碳纤维_树脂基复合材料导电性能研究
碳纤维环氧树脂复合材料的制备及性能研究
碳纤维环氧树脂复合材料的制备及性能研究摘要碳纤维环氧树脂复合材料具有轻质、高强度和优异的力学性能，被广泛应用于航空航天、汽车和能源等领域。
本文旨在研究碳纤维环氧树脂复合材料的制备方法以及其性能研究。
首先介绍了碳纤维和环氧树脂的基本概念，然后阐述了碳纤维环氧树脂复合材料的制备工艺，包括预浸料制备、成型工艺和固化过程。
接着，对碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能、热性能和耐腐蚀性进行了研究，分析了其影响因素和优缺点。
最后，对碳纤维环氧树脂复合材料的未来发展进行了展望。
1. 碳纤维和环氧树脂的基本概念1.1 碳纤维碳纤维是由碳元素为主要成分的纤维材料，具有轻质、高强度和高模量的特点。
其制备过程包括原料选择、纤维拉伸、炭化和后处理等步骤。
1.2 环氧树脂环氧树脂是一种具有交联结构的聚合物材料，具有优异的机械性能和化学稳定性。
其制备过程包括单体合成、聚合和固化等步骤。
2. 碳纤维环氧树脂复合材料的制备工艺2.1 预浸料制备预浸料是碳纤维环氧树脂复合材料制备的关键步骤之一。
其制备过程包括树脂调制、纤维浸润和固化等步骤。
2.2 成型工艺成型工艺是碳纤维环氧树脂复合材料制备的关键步骤之一。
常见的成型工艺包括手工层叠、自动化层叠和压缩成型等方法。
2.3 固化过程固化过程是碳纤维环氧树脂复合材料制备的关键步骤之一。
常见的固化方法包括热固化和光固化等。
3. 碳纤维环氧树脂复合材料的性能研究3.1 力学性能碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能受到纤维取向、纤维体积分数和树脂固化度等因素的影响。
常见的力学性能包括强度、弹性模量和断裂韧性等。
3.2 热性能碳纤维环氧树脂复合材料具有良好的耐高温性能和导热性能。
其热性能受到树脂体系、纤维体积分数和纤维取向等因素的影响。
3.3 耐腐蚀性碳纤维环氧树脂复合材料的耐腐蚀性能受到介质环境、表面涂层和纤维保护等因素的影响。
常见的腐蚀介质包括酸、碱和溶剂等。
4. 碳纤维环氧树脂复合材料的发展趋势碳纤维环氧树脂复合材料在航空航天、汽车、能源和体育器材等领域有着广阔的应用前景。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究
碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及力学性能研究摘要：碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有出色的力学性能和优异的耐腐蚀性能，因此在许多领域广泛应用。
本研究使用真空浸渍工艺制备了碳纤维增强环氧树脂基复合材料，并对其力学性能进行了详细研究。
结果表明，制备过程中的浸渍时间、浸渍压力和固化温度对复合材料的力学性能有显著影响。
1. 引言碳纤维增强环氧树脂基复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
其具有轻质、高强度、高模量、优异的耐腐蚀性能等特点，因此在替代传统金属材料方面具有巨大潜力。
本研究旨在通过真空浸渍工艺制备碳纤维增强环氧树脂基复合材料，并对其力学性能进行评估和分析。
2. 实验方法2.1 材料准备碳纤维和环氧树脂材料被选作本实验的主要原料。
碳纤维具有优良的力学性能和导电性能，是制备复合材料的理想选择。
环氧树脂具有良好的粘接性能和化学稳定性，可以作为基体材料。
同时，活性固化剂和助剂用于提高复合材料的性能。
2.2 制备过程（1）将环氧树脂均匀涂布在碳纤维上；（2）将涂布好的碳纤维经过真空排气处理；（3）将预处理好的碳纤维进行真空浸渍；（4）浸渍后的碳纤维进行固化过程。
2.3 力学性能测试采用传统的拉伸试验和冲击试验评估复合材料的力学性能。
拉伸试验用于评估复合材料的拉伸强度、弹性模量和断裂应变，冲击试验用于评估复合材料的冲击强度。
3. 结果与讨论3.1 浸渍时间通过改变浸渍时间，研究了浸渍时间对复合材料力学性能的影响。
结果表明，随着浸渍时间的增加，复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增加趋势，但当浸渍时间过长时，力学性能开始下降。
这是由于过长的浸渍时间导致材料内部产生孔隙和缺陷。
3.2 浸渍压力通过改变浸渍压力，研究了浸渍压力对复合材料力学性能的影响。
结果显示，随着浸渍压力的增加，复合材料的强度和韧性都得到了提高。
这是由于高压可以更好地填充碳纤维与环氧树脂之间的空隙，提高界面的粘合强度。
光固化碳纤维增强树脂基复合材料的研究
光固化碳纤维增强树脂基复合材料的研究光固化碳纤维增强树脂基复合材料是一种新型的高性能材料，具有优异的力学性能和化学稳定性，因此在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛的应用。
本文将从材料的制备、性能及应用等方面进行探讨。
一、材料的制备光固化碳纤维增强树脂基复合材料的制备主要包括预浸料制备、层压成型和光固化三个步骤。
预浸料制备是将碳纤维与树脂预浸料混合均匀，使其充分浸润碳纤维，形成预浸料。
层压成型是将预浸料按照一定的层次和方向堆叠在一起，然后经过高温高压处理，使其形成固态复合材料。
最后，通过光固化技术，将复合材料暴露在紫外线下，使其树脂基固化，形成最终的光固化碳纤维增强树脂基复合材料。
二、材料的性能光固化碳纤维增强树脂基复合材料具有以下优异的性能：1. 高强度：碳纤维具有高强度和高模量，能够有效地增强复合材料的强度和刚度。
2. 轻质：碳纤维比重轻，能够有效地降低复合材料的重量。
3. 耐腐蚀性：树脂基具有良好的耐腐蚀性，能够在恶劣的环境下长期使用。
4. 耐热性：碳纤维具有良好的耐高温性能，能够在高温环境下长期使用。
5. 良好的成型性：复合材料具有良好的成型性能，能够制成各种形状的零件。
三、材料的应用光固化碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，光固化碳纤维增强树脂基复合材料被广泛应用于飞机机身、翼面、尾翼等部件，能够有效地降低飞机的重量，提高飞行性能。
在汽车领域，光固化碳纤维增强树脂基复合材料被应用于车身、底盘等部件，能够有效地降低汽车的重量，提高燃油经济性。
在建筑领域，光固化碳纤维增强树脂基复合材料被应用于建筑结构、桥梁等部件，能够有效地提高结构的强度和耐久性。
总之，光固化碳纤维增强树脂基复合材料是一种具有广泛应用前景的高性能材料，随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，其应用前景将会更加广阔。
轻质材料的导电性能研究
轻质材料的导电性能研究在现代材料科学领域中，轻质材料因其独特的性能而备受关注。
其中，轻质材料的导电性能更是研究的热点之一。
轻质材料通常具有较低的密度，在航空航天、汽车制造、电子设备等众多领域有着广泛的应用前景。
然而，其导电性能的特点和影响因素较为复杂，需要我们进行深入的研究和探讨。
轻质材料的种类繁多，常见的包括碳纤维复合材料、泡沫金属、石墨烯等。
这些材料在结构和成分上存在显著差异，导致它们的导电性能也各有不同。
碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的轻质高强材料。
碳纤维本身具有良好的导电性，但其在复合材料中的分布和取向会对整体导电性能产生重要影响。
如果碳纤维能够形成连续的导电网络，那么复合材料的导电性能将显著提高。
然而，在实际制备过程中，由于工艺条件的限制，碳纤维往往难以达到理想的分布状态，从而限制了材料的导电性能。
泡沫金属则是另一类轻质材料，其内部具有大量的孔隙结构。
这些孔隙的存在一方面降低了材料的密度，另一方面也对导电性能产生了影响。
孔隙的大小、形状和分布都会改变电流的传导路径，从而影响导电性能。
一般来说，孔隙率越低，泡沫金属的导电性能越好。
但过低的孔隙率又会违背轻质的要求，因此需要在轻质和导电性能之间找到一个平衡。
石墨烯作为一种新型的二维材料，具有优异的导电性能。
单层石墨烯的电导率极高，但其在实际应用中往往需要与其他材料复合使用。
在复合过程中，石墨烯的分散性、与基体的界面结合等因素都会对最终的导电性能产生影响。
如果石墨烯能够均匀分散在基体中，并与基体形成良好的界面结合，那么将极大地提高复合材料的导电性能。
除了材料本身的结构和成分外，外部环境因素也会对轻质材料的导电性能产生影响。
温度就是一个重要的因素。
一般来说，随着温度的升高，材料的电阻会增大，导电性能会下降。
这是因为温度升高会导致原子的热振动加剧，从而增加了电子散射的几率，阻碍了电流的传导。
湿度也会对轻质材料的导电性能产生一定的影响。
碳纤维复合材料力学性能研究进展
包 装 工 程第44卷 第21期 ·36·PACKAGING ENGINEERING 2023年11月收稿日期：2023-05-30基金项目：国家自然科学基金（12172344） *通信作者碳纤维复合材料力学性能研究进展段裕熙，张凯*，徐伟芳，陈军红，龚芹（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）摘要：目的 综述碳纤维复合材料这一热结构材料的力学性能研究进展，推进碳纤维复合材料的研制和应用。
方法 采用文献调研法，梳理和汇总国内外有关碳纤维复合材料力学性能的研究内容，对二维复合材料、针刺复合材料及三维编织复合材料3种结构进行性能影响因素分析。
结论 影响碳纤维复合材料静态和动态力学性能的因素主要有温度、应变率、密度等，提出应进一步开展碳纤维复合材料在多因素耦合及高温动态性能方面的研究。
关键词：碳纤维复合材料；静态力学性能；动态力学性能；三维编织复合材料 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)21-0036-10 DOI ：10.19554/ki.1001-3563.2023.21.005Mechanical Property of Carbon Fiber CompositesDUAN Yu-xi , ZHANG Kai *, XU Wei-fang , CHEN Jun-hong , GONG Qin(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621999, China) ABSTRACT: The work aims to explore recent advancements in the mechanical properties of carbon fiber composites for thermal structural applications, with the objective of promoting the development and utilization of carbon fiber composites. Through a comprehensive literature review, the current research status on the mechanical properties of carbon fiber composites was summarized, and the factors affecting the static and dynamic mechanical properties of 2D composites, needled composites, and 3D woven composites were analyzed. The results indicate that factors affecting the static and dynamic mechanical properties of carbon fiber composites include temperature, strain rate, density, et al. And further investigations are necessary in multi-factor coupling and high temperature dynamic properties of carbon fiber composites. KEY WORDS: carbon fiber composite; static mechanical properties; dynamic mechanical properties; three-dimensional weaving composite碳纤维由有机纤维经过一系列热处理转化而成，它是含碳量高于90%的无机高性能纤维，既具有碳材料的固有本征，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。
连续碳纤维带树脂基复合材料的传感性能实验研究
ａｓ ｌ
树 脂 含 量ｌ 长 × 宽 ×厚
松 比 型 后 Ｃ 问 成 Ｄ
液和薄衬 底材料 经过 相关 工艺制作 而 成 。由该 复合 材 料 制作 的传感 器件 不 会 出 现应 力 突 变现 象 ， 常 温 下 在 受 环境湿 度影 响小 ， 耐久 性 好 ， 传感 精 度 高 ， 响应 速 度
上 ， 其 频 率 响 应 、 性 度 、 复 性 、 滞 性 和 灵 敏 度 特 对 线 重 迟
树脂 、 固化 剂和 丙 酮按 一 定 比率 混 合 ） 使 树 脂 预 浸 到 ， 连续 纤 维 和薄 衬底 材 料 中 ， 常 温下 ２ ｈ后树 脂 基本 待 ４
凝固， 然后裁 掉 多余 的衬底材料 ， 过 １ ｈ将 经过 树脂 再 ２ 浸透 固连在 衬底 材料上 的连续 纤维 薄带 在 圆筒上 反 复 拉 ６次 （ 图 １ 示 ） 再 次 拉 直后 涂上 一 层 薄薄 的树 如 所 ， 脂溶 液 即制得 具有 传 感 特性 的碳 带 复合 材 料 传感 器 ， 如 图 ２所示 。碳 带复合 材料 主要性 能如表 １ 所示 。
种新型 的 、 环境 因 素影 响小 、 定性 好 、 敏度 高 的 受 稳 灵
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图 ２ 碳 带传感 器 示意 图
Ｆｉ ａ ｒ ｍ ｆｃ ｒ ｎ ｆｂ ｒｒｂｂ ｅ ｓ ｒ ｇ ２ Ｄｉ ｇ ａ ｏ ａ ｂｏ ｉ ｅ ｉ ｏｎ ｓ ｎ ｏ
了碳 带传 感材料 的频 率 响应 及 线 性 、 稳定 性 、 滞 性 、 迟 重 复性 、 敏度等 静态 特性＿ ｊ 灵 ｌ。 ０
碳纤维复合材料的制备和性能研究
碳纤维复合材料的制备和性能研究复合材料作为一种新型材料，由于其具有结构轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，在航空、航天、汽车、船舶等众多领域得到广泛应用。
碳纤维复合材料是其中一种材料，由于其高强度、低密度、高刚度和优良的热稳定性等特点，已经广泛应用于各种高端产品，如飞机、汽车、大型模具、船舶制造等领域。
本文主要介绍碳纤维复合材料的制备和性能研究方面的进展和成果，对于进一步研究这种材料的应用前景和发展具有参考价值。
一、碳纤维复合材料的制备碳纤维复合材料的制备是一个复杂的过程，需要对材料的性质进行深入的了解，并结合实际生产情况进行设计和试验。
一般来说，碳纤维复合材料的制备分为以下几个步骤：1、预制备碳纤维碳纤维是制备碳纤维复合材料的关键组成部分，其质量对复合材料的性能起到至关重要的作用。
碳纤维的质量受到多种因素的影响，如选择的原料、生产工艺、热处理方式等。
通常采用纤维束成型、碳化及氧化等工艺制备碳纤维，确保碳纤维的品质。
2、浸渍树脂将预制的碳纤维放入树脂中，使其充分浸泡。
树脂中的成分可以根据需要调整，以达到预期的力学性能。
3、热固化热固化是碳纤维复合材料制备的关键步骤之一。
材料通过温度和时间的控制，让树脂变成固体，并在碳纤维表面形成一层牢固的化学键连接。
通过这一步工艺，可以提高碳纤维复合材料的强度和刚度。
4、精加工精加工是制备碳纤维复合材料的最后步骤。
通过对材料进行切割、抛光、打磨、胶接等方式，可以获得一定形状、尺寸和光泽度的制品。
精加工过程中需要注意不要损伤材料的表面和内部结构，保证材料性能的完好。
以上是碳纤维复合材料制备的主要步骤，整个制备过程需要物理学、化学、材料学等多学科的知识和技术的支持，且需要结合多种因素综合评估生产效果。
二、碳纤维复合材料的性能研究碳纤维复合材料具有优良的力学性能、热性能和热膨胀性等特点，但其性能亦受制备过程中的各种因素影响。
为了更好地应用这种材料，需要对其性能进行全面研究和分析。
碳纤维复合材料论文
碳纤维复合材料论文导言碳纤维复合材料（CFRP）是一种由碳纤维和树脂基体组成的高性能材料。
随着科技的进步，CFRP在航空航天、汽车工业、体育用品等领域中得到了广泛的应用。
本论文将就CFRP的制备方法、性能特点以及应用前景进行详细探讨。
1. CFRP的制备方法CFRP的制备方法通常包括纺丝、预浸料、固化和成型四个步骤。
1.1 碳纤维纺丝碳纤维是由多个碳纤维丝束组成的。
纺丝过程中，先将碳纤维丝束在高温下拉伸，然后进行表面处理，以增加纤维与树脂的粘合性能。
1.2 预浸料制备预浸料是将纺丝得到的碳纤维与树脂基体进行浸渍得到的材料。
树脂基体一般采用环氧树脂。
预浸料制备过程中需要控制纤维的含量、纤维间的排列方式以及树脂的渗透性。
1.3 固化固化是指通过加热或加压将树脂基体中的单体或低分子量聚合物转变为高分子量聚合物的过程。
固化可以提高CFRP的强度和刚度。
1.4 成型成型是将固化后的预浸料经过特定形状的模具加热或加压成型，得到最终的CFRP产品。
2. CFRP的性能特点CFRP具有许多优良的性能特点，使其成为许多领域的首选材料。
2.1 高强度和高刚度相比于传统的金属材料，CFRP具有更高的强度和刚度。
其拉伸强度可以达到2000 MPa，弹性模量可以达到150 GPa以上。
2.2 轻质CFRP的密度大约为1.6 g/cm³，相比于钢材（7.8 g/cm³）和铝材（2.7g/cm³），CFRP具有更轻的重量优势。
2.3 抗腐蚀性由于CFRP的主要组成部分是碳纤维和树脂基体，它具有优良的抗腐蚀性能，不易受潮湿环境、化学物质和气候变化的影响。
2.4 热稳定性CFRP具有较高的热稳定性，可以在高温环境下长期使用而不发生形变或脆化。
2.5 高耐疲劳性由于CFRP的高强度和高刚度，它具有出色的耐疲劳性能，适用于长期受到重复加载的应用场景。
3. CFRP的应用前景随着CFRP技术的不断发展，其在各个领域的应用前景十分广阔。
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第27卷 第5期2005年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.27 No.5 M ay 2005碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究于 杰,王继辉,王 钧(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)摘 要: 研究了短切碳纤维/乙烯基酯树脂导电性与短切碳纤维含量、长径比、纤维取向的关系及其PT C 效应。
短切碳纤维长径比越大、取向角越小,材料的渗虑阈值越低,导电性越好。
渗虑阈值之后,纤维含量越低,PT C 效应越明显,转变温度越低;实验还发现体积膨胀是导致PT C 效应的主要因素之一,通过分析PT C 效应与体积膨胀之间的关系,得出渗滤区域材料的导电性受导电通路与隧道效应的综合影响,当纤维含量较高时,导电性能基本只受导电通路的控制。
关键词: 短切碳纤维/乙烯基酯树脂; 导电性; 长径比; PT C中图分类号: T B 332文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2005)05-0024-03Study on Electric Properties of Carbon Fiber/Polymer CompositesY U J ie,WAN G J i -hui,WAN G Jun(Schoo l of M aterials Science and Engineering,Wuhan U niversity of T echnolo gy,Wuhan 430070,China)Abstract: T he electr ical co nduct ivity and P T C effect of chopped -carbon fiber filled viny-l ester resin composites were studied.Filler aspect r at io and filler orientation were found to evidently affect t he composites conductiv ity.It w as also proved that the volume ex pansion was a main factor.It has r esulted in the composites .PT C behavior ,w hich is mor e sensitive and evident when the filler fraction is w ithin t he percolation r eg ion.It also advanced the conductive mechanism based on the analysis of the rela -tion between volume expansion and PT C behav ior.Key words: chopped -carbon fiber/viny-l ester r esin; electrical conductivity ; aspect ratio; P T C收稿日期:2005-01-30.基金项目:军工863项目(2003AA 305920).作者简介:于 杰(1980-),男,硕士生.E -mail:yujiejack@ 复合型导电高分子材料可以在较大范围内根据需要调节材料的电学、力学性能及其它性能,而且成本较低、易于成型并进行大规模生产,是当前研究开发的重点。
其中,碳纤维作为一种纤维状导电填料,填充树脂、橡胶、橡塑共混物等复合型导电高分子材料的研究也经常见诸报道[1,2]。
虽然针对碳系填料填充的热塑性树脂复合材料的研究十分广泛,但关于以热固性树脂为基体的导电复合材料的研究却少有报道。
以短切碳纤维/乙烯基酯树脂为研究对象,研究了碳纤维含量、长径比及纤维的取向对复合材料导电性能的影响,并对其PT C 效应进行了研究,力图探索短切碳纤维填充热固性树脂基复合材料的导电机理。
1 实 验1.1 试样制备碳纤维:PAN 基纤维,型号HTA -12K,由OH O TAYON 公司生产;树脂:3201#乙烯基酯树脂,上海新华树脂厂生产;固化剂:过氧化苯甲酰,促进剂:环烷酸钴,均由武汉理工大学树脂厂生产。
将各长径比(1mm 、3mm 、5mm)的碳纤维按不同的含量(0.5%~10%)与树脂、固化剂及促进剂混合搅拌均匀,浇注到钢模中,140e 下固化20m in,自然冷却,脱模后加工成50m m @20mm @4mm 的片材。
1.2 试样性能测试研究和借鉴Wang Guoquan [3]的势差法以测量复合材料的导电率。
这是一种四电极法,类似于ISO3915和ISO1853的测试方法。
Wang 的实验证明,阻值在103~1048以下时,该法能很好地降低接触电阻,保证测量的准确性。
阻值高于1048时改用铜片作为电极用数字万用表及高阻表进行测量。
在阻-温关系测试中,将试样及一个热敏电偶放入马丁耐热箱中,并与KEITHEY2700数据采集/程控开关/数字多用表连接,多用表用来采集试样周围温度值以及试样电阻随温度变化的数据;升温速率5e /m in 。
用X 射线衍射法和示差扫描量热法测试复合材料基体的结晶特性;试样体积膨胀率随温度的变化由体积膨胀仪进行测试。
2 结果与讨论2.1 碳纤维含量与电阻率的关系图1是1mm 碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料的电阻率随碳纤维含量变化曲线。
由图1可以看出,碳纤维含量为0.5%~1.0%时,材料电阻率在1088#mm 左右,属于绝缘体;在碳纤维含量从1%增加到4%左右时,电阻率由1088#mm 左右迅速下降到1028#mm 左右,接近碳纤维的电阻率,出现/渗滤0现象;当纤维含量大于4%时,试样体积电阻率与碳纤维的含量基本呈线性变化。
/渗滤0现象反映出在突变点附近导电填料开始在树脂基体中形成导电通路网络,此时,材料的导电性能由导电通路与隧道效应二者综合作用决定,随碳纤维含量呈非线性变化;/渗滤阈值0之后,碳纤维在体系中形成了稳定的导电通路网络,材料电阻率主要受碳纤维含量的影响,随纤维含量基本呈线性变化。
2.2 碳纤维长径比对电阻率的影响碳纤维的长径比对复合材料导电性能影响显著[4]。
由图2可以看出相同含量、不同长度的碳纤维填充的复合材料电阻率是不同的。
1m m 和3mm 的试样渗滤阈值在1%左右,而5mm 试样的电阻率在含量低于1%时就已经呈现突变。
这是由于长径比越大,越有利于导电通路的形成,从而降低了导电复合材料的渗滤阈值。
纤维含量较高时,长径比对导电性的影响较小,不同长径比相同含量的复合材料导电性相差不大。
2.3 纤维取向对导电性的影响碳纤维具有明显的长径比,纤维取向将导致短切碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料的各向异性,因此也会对材料的导电性产生影响。
将同一试样表1 材料纵横向电阻率对比结果w (纤维)/% 1.5246810横向电阻率/(8#mm)5123.011414.21113.3097.8875.2023.01纵向电阻率/(8#mm)8805.474086.46327.43119.3385.1930.02纵横向的电阻率进行比较,结果如表1所示。
纤维取向角越小(在光学显微镜下观察到的纤维取向角小的方向定为横向),纤维在导电性测量方向相互接触的可能性增大,则越有利于复合材料内部二维导电网络的形成。
与纤维长径比对材料导电性能的影响相似,取向的影响在高浓度时并不明显,在含量达到6%时,复合材料的导电性基本不受取向的影响。
2.4 复合材料PTC 效应的研究导电高分子复合材料电阻随温度变化的非欧姆性或非线性关系,可用于电信工程、自控温加热器、电流限流器、电流过载保护等。
同时,对电阻-温度效应的研究也有助于对导电机理的认识。
罗延龄[5]等将电阻率-导电填料含量关系曲线分为3个区域:高电阻区、渗滤区和高导电区;并认为在渗滤区域,材料表现出热敏、压敏和工艺不稳定等独特性能,而在高导电区域,填料含量趋于饱和,导电性能稳定,对温度等影响不敏感。
从图3可以看到,碳纤维含量为2%时,电阻值在95e 之前变化不大,而在95e 附近电阻值出现突变,增大4个数量级;碳纤维含量为4%时,从40~175e 电阻值变化不大,至175e 时,电阻值发生突变,增大近5个数量级;当纤维含量达到10%时,电阻值随温度变化已经不太明显,除了在95e 和170e 附近有少许增大,几乎呈一条直线。
从图1可以看到含量为2%时仍处于阻值变化较大的临25第27卷 第5期 于 杰,等:碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究界区域,4%时则处在临界区域的末端,而含量为10%时,填料含量已经趋于饱和,阻值比较稳定。
这一结果与罗延龄等3个区域的划分一致。
树脂基体的结晶特性对材料PTC 特性有很大影响。
测试结果表明无论是DSC 还是X 射线衍射图均没有发现结晶峰的存在,说明碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料基本上是一种无定型材料。
因此可以推测,基体交联度基本相同的情况下(因为制备工艺和原材料相同),基体性质对这一材料的PTC特性影响较小。
由体积膨胀曲线可以明显地看到PTC 效应与体积膨胀的关系。
图4为碳纤维/乙烯基酯树脂体积膨胀率随温度的变化关系。
基体线性膨胀率随温度线性增大至98e 附近达到一个峰值,约为3.8@10-3/K,经过一个低谷然后随温度线性增大,到200e 时,体积膨胀率已达7.0@10-3/K 以上。
可以看到该曲线与电阻-温度关系曲线变化趋势有很好的对应关系。
因此,可以推断体积膨胀是导致PTC 效应产生的主要因素之一。
但由于线性膨胀率只有10-3/K,所以由体积膨胀引起的稀释效应并不足以使导电通路完全断开从而产生电阻值的突变。
作者认为,处于渗滤区域的复合材料其导电性受导电通路和隧道效应综合影响,随着温度升高,聚合物基体发生膨胀,当体积膨胀达到一定程度时,由于稀释作用,纤维相对含量明显降低,导致部分导电通路被破坏,并且纤维间距离增大,以至于隧道效应难以发生,电阻值出现突变;而碳纤维含量很高时,导电性完全由导电通路控制,体积膨胀无法使大部分通路断开,因此电阻率随温度变化不明显。
与许多半结晶热塑性树脂为基体的导电复合材料不同,碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料在电阻值突增之后并没有出现明显的NTC 效应。
这是因为,热固性树脂基体是一种三维网状结构,对导电填料有很强的束缚作用,基体不能熔融流动导致导电填料的重排,导电网络被破坏后难以恢复,从而不呈现NT C 效应。
3 结 论a.碳纤维长径比和取向对复合材料导电性有较大影响,长径比越大、取向角越小,材料渗滤阈值越低,导电性能越好。