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泡沫复合材料具有密度低,质轻,比强度高,吸收冲击载荷能力强、隔热性能好等优异性能,广泛应用于工业、家用电器、包装、交通运输、军事、航空航天和日常用品等领域。而其体积电阻率一般在1012~1017Ω·cm之间,所以长期以来都是作为一种优良的电绝缘材料使用,但随着现代科技的进步和发展,特别是电子工业、通信技术的飞速发展,对具有导电性能的泡沫复合材料的需求与日俱增。本研究结合导电泡沫复合材料优异的物理特性和导电性能,探索其在各种环境中功能复合材料体系结构与电性能的关系。
本文以低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)为基体,炭黑(CB)和碳纤维(CF)为导电填料,偶氮二甲酰胺(AC)为发泡剂,过氧化二异丙苯(DCP)为交联剂,采用熔融共混-模压发泡制备LDPE/EVA导电泡沫复合材料。研究了LDPE/EVA导电泡沫复合材料的导电行为,重点考察了电阻率对压力和温度的依赖性,同时还考察了LDPE/EVA基体配比、导电填料的含量、发泡剂的含量和交联剂的含量对导电泡沫复合材料电性能的影响。
对LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料的体积电阻率-导电填料质量分数关系的研究分析表明,导电泡沫复合材料呈现出典型的渗流导电行为。研究了LDPE/EVA基体配比、发泡剂含量和交联剂含量对LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料体系导电性能的影响。结果表明,当LDPE:EVA=70:30,AC=4%,DCP=1%时,制得的LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料具有较好的导电性能和良好的加工性能。
LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料电阻对压力具有较强的非线性响应。在低压力作用下,LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料呈现出明显的电阻负压力系数(NPC)效应,引用量子隧道导电机制可以很好地描述LDPE/EVA导电泡沫复合材料的压阻行为。
研究LDPE/EVA基体配比、发泡剂含量和交联剂含量对LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料压阻行为的影响。结果表明,当LDPE:EVA=70:30,CB=23%,DCP=1%时,体系表现出较强的NPC效应。LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料在加载-卸载压力过程中,材料具有明显的电阻滞后行为,滞后性与循环次数和炭黑质量分数密切相关,增加循环次数或炭黑质量分数都可以有效提高材料的压阻稳定性。此外,与高分子材料力学蠕变相似,在恒定压力作用下导电泡沫复合材料的电阻具有时间依赖性。
研究了LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料阻-温关系。结果表明,LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料具有明显的正温度系数(PTC)效应,且在渗流阈值附近,材料表现出较强的PTC效应。导电泡沫复合材料的PTC效应与基体配比、导电填料含量、发泡剂含量以及交联剂含量密切相关。由于高分子基体具有蠕变行为,LDPE/EVA/CB导电泡沫复合材料的PTC效应也具有时间依赖性。
炭黑和碳纤维两种不同类型的导电填料加入泡沫复合材料中,则该泡沫复合材料具有这两种导电填料的导电特性。碳纤维具有极高的长径比,可以提供远程导电网络结构,而炭黑粒子提供近程导电以及对相邻碳纤维的搭接作用。研究结果表明,当CB:CF=39:1时,体系具有较小的体积电阻率,更明显的压阻效应和PTC效应。