铁粉填充的导电硅橡胶复合材料的制备与压阻性能研究

论文摘要

将导电填料分散在硅橡胶中制得的导电硅橡胶,是复合型导电高分子材料领域日趋活跃的一个分支。基于导电橡胶的抗静电材料、电磁屏蔽材料、导电材料等在电子、航空航天、服务行业得到广泛应用,对推动国民经济增长具有十分重要的作用。本文采用微米级羰基铁粉（粒状）和羰基多晶铁纤维（纤维状）为导电填料,制备了两种导电硅橡胶复合材料,并对这两种材料的压阻性能进行了实验研究和理论分析,为后续开发新型导电复合材料奠定了实验基础。本文的主要工作如下:采用磁场辅助硫化工艺制备了含微米级羰基铁粉的导电硅橡胶复合材料,测量了体系的压阻特性。结果发现,该复合材料显示了丰富的压阻特性,初始电阻大于1010Ω的体系显示负压阻特性,而小于1010Ω的体系显示正压阻特性;填充了10%、20%、50%铁粉的硅橡胶在0.2MPa前后出现正压阻渗流转变,电阻变化达35个量级,然而,φ=50%、B=0.2T体系显示线性正压阻特性。研究认为,体系压阻行为的复杂性与磁场在基胶中诱导的导电路径构象的多样性有关,为新型材料的研究提供了新的方向。采用类似的工艺制备了含羰基多晶铁纤维的导电硅橡胶复合材料,测量了体系的压阻特性。结果发现,该复合材料具有优异的导电性,改变了未经磁场处理时需要添加大量的铁纤维的现状。本实验仅需加φ=1.0wt%的含量,即可达到不足1Ω的电阻,完成渗流转变,且均显示负压阻特性。研究显示,羰基多晶铁纤维有序排列减少了铁粉随机排列的损失,相同电阻下提高了铁粉的利用率;并且,导电通路随磁场强度的增强不断完善,电阻值不断降低。研究认为,在磁场诱导的有序排列下,复合材料体系的压阻行为主要受铁粉形状的影响,减少了导电通路电子的流动阻力。对粒状和纤维状铁粉制得的复合材料进行对比,比较了铁粉形状对材料组织和电性能的影响。测量结果发现,经过磁场处理的粒状铁粉体系渗流阈值为5wt%,最小电阻为106Ω,而纤维状铁粉体系渗流阈值仅为0.2wt%,最小电阻低于1Ω;前者在1010Ω前后出现正压阻效应和负压阻效应,而后者只出现负压阻效应。研究显示,纤维铁粉有较大的长径比,其排列组织的轴向导电性、抵抗变形能力大大优于粒状铁粉,因此决定了它们的复合材料电学性能的差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 复合材料
• 1.1.1 复合材料的定义
• 1.1.2 复合材料的的分类及应用
• 1.2 导电橡胶
• 1.2.1 导电橡胶的组成
• 1.2.2 硅橡胶
• 1.2.3 导电机理及其影响因素
• 1.2.4 压阻复合材料的研究进展
• 1.3 粉体的表面改性及分散
• 1.3.1 粉体的分散
• 1.3.2 粉体表面改性
• 1.3.3 粉体表面改性剂
• 1.3.4 活化指数[38]
• 1.4 磁场与导电粒子的相互作用
• 1.4.1 磁场中的磁化本质
• 1.4.2 颗粒在磁场中受磁力及影响因素
• 1.5 研究的目的和意义
• 2 导电硅橡胶的实验制备
• 2.1 实验材料
• 2.2 活化指数测定方案
• 2.3 导电硅橡胶配方的确定
• 2.4 导电硅橡胶用实验仪器
• 2.5 导电硅橡胶的实验方案
• 3 偶联剂活化指数的测定
• 3.1 活化方法的比较
• 3.2 活化后颗粒形貌的比较
• 3.3 小结
• 4 微米级羰基铁粉填充的硅橡胶复合材料的电性能研究
• 4.1 复合材料内微米级羰基铁粉在磁场处理前后的变化
• 4.2 磁场处理对微米级羰基铁粉复合材料电性能的影响
• 4.3 磁场处理对微米级羰基铁粉复合材料压阻性能的影响
• 4.4 小结
• 5 羰基多晶铁纤维填充的硅橡胶复合材料的电性能研究
• 5.1 复合材料内羰基多晶铁纤维在磁场处理前后的变化
• 5.2 磁场处理对羰基多晶铁纤维复合材料电性能的影响
• 5.3 磁场处理对羰基多晶铁纤维复合材料压阻性能的影响
• 5.4 小结
• 6 铁粉形状对硅橡胶复合材料电性能的影响
• 6.1 复合材料内两种形状铁粉在磁场处理前后的对比
• 6.2 两种形状铁粉制备的复合材料的电性能的对比
• 6.3 两种形状铁粉制备的复合材料的压阻性能对比
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢