硅橡胶/纳米石墨薄片复合材料在压力场作用下电导非线性研究

摘要

硅橡胶/纳米石墨复合材料具有良好的电学特性和机械特性，是一种独特的压敏材料。本论文主要研究了硅橡胶/纳米石墨导电复合材料的导电机制以及压力外场作用下电导的非线性行为，着重考察了相应的机理及相关的影响因素。 纳米石墨具有微米级径度(5-20μm)，纳米级厚度(40nm)，因此有较大的径厚比，有利于在高分子基体中形成导电通道，大大降低了复合体系导电的渗滤阈值。通过湿混方法制备而成的硅橡胶/纳米石墨复合导电材料，其导电填料在基体中获得了更加均匀的分散状态，再加上由于纳米石墨微片形态的特殊性，使得复合体系具有较低的渗滤阈值。 硅橡胶/纳米石墨复合材料电阻对压力场具有极其敏感的非线性响应。压阻效应主要是由外场压力诱导材料发生形变，导致内部导电网络结构变化，从而造成材料电阻率发生改变所造成的。通常，复合材料的压阻效应包括在低压作用下的负压阻效应(NPCR)效应和在高压作用下的正压阻效应(PPCR)效应。NPCR与PPCR效应皆是导电网络结构重建与破坏相互竞争的结果。然而，对于硅橡胶/纳米石墨导电复合体系，其压阻效应却是可在很低压作用下(大约指压力的范围内)呈现出单一却极其强烈的PPCR效应。由于体系渗滤阈值低，纳米石墨导电微片在复合材料中的含量较少，导致在基体内部所形成的导电网络对压力十分敏感，因此硅橡胶/纳米石墨复合材料在低压下便呈现出强烈的PPCR效应。通过量子隧道理论对硅橡胶/纳米石墨复合材料的压阻效应进行研究表明，该体系在压力作用下，材料电阻的非线性响应能很好地通过量子隧道导电理论来进行描述。 硅橡胶/纳米石墨复合材料的压阻效应与许多影响因素有关。凡是能影响导电网络变化程度的因素都会影响复合材料电阻对压力的响应程度。由于导电填料浓度的大小直接影响复合材料导电通路的密度，所以与复合材料的压阻效应密切相关。除此之外，所施加压力的大小，压缩的次数等因素都会直接影响导电网络的变化情况，从而影响复合材料的压阻效应。由于高分子基体具有蠕变特性，因此硅橡胶/纳米石墨复合材料的压力卸载后电阻的恢复还与时间关，具有很强的时间依赖性，且压缩速度以及循环压缩次数等因素有关。另外第三基体组分的加入改变了纳米石墨片在基体中的分布形态，因此也会影响复合材料的压阻效应。 硅橡胶/纳米石墨复合材料在静态和动态压缩下分别呈现出不同的压阻行为，这与复合材料在两种压缩状态下相应的宏观形变及微观的分子运动密切相关。在静态和动态压缩下硅橡胶/纳米石墨复合材料的电阻率的变化特征与其相应的形变特征是相一致的：静态压缩下，复合材料出现了电阻松弛现象，与此同时，相应地，该恒定形变也随着时间的增加从初始的弹性形变转化成了粘弹性形变；动态压缩下，复合材料的电阻率随着动态连续增加的应变不断上升。在此过程中，短的松弛时间不足够允许静态压缩下的那种形变特性的转变出现，因此动态压缩的形变主要是弹性形变。一种与Burger方程相似的公式表达形式可以很好的描述硅橡胶/纳米石墨复合材料的电阻松弛行为。此外，一个适用于交联聚合物网络体系的Burger模型(除去原有串联阻尼器的三元件系统)也被利用对相应的硅橡胶/纳米石墨复合材料的形变特征进行了模拟。