應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響【開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報(bào)告</b></p><p><b>　　工程力學(xué)</b></p><p>　　應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響</p><p><b>　　1　緒論</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的飛

2、速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的高分子材料的需求也與日俱增。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)而言，它不僅工藝簡單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。</p><p>　　2　選題的背景與意義</p><p>　　隨

3、著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的高分子材料的需求也與日俱增。作為一種新興的功能材料，聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料不僅具有導(dǎo)電功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。目前所研制的導(dǎo)電高聚物大體上可以分為兩類，即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高聚物和復(fù)合型導(dǎo)電高聚物。結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料是指高分子本身的結(jié)構(gòu)或經(jīng)過摻雜處理后而具有導(dǎo)電功能的材料。由于大分子鏈中的共軛鍵可提供導(dǎo)電載流子，所以其自身

4、就具有導(dǎo)電性。由于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物分子本身剛性較大、摻雜劑多數(shù)是毒性較大、腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)，因此這類導(dǎo)電高聚物的使用價(jià)值還有待于進(jìn)一步研究和開發(fā)。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)而言，它不僅工藝簡單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的導(dǎo)

5、電填料的種類很多，常用的可分為金屬系和炭系兩大類。用金屬類填料研發(fā)的導(dǎo)電高聚物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能外，通常用于導(dǎo)電性能要</p><p>　　本項(xiàng)目以不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電聚合物體系為研究對(duì)象，研究該材料在不同應(yīng)變率下載荷-電阻效應(yīng)。</p><p>　　3　研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題</p><p>　　3.1 研究的基本內(nèi)容</p>

6、<p>　　鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；</p><p>　　不同纖維含量、不同碳納米管含量復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下電阻變化規(guī)律；</p><p>　　3.2 擬解決的主要問題</p><p>　　不同鋼纖維、碳納米管含量對(duì)鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系電阻變化規(guī)律；</p><p>

7、　　應(yīng)變率對(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料電阻影響規(guī)律。</p><p>　　4 研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)測試導(dǎo)電復(fù)合材料在載荷作用下電阻變化，記錄數(shù)據(jù)，通過分析得出變化規(guī)律，并討論分析變化規(guī)律。</p><p>　　MTS試驗(yàn)機(jī)上測試不同填料含量高聚物材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；</p><p>　　用高阻計(jì)測試材料載荷作用下電阻變化；&

8、lt;/p><p>　　在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同應(yīng)變率下不銹鋼纖維/聚酰胺復(fù)合材料導(dǎo)電性變化測定</p><p>　　5　研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　?。?）2010年11月-12 月 對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀，作文獻(xiàn)綜述。</p><p>　?。?）2011年 1 月 -2 月 對(duì)論文進(jìn)行翻譯理解，熟讀文獻(xiàn)。</p><

9、;p>　?。?）2010年 3 月-4月就“導(dǎo)電復(fù)合材料的不同應(yīng)變率下電阻隨 載荷變化”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　（4）2010年4月 -5月 實(shí)驗(yàn)總結(jié)，撰寫畢業(yè)論文。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Ishigure Y., Iijima S.,

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12、t;<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　工程力學(xué)</b></p><p>　　應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響</p><p><b>　　1　緒論</b></p><p>　　本文主要講述在文獻(xiàn)閱讀過程中摘錄的對(duì)本課

13、題的理論指導(dǎo)內(nèi)容，以及相關(guān)理論的發(fā)展階段。本文通過對(duì)不同材料對(duì)導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和不同纖維含量、不同碳納米管含量復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下電阻變化規(guī)律兩個(gè)方面，進(jìn)行相關(guān)的材料引述，豐富課題的研究內(nèi)容。</p><p>　　2 不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　2.1 不銹鋼纖維所屬導(dǎo)電纖維高聚物體系導(dǎo)電規(guī)律<

14、;/p><p>　　不銹鋼纖維纖維類導(dǎo)電高聚物體系導(dǎo)電規(guī)律如正交及單向CFRP 復(fù)合材料[1]在靜態(tài)拉伸載荷作用下,其電阻變化率隨著應(yīng)變增加表現(xiàn)為3個(gè)階段: 較為迅速增加的線性階段、非線性平緩階段和階梯狀迅速增加階段 ,其實(shí)質(zhì)反映了材料內(nèi)部纖維在不斷增加的應(yīng)力作用下逐步伸長、變形和斷裂的過程 ,因此可以在結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)中作為傳感材料用于結(jié)構(gòu)完整性的自診斷和自監(jiān)測;在較小應(yīng)力幅值(24%)的交變載荷作用下,2 種材料的電

15、阻變化率都表現(xiàn)出明顯的電阻應(yīng)變特性和一定的可逆性 ,單向CFRP復(fù)合材料的電阻變化率較正交CFRP復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變更敏感。</p><p>　　導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電行為具有非連續(xù)性。Xue[2]等采用氣相沉積聚合方法制備了聚吡咯/聚已內(nèi)酰胺纖維，并對(duì)纖維在內(nèi)軸拉伸情況先電阻魚應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該纖維電阻在單軸拉伸過程中電阻出現(xiàn)線性增大；萬煒濤[3]曾對(duì)單軸拉伸對(duì)碳黑/聚已內(nèi)酰胺纖維電阻進(jìn)行了研究。</p

16、><p>　　導(dǎo)電粒子填充的纖維材料在拉力的作用下將發(fā)生彈性形變，電阻隨拉伸聽便增大為增大，在某一臨界應(yīng)變下，電阻呈現(xiàn)非線性增大，這一現(xiàn)象稱為電阻“正效拉力系數(shù)”效應(yīng)[4]。</p><p>　　1.2 碳納米管復(fù)合物導(dǎo)電體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　碳納米管復(fù)合物導(dǎo)電體系的相關(guān)研究是：自20世紀(jì)90 年代Iijima[5]發(fā)現(xiàn)碳納米管(Carb

17、on nanotubes, CNTs) 以來, 由于其獨(dú)特的力學(xué)性能、電學(xué)性能和極高的縱橫比, 使CNTs在納米電子器件、催化劑載體、電極材料、儲(chǔ)氫材料等方面的應(yīng)用取得了引人注目的進(jìn)展[6~8] .迄今, CNTs 填充高分子復(fù)合材料的研究主要集中在力學(xué)增強(qiáng)以及光學(xué)性能的改進(jìn)方面. 其制備方法主要是溶液法 和原位聚合方法 . 但尚存在工藝復(fù)雜且溶劑使用及殘留、成本高及產(chǎn)量低等問題. CNTs 填充高分子復(fù)合體系導(dǎo)電特性的研究尚不多見,

18、特別是 CNTs/ 高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合材料的導(dǎo)電性的研究尚未見報(bào)道.[9]</p><p>　　理想的碳納米管可認(rèn)為是由六角網(wǎng)格狀石墨片層卷曲而成的無縫同心圓柱。按石墨層數(shù)目的不同, 碳納米管可分為多壁碳納米管（MWNT）和單壁碳納米管（SWNT）。碳納米管具有管徑小、長徑比大的特點(diǎn),被視為準(zhǔn)一維材料。[10]</p><p>　　碳納米管的形變可帶來電導(dǎo)值的變化。Tombler

19、等[11]發(fā)現(xiàn) SWNT的電導(dǎo)率可因形變而產(chǎn)2個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。緊束縛計(jì)算法（thetight-bindingcalculation）表明在局部彎曲時(shí),扶手椅式 SWNT的原子發(fā)生sp²到sp³的變化，電導(dǎo)值隨之降低不過Paulson等[12]發(fā)現(xiàn)MWNT的電阻值沒有隨形變而變化。經(jīng)Liu等[13]細(xì)致研究,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性 CNT（n - m =3 p）形變后電子能帶產(chǎn)生一定的能隙,從而變成半導(dǎo)體;除非施力情況特殊 ,才會(huì)

20、保持導(dǎo)電性。而半導(dǎo)體性質(zhì)的CNT形變后電子能隙保持 ,不會(huì)變得具有導(dǎo)電性。</p><p>　　1.3 聚酰胺類復(fù)合物導(dǎo)電體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　聚酰胺類高聚物導(dǎo)電復(fù)合物導(dǎo)電規(guī)律如聚乙烯石墨半導(dǎo)體復(fù)合物(HD PE/GP)在軸向壓力下的壓阻特性[14]。結(jié)果表明, 這種復(fù)合物的導(dǎo)電性有較顯著的壓力依賴性。在低壓力范圍內(nèi)電阻隨壓力增加而降低, 在較高壓力下則隨壓

21、力增大而升高,呈現(xiàn)出所謂的“電阻負(fù)壓力系數(shù)(NPCR)”和“正壓力系數(shù)(PPCR)”效應(yīng)。電阻的壓力依賴性, 以及在恒壓力作用下表現(xiàn)出來的“電阻蠕變”行為, 被認(rèn)為與導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下的破壞與重組有關(guān)。</p><p>　　2 材料不同含量下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究</p><p>　　2.1 單軸壓阻行為的產(chǎn)生源于材料受外力變形而導(dǎo)致的滲流網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)變化,且這種變化強(qiáng)烈依賴于填料含量&

22、lt;/p><p>　　當(dāng)填料含量較低時(shí)(滲流閾值附近), 體系電阻率隨壓力升 而表現(xiàn)為電阻正壓力系數(shù)行為;當(dāng)填料含量較高時(shí), 體系電阻率隨壓力升高顯現(xiàn)電阻負(fù)壓力系數(shù)效應(yīng).完全卸載的零壓力下, 電阻基線隨壓縮循環(huán)隨循環(huán)次數(shù)增大而發(fā)生漂移, 這種漂移與軸向殘余壓縮應(yīng)變有關(guān),可以通過增加循環(huán)次數(shù)來加以穩(wěn)定.交聯(lián)可以減小殘余壓縮應(yīng)變, 并抑制 填充復(fù)合體系電阻基線的漂移[15]. </p><p>

23、　　2.2 研究了聚乙烯石墨半導(dǎo)體復(fù)合物(HD PE GP ) 在軸向壓 力下的壓阻特性</p><p>　　結(jié)果表明, 這種復(fù)合物的導(dǎo)電性有較顯著的壓力依賴性。在低壓力范圍內(nèi)電阻隨壓力增加而降低, 在較高壓力 下則隨壓力增大而升高, 呈現(xiàn)出所謂的“電阻負(fù)壓力系數(shù)(NPCR)”和“正壓力系數(shù)(PPCR)”效應(yīng)。電阻的壓力依賴性,以及在恒壓力作用下表現(xiàn)出來的“電阻蠕變”行為, 被認(rèn)為與導(dǎo)電粒子網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下的破

24、壞與重組有關(guān)。</p><p>　　宋義虎等[16]研究了高密度聚乙烯（HDPE)基導(dǎo)電復(fù)合材料在首次單軸壓縮過程中的電阻壓力（應(yīng)變）關(guān)系 ,發(fā)現(xiàn)在某一壓力以下 ,電阻隨壓力增大而降低 ,這被稱作“負(fù)壓力系數(shù)效應(yīng)”（negative pressure coefficient , NPC）;而當(dāng)壓力高于該臨界值時(shí),電阻反隨壓力增大而升高 ,這被稱為“正壓力系數(shù)效應(yīng)”（positive pressure coeffi

25、cient , PPC) 。NPC現(xiàn)象可能源于聚集體間隙減小及導(dǎo)電粒子互相接近造成的附加導(dǎo)電通路,而PPC現(xiàn)象則是因?yàn)榛w大分子的橫向滑移以及基體與導(dǎo)電粒子鍵接破壞所導(dǎo)致的臨時(shí)性導(dǎo)電鏈沿軸向的損傷。滲流網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下的破壞和重組同時(shí)存在 ,相互競爭;隨著這一競爭 ,材料的電阻變化可能出現(xiàn)相反趨勢并在一定壓力下達(dá)到最低值[16]。兩種效應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱以及從NPC 向PPC效應(yīng)轉(zhuǎn)變的臨界壓力均與導(dǎo)電粒子含量有關(guān)。</p>&l

26、t;p>　　2.3 由于拉伸和壓縮而產(chǎn)生的材料滲流網(wǎng)絡(luò)魚RAM問題：</p><p><b>　　2.3.1 拉伸</b></p><p>　　Voet 等[17]在研究CB填充丁苯橡膠的拉伸時(shí)發(fā)現(xiàn),由于CB暫態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞,導(dǎo)電橡膠的軸向電阻率首先隨拉伸而出現(xiàn)小的增大;此后,由于永久性碳鏈沿應(yīng)力方向排列取向, 電阻率在較大應(yīng)變范圍內(nèi)下降直至最低點(diǎn);當(dāng)外力超過

27、CB與彈性體之間的相互作用力后,可以打破永久碳鏈的取向,導(dǎo)致電阻率顯著增大。Kost 等證實(shí)了拉伸對(duì)CB填充硅橡膠的電阻率有影響。這種影響隨著 CB 濃度向滲流閾值逼近而愈加顯著 , 同時(shí)還隨應(yīng)變速率增大而增強(qiáng)。由此認(rèn)為,導(dǎo)電橡膠在拉伸下的電阻率變化取決于導(dǎo)電粒子簇的暫態(tài)分布，我們約定平行于外力作用方向?yàn)檩S向,垂直于外力作用方向?yàn)闄M向;如無特別說明, 電阻率均為沿軸向方向所測得（下同）。</p><p>　　2.

28、3.2 壓縮</p><p>　　Pramanik[18]研究CB填充丁腈橡膠的導(dǎo)電行為,發(fā)現(xiàn)電阻率隨壓力增大顯著下降,但在某一臨界壓力（0.4kg·cm-²）電阻率僅有輕微下降并逐漸趨于恒定。對(duì)于不同填料含量的復(fù)合物 ,該臨界壓力相差不大。</p><p>　　Chelidze 等[19]發(fā)現(xiàn) ,對(duì)滲流閾值以下濃度的體系進(jìn)行壓縮可使導(dǎo)電行為進(jìn)入滲流區(qū)域,這一現(xiàn)象被

29、稱為壓致滲流轉(zhuǎn)變（pres sureinduced percolation transition ,PIPT）。Chelidze從導(dǎo)電顆?；?qū)щ姶刂g相互接觸的破壞重組的競爭過程解釋了PIPT 與通常意義上的滲流行為（臨界指數(shù)為2）的區(qū)別,認(rèn)為滲流閾值附近的初始無限大導(dǎo)電簇易在外壓下發(fā)生重排而破壞 ,使得隧道間隙減小及導(dǎo)電路徑增加對(duì)電阻的貢獻(xiàn)被網(wǎng)絡(luò)破壞部分抵消,從而使PIPT的臨界指數(shù)僅為0.38 左右[16]。</p>

30、<p><b>　　3 結(jié)語</b></p><p>　　本文緊密結(jié)合不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電高聚物體系在載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和材料不同含量下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究兩大主旨內(nèi)容，對(duì)他們各自的特點(diǎn)和相關(guān)研究的進(jìn)展進(jìn)行了簡要的論述，為課題的研究提供了有力的了理論依據(jù)和材料論證。為課題的進(jìn)一步深入，奠定了了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　

31、　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　蘇小萍，晏石林，胡高平. 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的電阻應(yīng)變特性[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(12):27-12. </p><p>　　P.Xue,X.M.TAO,Electromechanical behaviour of fibers coated with an electrically conductive polyme

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39、T , Gueguen Y. [J] .J Phys D Appl Phys , 1998 ,31 : 2877～2885.</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　應(yīng)變率對(duì)聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的影響</p><p&

40、gt;<b>　　摘　要</b></p><p>　　【摘要】聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料不僅具有導(dǎo)電功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。共混/填充高聚物復(fù)合材料是高分子材料的研究熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目以不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電聚合物體系為研究對(duì)象，研究該材料在不同加載速率下電阻變化規(guī)律，即研究該體系高聚物電阻隨壓力變化的率效應(yīng)。結(jié)果表明：隨著載荷的提高，

41、變形相應(yīng)增加，壓縮模量超出后所需應(yīng)力更大；在低應(yīng)變時(shí)，復(fù)合材料的電阻隨應(yīng)變的增加而降低，而在高應(yīng)變時(shí)則隨應(yīng)變的增大而升高，分別呈現(xiàn)出所謂的“電阻負(fù)壓力系數(shù)”和“電阻正壓力系數(shù)”效應(yīng)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】導(dǎo)電聚合物；應(yīng)變率；載荷-電阻效應(yīng)；不銹鋼纖維；碳納米管。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

42、　【ABSTRACT】Conductive polymer-based composite material not only has the function of conductivity, possess the characteristics of the polymer materials,but also has the ability of adjusting the electrical and mechanical p

43、roperties of materials in a wide range. Blending polymer and filled composite have been becoming hot research in polymer field. The results show that: The strain increases with the increasing of stress ; At low strain st

44、age, the resistance of the composite decreases with the incre</p><p>　　【KEYWORDS】Conductive polymer; Strain rate; load-resistance effect; Stainless steel fiber; Carbon nanotubes.</p><p><b>

45、;　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要10</b></p><p>　　Abstract10</p><p><b>　　目　錄11</b></p><p><b>　　1 引言13</b></p><p>　　1.

46、1 導(dǎo)電高聚物復(fù)合材料的研究背景與制備方法13</p><p>　　1.2 納米材料簡介14</p><p>　　1.3 碳納米管填料15</p><p>　　1.4 本論文研究的內(nèi)容與意義16</p><p><b>　　2 實(shí)驗(yàn)部分16</b></p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料和

47、儀器設(shè)備16</p><p>　　2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料16</p><p>　　2.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器及用途16</p><p>　　2.2 靜載荷作用下復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系17</p><p>　　2.3 電阻、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)17</p><p>　　2.3.1 應(yīng)變率為10-2時(shí)，電阻、應(yīng)力與應(yīng)

48、變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)17</p><p>　　2.3.2 應(yīng)變率為10-3時(shí)，電阻、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)17</p><p>　　3 結(jié)果研究與分析17</p><p>　　3.1 應(yīng)變率為10-2、10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析18</p><p>　　3.1.1 應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析18</p>

49、<p>　　3.1.2 應(yīng)變率為10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析24</p><p>　　3.1.3 應(yīng)變率為10-2、10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)比28</p><p>　　3.2 應(yīng)變對(duì)材料的導(dǎo)電性能的影響30</p><p>　　3.2.1 導(dǎo)電復(fù)合材料的載荷-電阻效應(yīng)30</p><p>　　3.2.2 應(yīng)變率對(duì)材料導(dǎo)

50、電性能的影響40</p><p>　　4 結(jié)論和展望43</p><p><b>　　4.1 結(jié)論43</b></p><p><b>　　4.2 展望43</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p>　　致謝錯(cuò)

51、誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　導(dǎo)電高聚物復(fù)合材料的研究背景與制備方法</p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是電子工業(yè)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)具有導(dǎo)電性能的高分子材料的需求也與日俱增。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方

52、法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)而言，它不僅工藝簡單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。</p><p>　　作為一種新興的功能材料，聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料不僅具有導(dǎo)電功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的電學(xué)和力學(xué)性能。目前所研制的導(dǎo)電高聚物大體上可以分為兩類，即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高聚物和復(fù)合型導(dǎo)電高聚物。結(jié)構(gòu)型高分子

53、導(dǎo)電材料是指高分子本身的結(jié)構(gòu)或經(jīng)過摻雜處理后而具有導(dǎo)電功能的材料。由于大分子鏈中的共軛鍵可提供導(dǎo)電載流子，所以其自身就具有導(dǎo)電性。由于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物分子本身剛性較大、摻雜劑多數(shù)是毒性較大、腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)，因此這類導(dǎo)電高聚物的使用價(jià)值還有待于進(jìn)一步研究和開發(fā)。復(fù)合型導(dǎo)電聚合物，即導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料，是指以通用聚合物為基體, 通過加入各種導(dǎo)電性物質(zhì)，并采用物理化學(xué)方法復(fù)合后而得到的既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。相對(duì)

54、而言，它不僅工藝簡單，而且成本較低，應(yīng)用也更為廣泛。因此，復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的研究與應(yīng)用發(fā)展較快。復(fù)合型導(dǎo)電高聚物的導(dǎo)電填料的種類很多，常用的可分為金屬系和炭系兩大類。用金屬類填料研發(fā)的導(dǎo)電高聚物具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能外，通常用于導(dǎo)電性能要求特別高的場所如電磁波屏蔽等。</p><p>　　其工作原理主要有： </p><p>　　1.作為導(dǎo)電材料方面：在復(fù)合型導(dǎo)電高聚物中，當(dāng)填充粒子達(dá)到一定濃

55、度時(shí)，體系的電導(dǎo)率發(fā)生突變，稱為逾滲現(xiàn)象。即導(dǎo)電填料濃度較低時(shí)，復(fù)合材料的電阻率接近于基體的水平；當(dāng)填料濃度增加到滲流閾值時(shí)，電阻率往往在極窄的濃度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)的下降，呈現(xiàn)所謂的“滲流轉(zhuǎn)變”(percolation transition)[1]。在滲流閾值以上,電阻率則主要取決于導(dǎo)電相的結(jié)構(gòu)與堆砌方式。一般認(rèn)為導(dǎo)電填料在滲流閾值附近開始形成貫穿于絕緣基體的滲流網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2.滲流網(wǎng)絡(luò)的

56、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)取決于導(dǎo)電粒子本身的特性，如形狀、尺寸、粒度、表面性質(zhì)及暫態(tài)結(jié)構(gòu)(transient structure)[2]等。另一方面,基體的粘彈性則使導(dǎo)電行為在外場（如機(jī)械外力、溶劑、電場、磁場或超聲場）作用下呈現(xiàn)溫度與時(shí)間依賴性。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與基體隨外界刺激作出的響應(yīng)共同決定體系的導(dǎo)電行為。Kirkpatrick、Zallen等人利用高聚物網(wǎng)絡(luò)與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的相似性，借用凝膠理論描述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成,設(shè)想在填料超過臨界濃度之后，導(dǎo)電粒子構(gòu)成的

57、聚集體展開后就像無規(guī)鏈一樣偶聯(lián)著，如球狀粒子只有體積分?jǐn)?shù)達(dá)到16%以上時(shí)，才會(huì)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論，用于粒子填充高聚物的電導(dǎo)率。Sumita提出了逾滲現(xiàn)象的熱力學(xué)模型，認(rèn)為隨著基材類型變化，粒子臨界體積分?jǐn)?shù)也要發(fā)生改變。Wessling提出了“動(dòng)態(tài)界面模型”這一新概念，與Sumita一樣，把粒子和基體的表面張力作為影響逾滲網(wǎng)絡(luò)的首要因素，這個(gè)模型采用了非平衡態(tài)熱力學(xué)的概念，將逾滲現(xiàn)象形象化。但Wessling的假設(shè)條件

58、過多，與實(shí)際不甚相符。由于影響逾滲現(xiàn)象的因素很多，解釋的各種理論都有局限性。</p><p>　　3.力敏復(fù)合材料：在單軸壓力作用下，高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻具有明顯的壓力依賴性，呈現(xiàn)壓阻(piezoresistivity)行為。電阻(R)對(duì)外界應(yīng)力(s)刺激的響應(yīng)比較復(fù)雜，根據(jù)R-s關(guān)系，可分為兩種類型，即電阻負(fù)壓力系數(shù)(negative pressure coefficient of resistance,

59、NPCR)效應(yīng)和電阻正壓力系數(shù)(positive pressure coefficient of resistance, PPCR)效應(yīng)[3]。當(dāng)基體模量較低時(shí)，s可導(dǎo)致復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變宏觀力學(xué)性能與導(dǎo)電性能。這些特性在接觸控制開關(guān)、應(yīng)力(壓力)傳感器、機(jī)器手等方面獲得了成功應(yīng)用。</p><p><b>　　納米材料簡介</b></p><p>　

60、　從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。其由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)

61、和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同[4]。</p><p>　　納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子[5]。 </

62、p><p>　　納米復(fù)合材料包括納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)、納米微粒與常規(guī)塊狀復(fù)合(0-3復(fù)合)、納米顆粒與薄膜復(fù)合(0-2復(fù)合)、不同材質(zhì)納米薄膜層狀復(fù)合(2-2復(fù)合)等。通過物理或化學(xué)方法將納米微粒填充在介孔固體(如氣凝膠材料)的納米孔洞中，這種介孔復(fù)合材料也是納米復(fù)合材料[6]。納米復(fù)合材料可以利用己知的納米材料奇特的物理、化學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的綜合性能，可用于航空、航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各

63、個(gè)領(lǐng)域，納米復(fù)合材料被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的新材料” 。</p><p><b>　　碳納米管填料</b></p><p>　　聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的綜合性能與組分的類型及性質(zhì)緊密相關(guān)。隨著導(dǎo)電填料在高分子基體中的加入，復(fù)合材料的電導(dǎo)率在一定導(dǎo)電填料濃度范圍內(nèi)的變化是不連續(xù)的。當(dāng)導(dǎo)電填料達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)電粒子在聚合物基體中的分散狀態(tài)發(fā)生了突變，即在基體中形成了導(dǎo)電滲濾網(wǎng)絡(luò)

64、，此時(shí)復(fù)合材料的電阻率會(huì)發(fā)生突變[7]。發(fā)生此臨界轉(zhuǎn)變所需的最小導(dǎo)電填料的體積分?jǐn)?shù)稱為滲濾閾值。導(dǎo)電復(fù)合材料的滲濾閾值的大小不僅與導(dǎo)電填料在聚合物基體中的分散狀況和聚合物基體性質(zhì)有關(guān)，而且還與導(dǎo)電填料的幾何形狀有關(guān)。因此，導(dǎo)電填料的種類是決定復(fù)合材料導(dǎo)電性能、力學(xué)性能及其它性能的一個(gè)關(guān)鍵性因素。導(dǎo)電填料的種類很多，常用的可分為碳系和金屬系兩大類。碳系的導(dǎo)電填料主要包括碳黑、石墨和碳纖維等；金屬系的填料主要有鉛、銅、鎳、鐵等金屬粉末、金屬

65、片、和金屬纖維等。金屬粉末含量一般在50％左右時(shí)，才會(huì)使材料電阻率達(dá)到導(dǎo)電復(fù)合材料的要求，這必然使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。另外由于金屬的密度遠(yuǎn)大于非金屬的密度，因此在復(fù)合材料的成型過程中容易出現(xiàn)分層或不均勻現(xiàn)象，影響材料性能穩(wěn)定性。與金屬系導(dǎo)電填料相比，碳系導(dǎo)電填料表現(xiàn)出其顯著的優(yōu)勢。</p><p>　　理想的碳納米管可認(rèn)為是由六角網(wǎng)格狀石墨片層卷曲而成的無縫同心圓柱。按石墨層數(shù)目的不同,碳納米管可分為多壁碳納

66、米管( MWNT)和單壁碳納米管( SWNT)。碳納米管具有管徑小、長徑比大的特點(diǎn),被視為準(zhǔn)一維材料。SWNT直徑分布較小，一般只有幾個(gè)納米。由于范德華力作用，SWNT大多以集結(jié)成束的形態(tài)存在，每束含幾十到幾百根SWNT，束的直徑約幾十個(gè)納米。MWNT內(nèi)徑與普通SWNT的直徑相當(dāng)，外徑隨管壁層數(shù)的變化一般為幾個(gè)到幾十個(gè)納米，各層間距為0.34nm。碳納米管的軸向長度為微米至厘米量級(jí)。用長徑比( aspect ratio)來表示CNT的大

67、小,其值在103量級(jí)或者更大。碳納米管的另一個(gè)特征是它的手性，可用特征矢量Ch= na + mb來描述[8]。Ch是在平鋪的六角網(wǎng)格狀石墨晶片上，連接碳納米管上兩個(gè)等價(jià)碳原子的向量。a與b是石墨平面的結(jié)構(gòu)矢量。參數(shù)n，m皆為整數(shù)。手性角θ是矢量Ch與a的夾角。</p><p>　　碳納米管的形變可帶來電導(dǎo)值的變化。Tombler等發(fā)現(xiàn)SWNT的電導(dǎo)率可因形變而產(chǎn)生2個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。緊束縛計(jì)算法(the tight

68、-binding calculation)表明在局部彎曲時(shí),扶手椅式SWNT的原子發(fā)生sp2到sp3的變化，電導(dǎo)值隨之降低。不過Paulson等發(fā)現(xiàn)MWNT的電阻值沒有隨形變而變化。經(jīng)Liu等細(xì)致研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性CNT( n- m= 3p )形變后電子能帶產(chǎn)生一定的能隙，從而變成半導(dǎo)體；除非施力情況特殊，才會(huì)保持導(dǎo)電性。而半導(dǎo)體性質(zhì)的CNT形變后電子能隙保持，不會(huì)變得具有導(dǎo)電性。</p><p>　　碳納米管是一

69、種徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)的層狀中空結(jié)構(gòu)特征的碳材料?？梢院唵蔚匕烟技{米管看成是單層或多層的石墨片卷曲成的細(xì)長圓柱體。碳納米管具有高模量、高強(qiáng)度，被認(rèn)為是理想的聚合物增強(qiáng)材料。碳納米管導(dǎo)電性能類似石墨，長徑比大的特點(diǎn)使它易于形成導(dǎo)電網(wǎng)鏈，導(dǎo)電效率是石墨的20倍左右[9]，很適合作為導(dǎo)電填料。同時(shí)，碳納米管有著較高的導(dǎo)熱系數(shù)，滿足導(dǎo)熱散熱的要求。綜合碳納米管的性能特點(diǎn)，大量的研究證明，將其應(yīng)用于導(dǎo)靜電涂料領(lǐng)域，可使傳統(tǒng)涂層的

70、導(dǎo)靜電性能和防腐性能得到提升，更高效、更環(huán)保。</p><p>　　本論文研究的內(nèi)容與意義</p><p>　　本論文中主要以尼龍6為基體，不銹鋼纖維和碳納米管為填料，其中不銹鋼纖維的含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，碳納米管含量分別為0%，1%，3% 。共計(jì)對(duì)19種試樣進(jìn)行壓阻實(shí)驗(yàn)。本文將通過實(shí)驗(yàn)測定每組試樣應(yīng)變率分別在10-2 、10-3 時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系及電

71、阻率與應(yīng)變之間的關(guān)系。并據(jù)此分析導(dǎo)電高聚物的力學(xué)及導(dǎo)電性能。由于在此填充含量下的碳納米管導(dǎo)電高聚物以往研究較少，所以希望通過本文的實(shí)驗(yàn)和分析，能為測試載荷-電阻曲線并研究其壓阻效應(yīng)提供基礎(chǔ)性研究。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備</b></p><p><

72、b>　　實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)所用PA6（尼龍6）粒料為南京德爾隆公司生產(chǎn)。SSF（不銹鋼纖維）粒料為湖南惠同新材料股份有限公司生產(chǎn)，SSF直徑12μm，母粒長度5mm，母粒直徑3mm。工業(yè)級(jí)多壁CNT為中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司提供，由化學(xué)氣相沉淀法（CVD）生成，純度大于85%，外徑20～40nm，長度10～30μm，導(dǎo)電率大于100s/cm。</p>&

73、lt;p>　　由于在高分子材料中加入填料等于加入雜質(zhì)和缺陷，有引發(fā)裂紋和加速破壞的副作用，因此對(duì)填料表面進(jìn)行恰當(dāng)處理，加強(qiáng)它與高分子基體的親合性，同時(shí)防止填料結(jié)團(tuán)，促進(jìn)填料均勻分散，始終是粉狀填料增強(qiáng)改性中人們關(guān)心的焦點(diǎn)。</p><p>　　這些除與填料本身性質(zhì)有關(guān)外，改性工藝、條件、設(shè)備等也都起重要作用。</p><p>　　將上述原料熔融共混，注塑成型，由北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料

74、與納米技術(shù)系制造。</p><p><b>　　主要實(shí)驗(yàn)儀器及用途</b></p><p>　　ZC36型高絕緣電阻測量儀：用于測量電阻值大于106Ω時(shí)試樣的電阻；</p><p>　　VC-62數(shù)字型萬用電表：用于測量小于106Ω時(shí)試樣的電阻；</p><p>　　810MTS實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由Hydraulic Power

75、 Unit，647 Hydraulic Wedge Grip，System Electronics三部分組成，用于做靜態(tài)力學(xué)性能測試。</p><p>　　靜載荷作用下復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)使用810 Material Test System （動(dòng)靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)，簡稱MTS）來進(jìn)行材料靜力學(xué)性能測試。MTS由Hydraulic Power Unit(動(dòng)力裝置)，

76、647 Hydraulic Wedge Grip（加載裝置）和System Electronics(數(shù)據(jù)采集裝置)三部分組成。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為10-2，10-3，在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，記錄材料應(yīng)變，壓力、位移和時(shí)間。畫出不同填料含量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)對(duì)銹鋼纖維的含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，以碳納米填料的含量分別為0%，1%，3% ，共計(jì)對(duì)19種試樣

77、進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　電阻與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)</p><p>　　應(yīng)變率為10-2時(shí)電阻與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)</p><p>　　MTS上下兩個(gè)壓頭之間絕緣，故本實(shí)驗(yàn)將上下兩個(gè)壓頭各接導(dǎo)線連至電阻測量裝置（高阻計(jì)或電阻計(jì)），復(fù)合材料在進(jìn)行電阻測試之前，試樣兩側(cè)均勻涂抹導(dǎo)電銀膠，有助于增加試樣與壓頭之間的接觸，減少因初始條件下因接觸不良導(dǎo)致的誤差。</

78、p><p>　　本實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為10-2，應(yīng)變?yōu)?0%，壓縮位移為2.7mm。測試時(shí)間90s，記錄點(diǎn)5s每點(diǎn)，共計(jì)19點(diǎn)。人工記錄內(nèi)容為時(shí)間及即時(shí)電阻，MTS記錄內(nèi)容為即時(shí)應(yīng)變，壓力和位移。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)對(duì)銹鋼纖維的含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，以碳納米填料的含量分別為0%，1%，3% ，共計(jì)對(duì)19種試樣進(jìn)行了壓阻實(shí)驗(yàn)。</p><p>

79、;　　應(yīng)變率為10-3時(shí)電阻與應(yīng)變的關(guān)系實(shí)驗(yàn)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)與2.3.1實(shí)驗(yàn)使用儀器相同。應(yīng)變率為10-3，應(yīng)變?yōu)?6.7%，壓縮位移2mm。測試時(shí)間為670s，記錄點(diǎn)10s每點(diǎn)，共計(jì)68點(diǎn)。人工記錄內(nèi)容為時(shí)間及即時(shí)電阻，MTS記錄內(nèi)容為即時(shí)應(yīng)變，壓力和位移。</p><p><b>　　結(jié)果研究與分析</b></p><p>　　

80、將實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由公式（其中為電阻率，R為電阻，A為截面面積，L為厚度）將所測得的電阻都換算為電阻率，對(duì)電阻率取對(duì)數(shù)，然后使用origin作圖，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。</p><p>　　應(yīng)變率為10-2、10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中儀器記錄了壓力（kN）-位移（s）對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，處理時(shí)，先通過公式和（為小圓片面積，d為厚度）。實(shí)驗(yàn)對(duì)不銹鋼纖維（SSF）的

81、含量為0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%，以碳納米填料（CNT）的含量分別為0%，1%，3% ，共計(jì)19種試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的數(shù)據(jù)在以下分組進(jìn)行討論。</p><p>　　應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　圖3.1.1-3.1.3中給出了應(yīng)變率為10-2條件下應(yīng)力-應(yīng)變(-)關(guān)系，由-關(guān)系可知，整體的趨勢是隨著應(yīng)力增大變形量增加。在宏觀上，分段觀察，

82、初始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而較快增大，中間趨于平緩，末端又較快增大，且斜率高于初始階段。變化過程可由壓縮模量（又稱“彈性模量”、“楊氏模量”、“體積模量”，用K表示，單位N/m2）反映，它表示縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)，在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從胡克定律，即變形與受力成正比，公式表示為K=σ/ε[10]。壓縮模量是工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說壓縮模量是衡量物體抵抗壓縮變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之

83、間鍵合強(qiáng)度的反映。凡影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的壓縮模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等。壓縮模量可視為衡量材料產(chǎn)生壓縮變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定壓縮變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生壓縮變形越小。壓縮模量K是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位壓縮變形所需要的應(yīng)力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，相當(dāng)于普通彈簧中的剛度[9]。在圖3.1.1-3.1.</p>&

84、lt;p>　　圖3.1.1 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.2 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.3 CNT含量為3%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　如圖3.1.1-3.1.3中相同碳納米管填料含量，不同不銹鋼纖維含量的應(yīng)

85、力-應(yīng)變(-)圖中對(duì)比可知，碳纖維的含量越高，達(dá)到相應(yīng)的應(yīng)變所需應(yīng)力也越高。不銹鋼纖維導(dǎo)電復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)材料的一種，纖維增強(qiáng)材料是利用纖維的高強(qiáng)度、高模量、尺寸穩(wěn)定性和樹脂的低密度、強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)制備的一種復(fù)合材料。兩者取長補(bǔ)短，復(fù)合的同時(shí)既克服了纖維的脆性，也提高了樹脂基體的強(qiáng)度、剛性、耐蠕變和耐熱性。不銹鋼纖維的含量的提高使得材料的壓縮模量有了明顯的提高[11]。</p><p>　　不銹鋼纖維具有高強(qiáng)度可以

86、承受高應(yīng)力，樹脂基體容易發(fā)生粘彈變形和塑性流動(dòng)，它們與不銹鋼纖維粘結(jié)在一起可以傳遞應(yīng)力。材料受力時(shí)，同時(shí)相應(yīng)發(fā)生形變，首先由纖維承受應(yīng)力，個(gè)別纖維即使發(fā)生斷裂，由于樹脂的粘結(jié)作用和塑性流動(dòng)，斷纖維被拉開的趨勢得到抑制，斷纖維仍能承受應(yīng)力。樹脂與纖維的粘結(jié)還具有抑制裂紋傳播的效用。材料受力引發(fā)裂紋時(shí)，軟基體依靠切變作用能使裂紋不沿垂直應(yīng)力的方向發(fā)展，而發(fā)生偏斜，使斷裂功有很大一部分消耗于反抗基體對(duì)纖維的粘著力，阻止裂紋傳播。</p&

87、gt;<p>　　圖3.1.4 SSF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.5 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.6 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.7 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力

88、-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.8 SSF含量為10%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.9 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　如圖3.1.4-3.1.9中不同碳納米管填料含量，相同不銹鋼纖維含量的應(yīng)力-應(yīng)變(-)圖中對(duì)比可知，隨著CNT含量的升高，同SSF的試樣的第二拐點(diǎn)明

89、顯較無CNT的試樣滯后，但抗壓性能仍高于不含CNT的試樣。然而并非CNT越多對(duì)抗壓性能的提升越高，圖3.1.5-3.1.9表現(xiàn)為CNT含量1%的試樣同應(yīng)變所需應(yīng)力高于3%試樣。碳納米管填料作為活性粒子，吸附大分子，形成鏈間物理交聯(lián)，活性粒子起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，使得材料的整體力學(xué)性能有所提升。</p><p>　　應(yīng)變率為10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實(shí)驗(yàn)分析</p><p>　　圖3.1.10

90、 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.11 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.12 CNT含量為3%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　在圖3.1.10-3.1.12中觀察所有應(yīng)變率在10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，應(yīng)變初始階段所需應(yīng)力急

91、劇升高，中間上升趨于平緩。多數(shù)實(shí)驗(yàn)過程仍在壓縮模量的使用范圍之內(nèi)。這是由于其應(yīng)變?yōu)?6.7%，正處于K的臨界點(diǎn)附近。</p><p>　　由圖3.1.10-3.1.12得到，同CNT含量，隨著SSF含量的升高，同應(yīng)變所需應(yīng)力有明顯提升，即材料整體抗壓性能提升。第二拐點(diǎn)的隨著SSF含量的提高而提前。前段上升的斜率即壓縮模量也隨SSF含量的升高而升高。</p><p>　　圖3.1.13 S

92、SF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.14 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.15 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.16 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p

93、>　　圖3.1.17 SSF含量為10%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.1.18 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線</p><p>　　由圖3.1.13-3.1.18不同CNT含量的應(yīng)力-應(yīng)變圖可知：在8%SSF含量以下時(shí)，含有CNT的試樣全程抗壓性能高于不含CNT的試樣；在10%-12%SSF含量時(shí)，前段含有CNT的試樣

94、抗壓性能低于CNT含量為0的試樣，交點(diǎn)之后斜率高于CNT含量0%的試樣。在壓力作用下，SSF和CNT都會(huì)發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，受壓后復(fù)合材料體積收縮，CNT體積分?jǐn)?shù)增大，在后段CNT起到了主導(dǎo)作用。</p><p>　　應(yīng)變率為10-2、10-3下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)比</p><p>　　圖3.1.19 0-6,1-6,3-6三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較</p

95、><p>　　圖3.1.20 0-8，1-8，3-8三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較</p><p>　　圖3.1.21 0-10，1-10，3-10三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較</p><p>　　圖3.1.22 0-12，1-12，3-12三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響作比較&

96、lt;/p><p>　　分析：在圖3.1.19-3.1.22可以看出，將含有CNT填料的試樣進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)變率為10-2發(fā)生相同應(yīng)變所需應(yīng)力明顯大于應(yīng)變率為10-3的式樣；將不含有CNT填料的式樣進(jìn)行對(duì)比則結(jié)論相反。所有試樣總趨勢是隨著變形時(shí)的應(yīng)變率增加，每種填料試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率都增加，這就是高聚物材料的應(yīng)變率效應(yīng)。</p><p>　　應(yīng)變對(duì)材料的導(dǎo)電性能的影響</p>

97、<p>　　導(dǎo)電復(fù)合材料的載荷-電阻效應(yīng)</p><p>　　圖3.2.1 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.2 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.3 CNT含量為3%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p&

98、gt;　　圖3.2.4 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.5 CNT含量為1%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.6 CNT含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　從圖3.2.1-3.2.6應(yīng)變-電阻關(guān)系可以看出，隨著變形增加，材料的電阻總

99、體上是下降的，但是對(duì)于不同填料含量的材料下降程度不同，即變形對(duì)每種材料的電阻影響程度不同，還可以看出隨著不銹鋼纖維含量增加，材料的電阻顯著降低。與導(dǎo)電復(fù)合材料在溫度場作用下所呈現(xiàn)出的電阻正溫度系數(shù)(PTCR)效應(yīng)相似，我們將電阻在單軸壓力場作用下隨壓力增大而降低或升高的特征行為,分別稱為電阻的負(fù)壓力系數(shù)(Negative Pressure Coefficient of Resistance, NPCR)或電阻的正壓力系數(shù)(Positiv

100、e Pressure Coefficient of Resistance, PPCR)效應(yīng)[12][13]。由圖3.2.1-3.2.6可以明顯看出聚酰胺導(dǎo)電復(fù)合材料在壓縮的過程中存在NPCR 效應(yīng)。填料含量和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料在加載過程中的壓阻特性的主要因素之一。由于導(dǎo)電顆粒在聚合物基體中分布不均勻,沒有穩(wěn)定的導(dǎo)電鏈通道，因此初始電阻較大，而隨著載荷的增加，材料變形量增加，導(dǎo)電夾雜會(huì)互相接觸的幾率增加，能形成了穩(wěn)定的導(dǎo)電鏈

101、通道,因此材料的電阻會(huì)隨載荷增加而降低，因此</p><p>　　圖3.2.7 SSF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.8 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.9 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>

102、　　圖3.2.10 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.11 SSF含量為10%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.12 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-2時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.13 SSF含量為0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲

103、線</p><p>　　圖3.2.14 SSF含量為4%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.15 SSF含量為6%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.16 SSF含量為8%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.17 SSF含量為1

104、0%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　圖3.2.18 SSF含量為12%試樣應(yīng)變率為10-3時(shí)的電阻率-應(yīng)變曲線</p><p>　　從圖3.2.7-18應(yīng)變-電阻關(guān)系可以看出，隨著變形增加，材料的電阻總體上是下降的，但是對(duì)于不同填料含量的材料下降程度不同，即變形對(duì)每種材料的電阻影響程度也不同，還可以看出隨著CNT含量增加，材料的電阻也降低，但是有些含量時(shí)會(huì)稍

105、有不同。</p><p>　　應(yīng)變率對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響</p><p>　　圖3.2.19 0-6,1-6,3-6三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　圖3.2.20 0-8,1-8,3-8三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　圖3.2.21 0-10,1-10,

106、3-10三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　圖3.2.22 0-12,1-12,3-12三個(gè)試樣在10-2和10-3應(yīng)變率對(duì)電阻的影響作比較</p><p>　　分析：從圖3.2.19-3.2.22中可以看出，應(yīng)變率對(duì)變形過程中材料的電阻有明顯的影響?？傏厔菔请S著變形的增加，電阻急劇減小，后趨于平穩(wěn)，符合NPCR效應(yīng)。總體上應(yīng)變率為10-2試樣的同應(yīng)

107、變下所需載荷高于應(yīng)變率為10-3試樣，相同應(yīng)變時(shí)應(yīng)變率為10-2時(shí)材料的電阻率下降幅度比10-3小，即應(yīng)變率越大，電阻率降低趨勢越小；應(yīng)變率越小，電阻率下降得越多。</p><p>　　微觀原因是：在不銹鋼纖維/碳納米管/聚酰胺導(dǎo)電聚合物中，當(dāng)碳納米管達(dá)到一定含量時(shí)，碳納米管聚集相互形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完善程度與碳納米管的含量有關(guān)。此外，基體大分子間的相互纏結(jié)以及基體與填料之間的相互作用可以形成。</