碳化硼复合材料的导电及电磁屏蔽性能研究

摘要

碳化硼具有很多的优良特性，例如低密度、高硬度、化学稳定性、中子吸收特性，已应用于反应堆控制棒材料、核屏蔽材料、防弹装甲、抗腐蚀材料等众多工业领域。但是目前对碳化硼及其复合材料的应用主要局限在其物理性能和中子吸收性能的应用方面，对其导电机制的了解和应用也基本停留在实验阶段。碳化硼具有优良的物理性能、类炭黑的结构和半导体的导电性质，利用这些特性使其通过与适合的橡胶基体混合可以制作出具有多功能的复合材料，本文从这一点出发展开研究，讨论了工艺因素、组分含量、压力、温度和电压等对碳化硼/丁基橡胶复合材料的电阻率、热导率、介电常数、压阻性能、伏安特性、热稳定性、电磁屏蔽和吸波性能的影响，在此基础上重点研究碳化硼/丁基橡胶复合材料的导电及电磁屏蔽性能。
　　导电聚合物在加工制备的过程中，如何获得其重复性的导电性能是至关重要的。本文在制备碳化硼/丁基橡胶复合材料过程中，利用正交实验法分析和确定了复合材料的具体配比，通过在碳化硼复合材料中预置电极的方法，测量制备过程中其电阻率的变化情况，分析了不同批次、组分、硫化压力、硫化温度、混炼时间和辊筒速度对其导电网络结构和性能的影响。确定了制备碳化硼复合材料最佳导电性能的组分含量、硫化和混炼的工艺条件。
　　对碳化硼/丁基橡胶复合材料在压力、温度和电压影响下的导电性能进行了研究，发现碳化硼复合材料的电阻率随着碳化硼的含量增加而减少，且成较为明显的线性关系，当碳化硼含量达到60％wt的时候，碳化硼复合材料的电阻率达到最低值，为101.8Ω·cm。对碳化硼复合材料在压力作用下的电阻率变化情况进行了测试，分析了碳化硼含量、压力和循环加压次数对碳化硼复合材料电阻率的影响规律。温度实验数据表明碳化硼复合材料具有PTC(Positive Temperature Coefficient)和NTC(Negative Temperature Coefficient)的双重效应，并对其产生机理进行了探讨和说明。碳化硼复合材料的伏安测试结果表明其具有“开关”特性，并根据测试时碳化硼复合材料所发生的焦耳热现象，对其产生规律和机制进行了研究。对碳化硼复合材料介电常数、热导率和塞贝克系数进行了测试，测试结果都证明了复合材料表现为P型半导体性质，并具有优良的电热性能。热重分析测试结果表明碳化硼对复合材料的热稳定性能也有一定提高。建立了复碳化硼复合材料导电的二维等效电路模型和粒子分布的三维晶格模型，讨论了温度、压力和电压作用下碳化硼/丁基橡胶复合材料的导电机制，分析了模型可应用范围和缺点。
　　电磁屏蔽性能实验表明该复合材料具有一定的屏蔽和吸波性能，研究了碳化硼含量和样品厚度对它们的影响。结合经典电磁理论对其屏蔽和吸波性能进行了理论分析。碳化硼含量为60wt％，厚度为2mm的样品，在1800MHz处屏蔽效能达到-4.6dB;厚度为2mm，碳化硼含量为20wt％样品在测试频率为5.9GHz处最大吸收峰值达-23.7dB。

目录

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摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 碳化硼

1．2．2 填料型复合材料

1．2．3 以碳化硼为填料的复合材料

1．3 本论文的研究内容及方法

2 碳化硼复合材料组分的选择和测试方法

2．1 碳化硼复合材料组分的选择和制备

2．1．1 碳化硼的选择和制备

2．1．2 导电橡胶基体的选择和特点

2．2 测试方法

2．3 本章小结

3 碳化硼复合材料制备过程对其导电性能影响

3．1 碳化硼复合材料配方的确定

3．1．1 实验因子的确定

3．1．2 碳化硼复合材料正交实验设计

3．2 工艺因素对碳化硼复合材料导电性能的影响

3．2．1 预置电极法

3．2．2 塑炼过程

3．2．3 混炼过程

3．2．4 硫化过程

3．2．5 相同工艺不同批次

3．3 碳化硼复合材料的制备

3．4 本章小结

4 碳化硼复合材料导电性能的影响因素

4．1 碳化硼含量对复合材料导电性能的影响

4．1．1 碳化硼对复合材料网络结构的影响

4．1．2 碳化硼复合材料的微观形貌

4．1．3 碳化硼含量和电阻率的关系

4．1．4 碳化硼含量和介电常数的关系

4．2 压力对碳化硼复合材料导电性能的影响

4．2．1 压力和碳化硼复合材料电阻率的关系

4．2．2 循环加压对碳化硼复合材料压阻特性的影响

4．2．3 碳化硼用量对电阻蠕变性能的影响

4．3 温度对碳化硼复合材料导电性能的影响

4．3．1 碳化硼复合材料的热导率

4．3．2 碳化硼复合材料的热稳定性

4．3．3 碳化硼复合材料的Seebeck系数

4．3．4 电阻率和温度的关系

4．3．5 介电常数和温度的关系

4．4 电压对碳化硼复合材料导电性能的影响

4．4．1 碳化硼复合材料的伏安特性

4．4．2 电压作用下碳化硼复合材料的温度特性

4．5 碳化硼复合材料的导电机理

4．6 本章小结

5 碳化硼复合材料屏蔽及吸波性能研究

5．1 碳化硼复合材料的屏蔽性能研究

5．1．1 单层平板型屏蔽体的屏蔽效能的理论分析

5．1．2 碳化硼复合材料的屏蔽性能

5．2 碳化硼复合材料的吸波性能研究

5．2．1 单层平板型吸波材料的吸波性能的理论分析

5．2．2 碳化硼复合材料的吸波性能

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介