电场作用下高密度聚乙烯/纳米石墨微片导电复合材料非线性导电行为研究

摘要

研究导电复合材料在电场下的非线性导电行为特别是电击穿行为，不仅能更好地了解导电复合材料的导电性能和机理，还可以为导电复合材料的应用提供合理、可靠的依据。本论文主要研究了高密度聚乙烯/纳米石墨微片(HDPE/GN)导电复合材料在电场作用下非线性导电行为，着重研究了在电流作用下的电击穿行为。本论文主要研究工作如下： (1)HDPE/GN导电复合材料渗滤导电行为研究。 本文以GN与HDPE熔融复合制备的HDPE/GN导电复合材料作为研究对象，研究了HDPE/GN导电复合材料的渗滤导电行为。GN的含量与HDPE/GN导电复合材料电阻率之间的关系符合渗滤导电方程。HDPE/GN导电复合材料的渗滤阈值较低，说明具有较大径厚比的GN容易在高分子基体中形成导电通路。渗滤临界指数值与理论渗滤网络普适值差异较大，说明HDPE/GN导电复合材料渗滤体系的传输行为是非普适性传输行为。 (2)HDPE/GN导电复合材料可逆非线性导电行为研究。 本文研究了HDPE/GN导电复合材料在电流下的 曲线，得到非线性转变电流密度与线性电导率之间的标度模型。标度模型指数x值的范围在DRRN网络模型预测的理论指数值范围内，说明引起HDPE/GN导电复合材料可逆非线性导电行为的主要机理是导电网络的隧道效应。分析了HDPE/GN导电复合材料非线性导电行为偏离线性导电行为的程度，结果表明当GN的含量接近渗滤阈值时，HDPE/GN导电复合材料非线性导电行为得到增强。 (3)HDPE/GN导电复合材料临界电击穿行为研究。 本文首先研究了电流(I≤I<,b>)作用下HDPE/GN导电复合材料的非线性响应。在电流作用下，导电复合材料内最终达到电热平衡状态,材料的电阻和温度在电热平衡状态下达到稳定值。研究了HDPE/GN导电复合材料电热平衡态的非线性导电行为，电热平衡态的非线性导电行为是导电网络内隧道效应和焦耳热效应共同作用的结果。研究了电流作用下HDPE/GN导电复合材料的电阻热松弛行为，热松弛时间 随着电流的增加而变长，热松弛时间 在临界击穿点发散。研究了HDPE/GN导电复合材料临界击穿电场，建立了临界击穿电场与线性电阻的标度模型。研究了GN的含量、测试样品的大小、电击穿的测试次数对HDPE/GN导电复合材料临界击穿电阻与线性电阻比值的影响，表明HDPE/GN导电复合材料的临界击穿电阻与线性电阻的比值为定值。 研究了不同石墨填料/HDPE导电复合材料 值，表明 值与导电填料的性质有关。 (4)HDPE/GN导电复合材料动态电击穿行为研究。 本文研究了在击穿电流作用下HDPE/GN导电复合材料的电阻随时间的变化，建立电阻与时间的标度模型。研究了导电复合材料在电流作用下的电击穿时间，建立击穿电流与击穿时间的标度模型。研究了HDPE/GN导电复合材料在动态电击穿过程中温度的变化，结果表明当HDPE/GN导电材料发生电击穿时，HDPE的相态发生了变化。研究了在电流作用下动态电击穿过程中HDPE/GN导电复合材料的电阻随温度的变化，结合温度场下HDPE/GN导电复合材料的PTCR效应，探讨了在电流作用下HDPE/GN导电复合材料的电击穿的机理。 (5)电压作用下HDPE/GN导电复合材料自加热行为研究。 本文研究了在自加热效应作用下HDPE/GN复合材料的电阻和温度对时间的依赖性。研究了电压作用下HDPE/GN复合材料电热平衡态的非线性导电行为，探讨了电热平衡态非线性导电行为的机理。研究了HDPE/GN导电复合材料在自加热效应下的电开关特性，材料的电开关值随电压的升高而增大，电开关时间随电压的升高而变短。研究HDPE/GN导电复合材料的电开关临界电压值，建立临界电压值与样品的线性电阻的标度模型。