碳纳米管/聚合物复合材料的热敏电阻特性研究

论文摘要

聚合物PTC材料是一种对温度非常敏感的材料,其被广泛应用于过流保护、自控温等领域。由于其对温度敏感的特性,已越来越引起人们的重视。目前,商品化的热敏电阻主要是以炭黑（CB）填充高密度聚乙烯（HDPE）制得的复合材料热敏电阻。在特定温度时,HDPE的结晶区开始熔化,从而导致基体的体积膨胀,进而导致由CB形成的导电网络的断裂,因此,电阻出现急剧增加（PTC效应）。虽然CB/HDPE热敏电阻已被广泛应用了数十年,但是仍然面临挑战。高的填料用量（20wt%-30wt%）和耐热性差是限制其发展的两个重要瓶颈。这主要是由于CB的低导电性和较差的热稳定性所导致的。以上缺点严重限制了CB/HDPE热敏电阻在某些领域的应用,例如通讯、电力、发电厂等要求热敏电阻具有耐电流、耐电压等特点的领域。碳纳米管（CNT）相比CB具有高导电性、高导热性和高长径比等优点,这些优点对于形成理想的导电网络和获得高性能的热敏电阻是有益的。CNT填充聚合物基体形成复合材料的PTC效应已开展了广泛的研究。本文的目的是通过实验研究探索降低复合材料热敏电阻导电填料的添加量,开发具有耐大电流、耐大电压特性的热敏电阻。本文以CNT为导电填料,以HDPE和聚甲醛（POM）作为基体材料制备功能复合材料以及热敏电阻,研究了CNT/HDPE和CNT/POM热敏电阻的相关技术性能,如PTC效应、电压-电流曲线、阻温曲线和响应速度,以及其与CB/HDPE热敏电阻的对比。首次发现了CNT/HDPE热敏电阻的不动作电压和不动作电流分别为3.9 V和182.9 mA,相比CB/HDPE热敏电阻的不动作电压（1.4 V）和电流（80 mA）分别提高178.5%和128.6%。也就是说碳纳米管基热敏电阻,即使是在较高的外加电压下,仍然可以保持低电阻状态。碳纳米管基热敏电阻的耐电压特性主要归因于CNT导电网络的高导热性,碳纳米管基热敏电阻可以被应用于高功率传输、通信等领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管概述
• 1.1.1 碳纳米管分类
• 1.1.2 碳纳米管性能
• 1.1.3 碳纳米管的制备
• 1.1.4 碳纳米管的应用
• 1.2 PTC 材料概述
• 1.2.1 PTC 材料分类
• 1.2.2 聚合物PTC 材料效应产生机制
• 1.2.3 聚合物PTC 材料的应用
• 1.2.4 PTC 热敏电阻
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本课题研究的目的和意义
• 1.5 本课题研究内容
• 第二章 原材料及试验方法
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 复合材料和热敏电阻的制备
• 2.2.1 碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料的制备
• 2.2.2 石墨化碳纳米管/聚甲醛复合材料的制备
• 2.2.3 热敏电阻的制备
• 2.3 测试与表征
• 2.3.1 复合材料的显微组织观察
• 2.3.2 电学性能测试
• 2.3.3 电压电流特性测试
• 2.3.4 电流时间特性测试
• 第三章 复合材料的电学性能及PTC 效应
• 3.1 碳纳米管的微观结构
• 3.2 碳纳米管/高密度聚乙烯和碳纳米管/聚甲醛复合材料的微观结构
• 3.3 碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料的电学性能和PTC 效应
• 3.4 碳纳米管/聚甲醛复合材料的电学性能和PTC 效应
• 3.5 本章小结
• 第四章 碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料的电压电流特性
• 4.1 不同碳纳米管含量下CNT/HDPE 复合材料的电压-电流曲线
• 4.2 CNT/HDPE 和CB/HDPE 热敏电阻的电压-电流曲线对比
• 4.3 CNT/HDPE 和CB/HDPE 热敏电阻电流-时间曲线的对比
• 4.4 不同碳管含量热敏电阻在最高点电压下的电流-时间曲线
• 4.5 本章小结
• 第五章 碳纳米管/聚甲醛复合材料的电压电流特性
• 5.1 不同碳纳米管含量的伏安曲线对比
• 5.2 与成品热敏电阻的不动作电流对比
• 5.3 不同电压激发下的电流时间曲线
• 5.4 不同碳纳米管含量CNT/POM 热敏电阻的电流时间曲线
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢