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导电高分子复合材料(CPC)在电子器件的包装等很多领域有广泛的应用。熔融加工是高效率,低成本生产CPC的主要方法,材料中导电网络是在熔体状态下构建并在随后的冷却阶段固定下来。由于熔体状态下影响导电网络的因素多样且复杂,传统的导电理论尚不能全面、准确地描述导电网络的形成和演变过程。为此,本文提出在液态高分子体系中研究导电粒子的导电机制,相比于熔体状态,液态高分子体系粘度调节范围更大,影响导电网络形成和变化的因素更容易控制。本文拟通过单壁碳纳米管(SWNTs)和炭黑(CB)在环氧树脂(EP)中的运动规律研究,探明导电粒子形态、温度、粘度和剪切场对体系导电性能的影响,间接地揭示导电粒子在熔体状态下的导电机理。
首先研究了复合体系的导电行为。结果发现,SWNTs/EP和CB/EP复合体系都产生了明显的逾渗现象,在60℃的情况下,前者的逾渗值为0.205vol%左右,后者为5.85vol%左右。与固体CPC相比,两体系电导率上升的幅度较小,分别只为4.5和3个数量级,这与液态体系中填料含量的增加导致粘度增加有关。利用渗流理论、隧道效应理论和场致发射效应等理论对体系的导电机理进行了分析介绍;
其次研究了导电粒子形态、温度、粘度和剪切场对体系导电性能的影响:
(1)SWNTs/EP比CB/EP的导电性好,在50℃下,两者的逾渗值分别为0.2vol%和6.25vol%左右,最大电导率分别为5.4×10-2S/m和3.4×10-4S/m,这是因为SWNT的长径比比CB大,并且SWNT容易相互吸引形成团聚,这使得碳纳米管在聚合物基体中更容易形成连续的导电通道或导电网络;
(2)温度和粘度对体系导电性的影响很大,温度的升高降低了体系的粘度和逾渗值、提高体系的导电性,逾渗值与温度满足公式:Pc=P0+Aexp(R0T);温度与粘度的关系符合Arrhenius公式:η=Aeexp(Ee/RT),电导率与温度/粘度的关系符合σ=k(T/η)α;
(3)剪切搅拌可以促进导电粒子的团聚,含量较高时促进导电性的提高,含量很低时降低导电性。