种类及用途 种类 体积电阻率/8#cm 用 途 半导电性复合材料107~1010传真电极板、低电阻带、静电记录纸、感光纸防静电复合材料104 ~107防静电外壳、罩板、电波吸收件、导电轮胎、防爆电缆导电复合材料100~104面状发热体、CV 电缆、导电薄膜 高导电复合材料 10 -3~10 印刷电路、电极板、电磁屏蔽材料、导电涂料、导电胶粘剂 作者简介:龚文化,男,1978年生,复合材料专业研究生。 曾黎明,男,1952年生,教授,博士生导师。 第30卷第4期化工新型材料Vol 130No 142002年4月 N EW CHEM ICAL M AT ERIAL S Apr 12002

碳纳米复合材料

碳纳米管及其复合材料 2007-4-3 14:18:08 【文章字体:大中小]打印收藏关闭 纳米技术是21世纪的前沿科学技术,碳纳米管技术则是该领域中一个强有力的生长点。碳纳米管问世十三年来,日益引起了人们极大的兴趣,其独特的性能正在被认识并加以利用,如何降低成本,大量生产有特定结构的碳纳米管依然是人们的努力方向,含碳纳米管的聚合物复合材料蕴含着巨大的发展潜力。 高聚物/碳纳米管复合材料 碳纳米管于1991年由s.iijima 发现,其直径比碳纤维小数千倍,其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。 碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。虽然他们乍看起来非常相似,但其制作方法和性能不尽相同。纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质。大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型,三分之一属金属型。至于多壁纳米管,由于各层壳的性能的叠加,难以做出明显区别,但大体上是金属型。单壁型碳纳米管外径一般为1到2nm多壁型纳米管直 径则在8到12nm之间,它的典型长度一般为10微米,最长可达100微米, 长径比至少可达1000: 1。 美国国内纳米管的生产商有Hyperion Catalysis (产品是多壁纤维纳米管)和新登陆的Zyvex Corp (产品有单壁和多壁纳米管)。这两家厂商提供的母料中都含有15%到20%的纳米管。 碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为 1.8TPa。碳纳米管的拉伸强度实验值约为200GPa是钢的100倍,碳纤维的20倍。碳纳米管弯曲强度为14.2GPa,尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高,但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1^变形时就会断裂,而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa比传 统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。 在电性能方面,碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加 入的碳黑相比,碳纳米管有高的长径比,因此,其体积含量可比球状碳黑减少很多。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000;同时,由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好,它们填入聚合物基体时不会断裂,因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林trinity 学院进行的研究表明,在塑料中含2%-3%勺多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级,从10-12s/m提高到了102s/m。

导电高分子复合材料的导电网络构筑与性能

导电高分子复合材料的导电网络构筑与性能 【论文学科】高分子材料论文 【论文级别】硕士论文,硕士毕业论文,硕士研究生论文 【中文关键词】导电网络论文; 界面张力论文; 自组装论文; 双渗流论文; 桥接作用论文; 渗流阈值论文; 阻温特性论文 【中文题名】导电高分子复合材料的导电网络构筑与性能 【英文题名】Design of the Conductive Network in Conductive Polymer Composites and Its Effect on Electrical Properties 【所属分类】工程科技I,材料科学,复合材料 【英文关键词】Electrical conductive network; Interfacial tension; Self-assemble; Double percolation; Bridging effect; Percolation threshold; Resistivity-temperature character 【中文摘要】降低材料的导电填料含量、提高导电性同时改善材料的电性能稳定性是目前高分子基导电复合材料研究的重要方向。对导电复合材料来说,体系的电性能最终是由其所形成的导电网络所控制。因此,设计有效的导电网络是改善材料电性能的根本途径之一。本文以导电网络的设计与构筑为中心,研究了导电复合材料中导电网络的形成及其对材料电性能的影响。本文首先通过界面张力的选择设计,将热力学诱导的聚合物相自组装和填料选择性分布两者相结合,籍此来构筑填料选择性分布在聚合物相界面的 导电网络。发现在CB或MCNT填充PMMA/EAA/PP体系中,由界面张力所控制,能够实现以PMMA、PP为双连续相,聚合物EAA相分布于PMMA╱PP相界面的“三明治”状三连续相结构。同时,导电填料优先分布在EAA 相中。两者相结合,体系可以形成CB或MCNT选择性分布于PMMA/PP相界面的自组装导电网络。这种特殊的导电网络结构的形成,降低了体系的渗流(来源:ABC论文9c网https://www.360docs.net/doc/9d15582921.html,)阈值,提高了室温电导率。其次,本文以两种不同形态的导电填料同时填充双组分聚合物体系,考察了导电网络的形成及其对材料室温电阻率和阻温特性的影响。结果表明,由于双渗流导电网络的存在及聚合物导电相区——碳纤维的相互桥接作用,体系的体积电导率得到了提高,NTC效应被抑制,电阻热循环稳定性也更好。(来 源:ABCb636论文网https://www.360docs.net/doc/9d15582921.html,) 【英文摘要】 One of the major research challenges in the development of conducting polymer composite materials is reducing the filler content as much as possible while improving the electrical conductivity and the stability of electrical properties. In this field, the design of the electrical conductive network plays a key role. This dissertation focuses on the design of the electrical conductive network and studying on its influence of the electrical properties of composite.First, a new approach for the selective localization of filler at the interface of polymers phase was reported. This approach relies upon two aspects: the thermodynamically induced phase self-assembly in ternary polymer blends and the thermodynamically induced selective localization of filler in polymer phase. In CB or MCNT filled PMMA/EAA /PP composites, PP and PMMA form two continuous networks, while EAA incorporated with filler forms a continuous sheath structure at the interface of PP/PMMA. Thus, the conductive filler selectively locates

聚合物纳米复合材料

聚合物纳米复合材料的研究进展 摘要 关键字 Abstract 1.引言 纳米材料是指材料的显微组织中至少有一相的一维尺寸在1-100nm以内的材料。由于平均粒径小,表面原子多,比表面积大,表面能高,因而呈现出独特的小尺寸效应、表面效应、量子隧道等特性,具有许多材料所没有的性能。介于其超凡特性,纳米材料越来越得到广泛的关注。不少学者认为纳米材料将是21世纪最有前途的材料之一,尤其是聚合物纳米材料。本文就聚合物纳米复合材料的分类、制备、改性、应用及问题和未来展望展开叙述。 2.聚合物纳米复合材料定义与分类 2.1定义 聚合物纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料,纳米单元可以是金属、无机物和高分子等。 2.2分类 根据组分不同,可分为: a)聚合物/聚合物纳米复合材料:由两种或两种以上的聚合物混在一起而其中有一纳米尺寸的聚合物分散于其它聚合物单体所构成的 复合材料。如第三代环氧树脂粘接剂,它是将预聚合的球状交联 橡胶粒子分散于环氧树脂中固化而成的。 b)聚合物/层状纳米无机物复合材料:是将层状的无机物以纳米尺度分散于聚合物中而形成的。通常采用插层法制备。目前用的最多 的是蒙脱土,蒙脱土是以片状晶体而构成的。 c)聚合物/无机纳米复合粒子复合材料:是将纳米级无机粒子填充到聚合物当中去的。由于小尺寸效应使材料具有光、电、声、磁等 功能,赋予材料良好的综合性能。 3.聚合物纳米复合材料制备 3.1插层复合法 插层复合法是目前制备聚合物纳米复合材料的主要方法。根据复合过程,插层复合法可分为两类,1)插层聚合法:原理是将聚合物单体分散,插层进入层状硅酸盐片层中,然后再原位聚合,利用聚合时放出的大量的热量克服硅酸盐片层间的库仑力,使其剥离,从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合;2)熔体插层法:原理是将插层无机物与高聚物插入层状无机的层间,该方法优

纳米复合材料文

纳米复合材料文专业:电气工程与自动化 班级:13级2班 姓名:许超 学号:1316301193

纳米材料综述: 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料,它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构,后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。 1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter 在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形,烧结得到纳米微晶块体,从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说,它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中,界面原子占极大比例,而且原子排列互不相同,界面周围的晶格结构互不相关,从而构原子排列互不相同,界面周围的晶格结构互不相关,从而构. 在纳米材料中,纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级,高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料和其他固体材料都是由同样的原子组成,只不过这些原

子排列成了纳米级的原子团,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到l00nm,包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子,几乎是英文里一个句点的百万分之一,这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。 纳米复合材料综述: 纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相,以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相,通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中,形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系,这一体系材料称之为纳米复合材料。 纳米复合材料优点 纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料,由于纳米分散相大的比表面和强的界面作用,纳 米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的综合性能。 纳米颗粒由于其尺寸小,比表面积非常大而表现出与常规微米级材料截然不同的性质。在与聚合物复合时,纳米颗粒的表面效应,小尺寸效应,量子效应以及协同效应,将使复合材料的综合性能有极大的提高。这种复合材料既有高分子材料本身的优点,又兼备了纳米粒子的特异属性,因而使其具有 众多的功能特性,在力学,催化,功能材料(光,电,磁,敏感) 等领域内得到应用。例如,插层法制得的聚丙烯/蒙脱土等纳

聚合物纳米复合材料发展现状

聚合物纳米复合材料发展现状 一、聚合物纳米复合材料的发展现状 1.1 聚合物纳米复合材料的市场应用状况 聚合物纳米复合材料还处于发展阶段,但根据预测,纳米复合材料将会迅速发展,成为近10年来对塑料工业影响最大的技术。聚合物通过熔融复合或者原位聚合技术利用2%~5%的纳米填料进行增强改性,即可大幅度改善其热学-力学性能、气体阻隔性能和阻燃性能,而且可以获得比常规填料增强的聚合物材料高得多的耐热性能、尺寸稳定性能和导电性能。 聚合物纳米复合材料已经在汽车和包装领域获得应用[1]。通用汽车公司最新推出的“悍马(hummer)12”越野车的车身使用了重达3 kg的纳米复合材料作为饰件、中心桥、嵌板和盒路保护。尽管目前经济效益不佳,发展速度低于预期。但是根据在美国旧金山召开的nanocomposites 2004、在美国芝加哥召开的spe antec 2004和在比利时布鲁塞尔召开的nanocomposites 2004三大纳米复合材料技术会议总结的信息,全球对聚合物纳米复合材料的研究和开拓市场的热情极为高涨,这将推动聚合物纳米复合材料的快速发展。 1.2 聚合物/纳米粘土复合材料 市场预测和研究公司[2] business communications的调查报告统计2003年全球聚合物纳米复合材料市场为2450万磅,价值9080万美元,并且预测到2008年将以年均18%的速度增长,增至21110万美元。即使聚合物纳米复合材料市场发展遇到一些障碍,但business communications预测其部分应用将以20%/年的速度增长。 研究与开发和商业化生产中主要的纳米填料是层状硅酸盐纳米粘土和纳米云母,其次是碳纳米管和片状石墨。其他一些纳米填料也在积极研究之中,例如合成粘土、多面体低聚半氧硅烷(poss)和天然纳米填料(亚麻纤维和大麻纤维)。 研究最广泛的、首先商业化应用的纳米填料是纳米粘土和碳纳米管。为了获得较好的分散状态和最终产品的综合性能,纳米填料都必须经过表面改性剂进行化学改性。纳米粘土和碳纳米管均能改善聚合物材料的结构性能、热学性能、气体阻隔性能和阻燃性能。碳纳米管还能增强导电性能。 迄今为止,纳米粘土由于其价格低廉(2.23~5.25美元/磅)而获得最为广泛的应用,一般用于通用树脂(如聚丙烯、热塑性弹性体、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯和尼龙)改性。目前,纳米粘土主要是纳米蒙脱土。纳米蒙脱土是一种层状硅铝酸盐,单片直径为1微米,比表面积为1000 :1。生产纳米蒙脱土的两大厂商为:nanocor公司,建有nanomer生产线;southern clay products公司,建有cloisite生产线。这两家公司都与树脂供应商、表面活性剂生产商以及树脂加工商、汽车制造商和包装材料生产商建立了联盟。相关企业进行的研究都申请了专利,并获得了商业成功。 gerneral motors公司已经在应用聚合物纳米复合材料方面领先一步。gerneral motors公司首次采用纳米复合材料是用于生产2002年款的“通用游猎(gmc safari)”和“雪佛兰星旅(chevrolet astro)”的辅助台阶,使用纳米复合材料制备的辅助台阶比目前汽车使用的塑料材料轻20%,而且更耐用,也更有利。2004年1月,该公司推出的“雪佛兰英帕拉(chevrolet impala)”的车身使用纳米复合材料制备,质量减轻了7%。该车型使用的纳米热塑性弹性体材料是由gerneral motors公司与basell north america和southern clay products合作生产的。目前,gerneral motors公司每年使用660 000磅的纳米复合材料,这是世界上使用聚烯烃基纳米复合材料最大的应用。 1.3 聚合物/碳纳米管复合材料 纳米粘土可以增强聚合物,碳纳米管则赋予聚合物以导电和导热性能。碳纳米管的商业

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