环氧树脂/碳系复合材料的制备及导电性能的研究

摘要

碳系导电填料质轻、导电性好，因此被广泛应用于高分子导电复合材料。为了保持高分子材料本身优良的性能(柔韧性、延伸性及加工性)，如何尽量降低导电填料的用量是高分子/碳系填料导电复合材料研究的一个核心问题。本文以不同微观几何结构的纳米碳材料，零维的碳黑(CB)、一维的碳纳米管(CNTs)、二维的纳米石墨片(GNPs)为导电填料，采用溶液共混法制备了环氧树脂/碳复合材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜对填料和复合材料的微观结构进行了表征，采用综合热分析仪对复合材料的热学性能进行了分析，用两探针法测量复合材料的体积电阻率和温敏性。详细地研究了纳米碳材料的微观几何结构，以及不同几何结构的填料间的配比对复合材料导电性能的影响，并对不同几何结构填料间的协同效应的机理进行了研究。
　　 通过膨胀石墨超声法制备GNPs(厚度为30～80nm，长度约为5～20μm)，采用溶液共混法制备了环氧树脂/GNPs复合材料。由于径厚比很大的GNPs在基体中的分散性很好，复合材料的渗滤阀值相对较低(约1wt.％)。通过研究填料的形态及导电网络的微观结构对复合材料的温敏性影响，发现在渗滤阀值附近，复合材料具有很强的PTC(Positive temperature coefficient，即正温度系数效应)和NTC效应(Negative temperature coefficient,即负温度系数效应)，而高于渗滤阀值时，则没有明显的PTC和NTC效应。
　　 将少量的CB添加到环氧树脂/GNPs复合材料中，CB一方面可以插入石墨片间抑制GNPs的团聚，提高它的分散性，另一方面可以在GNPs间提供导电通路，所以二者的协同作用可以极大改善复合材料的导电性能，降低其渗滤阀值。环氧树脂/GNPs0.9CB0.1(填料中GNPs与CB的质量比为9∶1)复合材料的渗滤阀值约为0.7wt.％，明显低于环氧树脂/GNPs复合材料(约为1wt.％)。
　　 三种不同几何结构的导电碳填料，CB、CNTs、GNPs按一定的配比混合分散于基体中，其三者之间的协同效应更有利于复合材料导电性能的提高。一方面这三种填料互相促进彼此的分散，另一方面片间的CB和CNTs可以在GNPs间起到很好的桥联作用，提供导电通路。尤其是高长径比的CNTs对GNPs的桥联可以显著降低复合材料的渗流阀值，低于任何单相填料和两相填料复合材料的渗流阀值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2高分子导电复合材料

1.2.1 导电机理

1.2.2 PTC效应

1.2.3导电填料

1.3发展趋势

1.4本论文的选题意义及研究内容

1.4.1选题意义

1.4.2研究内容

第2章实验方法与原理

2.1试剂与仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2实验设备及仪器

2.2实验制备方法

2.2.1膨胀石墨的制备

2.2.2环氧树脂/GNPs复合材料的制备

2.2.3环氧树脂/GNPs/CB复合材料的制备

2.2.4环氧树脂/GNPs/CB/CNT复合材料的制备

2.3测试表征方法

第3章环氧树脂/GNPs复合材料表征分析

3.1概述

3.2表征分析

3.2.1填料结构及形貌分析

3.2.2复合材料形貌分析

3.2.3复合材料导电性能分析

3.2.4温敏实验分析

3.3本章小结

第4章环氧树脂/GNPs/CB复合材料表征分析

4.1概述

4.2表征分析

4.2.1微观结构对复合材料导电性能的影响

4.2.2复合材料导电性能分析

4.3本章小结

第5章环氧树脂/GNPs/CB/CNT复合材料表征分析

5.1概述

5.2表征分析

5.2.1 微观结构对复合材料导电性能的影响

5.2.2复合材料导电性能分析

5.3本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢