导热性介电弹性体的制备与介电性能的研究

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介电弹性体(DE)是一种通过麦克斯韦效应将电能直接转化为机械能的新型智能材料,广泛运用在驱动器,人造肌肉等领域。在聚合物中添加介电陶瓷来制备介电弹性体是一种常用的方法。介电弹性体材料用于驱动器,工作时会产生热量,但是单一的介电陶瓷/聚合物介电弹性体复合材料的导热系数低,散热效果差,并且热稳定性能差,严重影响介电弹性体材料的使用寿命和工作时长,并限制了其工作环境。所以在原有的介电陶瓷/聚合物介电弹性体复合材料中添加导热填料从而改善它的导热性能和热稳定性很有必要。本文旨在得到综合性能最优的导热性介电弹性体复合材料,并主要开展了以下几个方面的实验:1、采用共混与热压成型的方法制备SiC/PDMS复合材料,其中碳化硅(SiC)为复合材料的导热填料,硅橡胶(PDMS)为聚合物基体。对复合材料的结构、介电性能和热性能进行测试,实验结果表明:通过扫描电镜测试发现,Si C颗粒能均匀的分散在硅橡胶基体中。通过介电性能的测试发现,随着SiC含量的增加,复合材料的介电常数逐步增加,当碳化硅填充量添加至50 vol%时,复合材料介电常数达到最大值15.3(100 Hz下)。复合材料的介电损耗随着碳化硅含量的增加逐步上升,在碳化硅填料所占体积分数为50%时达到最大值0.056(100 Hz下)。SiC/PDMS复合材料具有一定的介电常数与较低的介电损耗(小于0.1)。并且SiC填料的加入可以提高聚合物的介电强度,当SiC的体积分数为30%时介电强度达到最大,此时的介电强度为48.41(MV?m-1)。对材料进行热性能测试发现,SiC填料的加入提高了复合材料的热导率,随着碳化硅填料的含量增加,复合材料的热导率逐步上升,这是因为碳化硅含量较低时导热通路形成较少,碳化硅含量较高时导热通路达到饱和所以热导率曲线均呈“S”型。在SiC/PDMS复合材料中,当碳化硅填料体积分数为50%时热导率为1.21(W/m?k)是纯硅橡胶的6倍。并且材料的玻璃化转变温度也随着碳化硅的添加逐步升高。2、以无机填料所占体积分数为50%为固定值,BT与SiC比值不同制备一系列BT/SiC/PDMS三相复合材料,并对复合材料的结构、介电性能和热性能进行测试,实验结果表明:通过扫描电镜测试发现,BT颗粒与Si C颗粒均匀的分散在硅橡胶基体中,并且两种颗粒之间构成了类似于级配效应的结构,使得复合材料结构更紧密,从而有利于提高材料的热性能。经过对材料介电性能与热性能的分析,发现填料成分为BT/SiC=35/15时材料综合性能最好。填料含量为BT/Si C=35/15时,复合材料在100 Hz频率下的介电常数为24.5介电损耗为0.033,介电强度为23.35(MV?m-1)是50 vol%BT复合材料的2.2倍。温度在70℃以下时,填料成分为BT/SiC=35/15的BT/SiC/PDMS复合材料的介电常数低于50 vol%BT的BT/PDMS复合材料,而当温度在70℃以上时,前者的介电常数高于后者,并且随着温度的升高此时复合材料的介电损耗非常稳定的保持在较低水平。3、采用共混与热成型的方法制备BT/SiC/PDMS介电弹性体复合材料,其中无机填料是以BT/SiC=7/3为定值的BT与SiC混合填料。当BT/SiC=7/3的混合填料的含量为15 vol%时的介电弹性体复合材料的综合性能最优。此时介电常数与介电损耗分别为7.1和0.026(100Hz),介电常数相比纯的硅橡胶(1.8)提高了近4倍并且介电损耗仍保持在较低水平,介电强度为32.67(MV?m-1)与纯PDMS相比提高了26%。在此组分下复合材料的热导率为0.34(W/m?k),是纯PDMS的1.5倍左右,并且热稳定性好,T5%为419.4℃。并且此时的弹性模量为1.31,敏感因子为5.5是纯PDMS(2.7)2倍左右。
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