碳素纤维/聚合物复合材料电性能及PTC行为研究

论文摘要

本文首次采用石墨纤维（GF）作为导电填料制备了聚合物PTC材料。研究了GF/PVDF、CF/PVDF两个复合体系的PTC/NTC行为。结果表明,GF/PVDF体系具有较小的渗流阈值、稳定的室温电阻率、较大的PTC强度及较高的PTC转变温度。通过实验,我们解释了这两个体系出现不同PTC/NTC效应的原因。国内外许多文献通过γ-射线、电子束等辐照交联的手段消除NTC效应。本文从填料和基体两个方面入手,采用增加复合物粘度的方法来解决NTC问题。分别制备了GF/CF/PVDF、GF/PVDF/UHMWPE两个复合体系。研究表明,对于GF/CF/PVDF体系,GF和CF的混合填充使体系的NTC效应完全消除,同时PTC性能得到了很好的改善。对于GF/PVDF/UHMWPE体系,我们发现少量UHMWPE的加入就能够消除NTC效应;另外,PVDF/UHMWPE的质量比对体系的室温电阻率和PTC效应均产生了显著的影响。我们尝试了以非结晶EPDM橡胶作为基体来开发PTC材料,发现经CF填充,体系全部呈现PTC效应,而经CB填充,体系全部呈现NTC效应。由此,我们首次提出碳系填料的形状是影响EPDM复合体系电阻-温度行为的真正原因。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 导电聚合物复合材料
• 1.2.1 导电聚合物复合材料的渗流效应
• 1.2.2 导电聚合物复合材料的导电机理
• 1.3 碳纤维/聚合物导电复合材料
• 1.3.1 PAN基碳纤维的结构
• 1.3.2 碳纤维/聚合物的导电机理
• 1.3.3 碳纤维导电复合物的应用及展望
• 1.4 聚合物PTC材料
• 1.4.1 PTC效应机理
• 1.4.2 PTC强度的影响因素
• 1.4.2.1 聚合物基体的影响
• 1.4.2.2 导电填料的影响
• 1.4.2.3 加工工艺的影响
• 1.4.2.4 其他因素的影响
• 1.4.3 PTC转变温度的影响因素
• 1.4.4 NTC效应的消除
• 1.4.4.1 填料粒子的表面改性处理
• 1.4.4.2 复合物的交联
• 1.4.4.3 增加聚合物基体粘度
• 1.4.5 聚合物PTC材料的应用现状
• 1.4.5.1 电路保护器
• 1.4.5.2 加热器
• 1.5 本论文的研究意义
• 第二章 加工条件对GF、CF填充的PVDF复合材料室温电阻率的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 样品制备
• 2.2.4 样品测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 混炼时间的影响
• 2.3.2 转动速度的影响
• 2.3.3 混炼温度的影响
• 2.3.4 模压压力的影响
• 2.3.5 开炼机夹缝宽度的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 GF/PVDF和CF/PVDF两个复合体系的PTC/NTC行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 样品制备
• 3.2.4 样品测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 GF/PVDF和CF/PVDF复合物的渗流行为
• 3.3.2 GF/PVDF和CF/PVDF复合物的PTC行为
• 3.3.3 GF/PVDF和CF/PVDF复合物的NTC行为
• 3.3.4 GF、CF的混合填充效应
• 3.4 本章小结
• 第四章 GF/PVDF/UHMWPE三组分体系的电阻率及PTC/NTC行为
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验仪器及设备
• 4.2.3 样品制备
• 4.2.4 样品测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PVDF/UHMWPE质量比对电阻率的影响
• 4.3.2 PVDF/UHMWPE质量比对PTC/NTC行为的影响
• 4.3.3 UHMWPE形态的确认
• 4.3.4 GF在PVDF/UHMWPE内分布的SEM观察
• 4.4 本章小结
• 第五章 碳纤维填充EPDM橡胶体系的PTC行为
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 样品制备
• 5.2.4 样品测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 复合物的电阻率-含量关系
• 5.3.2 复合物的电阻-温度行为
• 5.3.3 复合物电阻-温度的重复性
• 5.3.4 电流-电压（I-U）特性测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract