超高分子量聚乙烯基导电复合材料的电/热性能研究

论文摘要

聚合物基PTC（Positive temperature coefficient）材料是一类具有重要理论和应用价值的新型功能材料,由于其独特的热电开关特性,及导电性能可调、质量轻、耐腐蚀、成本低、易成型加工等优点,可广泛应用于自控温电热器件、过流保护器和传感器等领域。但是目前聚合物基PTC材料在理论和实际应用方面还有待进一步研究和完善,如PTC效应机理、PTC强度的提高、NTC （Negative temperature coefficient）现象的消除以及高温稳定性和重现性的改进,PTC材料的自发热效率低等。本文首先利用凝胶结晶溶液方法制备了碳纤维（CF）和镀镍碳纤维（NiCF）填充的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）导电聚合物复合材料,利用DSC, SEM, WAXS, DMA和凝胶含量测试等测试手段,研究了导电填料,伽马射线辐射交联,化学交联对材料导电及机械性能的影响。结果表明,NiCF比CF导电性更高,制备的材料的逾渗阈值低。伽马射线辐射交联能够提高材料的PTC效应,而化学交联能提高复合材料的导电性能和导电稳定性,并提高材料的机械性能。采用UHMWPE和乙烯基甲基丙烯酸甲酯共聚物（EMMA）为聚合物基体,CF为导电填料,利用凝胶结晶溶液方法制备了UHMWPE-EMMA-CF三元导电聚合物复合材料。利用DSC, SEM, WAXS, TGA, DMA,凝胶含量等表征测试手段,系统讨论了EMMA含量,CF含量和伽马射线辐射交联等因素对其导电性,热学性能,形貌特征,机械性能等的影响,并探讨了伽马射线辐射交联机理。结果表明伽马射线辐射处理在聚合物中形成了交联结构。辐射后材料的PTC强度显著提高,基体比例UHMWPE/EMMA为1/1的样品经500kGy辐射后PTC强度达到1010。NTC效应消失,PTC效应重复性提高。对UHMWPE-EMMA-CF导电聚合物复合材料的自发热性能进行了研究。结果表明,在相同的CF浓度和外加电压时,基体比例为1/6的样品的表面温度大于基体比例为1/1的。伽马射线辐射处理能显著提高材料的自发热性能。在外加电压为20V,基体比例为1/1的样品经500kGy辐射后其表面温度比未辐射样品提高约30℃。基体比例为1/1,1/3和1/6的样品对应的最佳伽马射线辐射剂量分别为1000kGy,500kGy和200kGy。通过聚合物体积热膨胀实验对聚合物导电复合材料的PTC效应的机理进行了探讨。结果表明体积膨胀是PTC效应的重要影响因素。材料的介电性能分析表明,材料电阻率和介电常数对温度、频率具有强烈依赖性。介电测试结果与复合材料直流PTC性能的实验结论一致,并从微观角度反映了结构的变化及伽马射线对复合材料导电性等性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 聚合物基PTC材料的研究进展
• 1.1 聚合物基PTC材料的研究概况
• 1.1.1 逾渗理论
• 1.1.2 导电聚合物复合材料的导电机理
• 1.1.3 导电聚合物复合材料的PTC效应
• 1.2 PTC材料的焦耳热效应
• 1.3 聚合物复合材料的介电性能
• 1.3.1 物质的极化现象
• 1.3.2 介电性能表征参数
• 1.3.3 聚合物复合材料的介电理论模型
• 1.4 论文主要研究内容
• 2 超高分子量聚乙烯-碳纤维复合材料的电、热及机械性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 样品制备
• 2.2.2 测试表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 伽马射线辐射对复合材料导电性能的影响
• 2.3.2 化学交联对样品热、电和机械性能的影响
• 2.4 本章小结
• 3 超高分子量聚乙烯-镀镍碳纤维复合材料的电、热及机械性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 测试表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 逾渗阈值
• 3.3.2 伽马射线辐射对材料热性能的影响
• 3.3.3 伽马射线辐射对材料PTC效应的影响
• 3.3.4 伽马射线辐射对复合材料PTC稳定性的影响
• 3.3.5 复合材料的凝胶含量
• 3.3.6 伽马射线辐射对材料断面形貌的影响
• 3.3.7 伽马射线辐射对材料机械性能的影响
• 3.4 有效介质模型的模拟
• 3.5 本章结论
• 4 超高分子量聚乙烯-乙烯基-甲基丙烯酸甲酯共聚物-碳纤维复合材料的电、热及机械性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品制备
• 4.2.2 测试表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 未辐射样品的PTC性能研究
• 4.3.2 伽马射线辐射对材料电学及机械性能的影响
• 4.3.3 伽马射线辐射机理探讨
• 4.5 本章结论
• 5 超高分子量聚乙烯基导电聚合物复合材料的自发热性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 测试表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PEEM11样品的自发热性能
• 5.3.2 PEEM13和PEEM16样品的自发热性能
• 5.4 本章结论
• 6 超高分子量聚乙烯基导电复合材料的体积膨胀和介电性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 体积膨胀实验
• 6.2.2 介电性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 体积膨胀实验结果
• 6.3.2 介电性能分析
• 6.4 本章结论
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢