二硼化钛导电型PTC复合功能材料的制备及性能研究

摘要

聚合物基PTC复合材料是当今国内外研究最为热门的功能高分子材料之一，目前已广泛应用于自控温加热系统、过流保护元件等领域。对于该类PTC材料的广泛应用，除了应具有优异的PTC特性外，还需解决PTC特性的不稳定和高温NTC效应等缺陷。本文采用熔融共混法制备具有明显PTC效应的PE/TiB2-CB复合材料。对复合体系进行SEM形貌观察、升温电阻特性测试、多次热循环电学稳定性测试、热分析等，研究组织成分、制备工艺等对复合材料PTC特性的影响，并对其PTC机理进行初步探索。
　　实验结果表明:TiB2颗粒与聚乙烯基体之间无化学键连接，所以两者之间有明显的界面层存在。选择以7∶3的HDPE、LDPE配比作为基体，加入24％TiB2和6％CB作为导电填料，且在其混合过程中经多次搅拌、研磨和干燥处理。在压力6MPa，温度为160℃下压制后于空气中冷却制得的复合材料结晶度为48.4％，室温电阻率为0.65Ω·m，PTC强度高达5.1;影响试样PTC特性的各因素的主次关系是:热压成型后冷却方式＞热压温度＞热压压力。随着热压压力和温度的升高，复合材料PTC特性呈现先上升再下将趋势;合适的热压温度和成型后冷却方式可以提升复合材料的结晶度，且结晶度越高，PTC效应越明显;120℃退火处理后复合材料峰值电阻率和PTC转变温度(Ts)都有所提高，logρ-T曲线也变得更为陡峭，红外光谱分析显示体系结晶结构也没有被破坏;与未交联试样较差阻-温稳定性相比，交联试样多次热循环的稳定性较好，且高温时NTC效应不明显。
　　复合材料的熔融温度范围和熔融峰温度仅仅依赖于HDPE、LDPE基体的特性。导电填料在聚乙烯基体中是主要分布在基体结晶区与无定形区的界面处以及无定形区中，只有少量填料因热工艺等因素而滞留在基体结晶区。复合材料的PTC效应的产生主要是由聚合物结晶区受热膨胀、熔融破坏导电网络所致，且基体结晶区熔融对复合材料PTC特性的贡献要高于结晶区热膨胀。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 目的及意义

1．2 PTC材料概述

1．2．1 按基体性质分

1．2．2 按导电粒子不同分类

1．2．3 按使用功能分类

1．3 研究现状、应用

1．4 复合材料PTC性能影响因素

1．5 复合材料PTC性能的提升

1．6 PTC效应的机理

1．6．1 热膨胀、隧道效应机理

1．6．2 竞争机理

1．6．3 结晶区熔融说

1．7 本课题研究的主要内容与创新点

1．7．1 主要内容

1．7．2 创新点

第二章 实验材料、设备、工艺及方法

2．1 实验原料

2．1．1 基体相原料

2．1．2 导电填料

2．1．3 辅料

2．2 实验设备

2．2．1 混炼设备

2．2．2 热压设备

2．3 实验步骤

2．4 试样的性能测试

2．4．1 试样的形貌和成分分析

2．4．2 电学性能测试

2．4．3 热循环特性测试

2．4．4 DSC热分析

2．4．5 红外光谱分析

2．5 本章小结

第三章 PE／TiB2-CB复合材料形貌与组成成分

3．1 PE／TiB2-CB复合材料组织形貌

3．1．1 复合材料表面、断面形貌

3．1．2 复合材料表面3D形貌

3．2 基体对复合材料PTC性能的影响

3．2．1 基体配比对试样log ρRT的影响

3．2．2 不同基体配比复合材料的阻-温特性曲线

3．3 导电填料对复合材料性能的影响

3．3．1 导电填料配比对复合材料PTC性能的影响

3．3．2 不同导电填料复合体系形貌结构

3．3．3 导电颗粒预处理对复合材料性能的影响

3．4 本章小结

第四章 PE／TiB2-CB复合材料热加工工艺设计

4．1 正交试验设计

4．2 热压压力对复合材料性能的影响

4．2．1 压力对复合材料PTC性能的影响

4．2．2 不同热压压力试样的形貌结构

4．3 热压温度对复合材料性能的影响

4．3．1 热压温度对复合材料PTC性能的影响

4．3．2 不同热压温度试样的形貌结构

4．4 冷却时间对复合材料性能的影响

4．4．1 冷却方式对复合材料PTC性能的影响

4．4．2 不同冷却方式试样的的SEM形貌分析

4．5 本章小结

第五章 PE／TiB2-CB复合体系PTC性能提升与机理研究

5．1 引言

5．2 复合材料的退火处理

5．2．1 退火处理对P3体系PTC特性的影响

5．2．2 复合材料的红外分析

5．3 复合材料的交联处理

5．3．1 未交联试样热循环稳定性

5．3．2 交联试样热循环稳定性

5．4 复合体系导电机理

5．4．1 导电填料的分布

5．4．2 升温再降温过程P3体系的PTC特性

5．4．3 热膨胀对复合材料PTC特性的影响

5．4．4 基体结晶区熔融对复合材料PTC特性的影响

5．5 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况