热固性树脂基碳纤维导电复合材料的制备及其温度稳定性研究

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近年来,树脂基导电复合材料作为新兴的功能材料被广泛的研究。其不仅具有高分子材料易成型、耐腐蚀、轻质耐用等基本特性,也具有许多新的特性,如易调节的导电性和机械性能。碳纤维在具备优异力学性能的同时也具有良好的导电性,因此常被用于制备树脂基导电复合材料。对于碳纤维树脂基导电复合材料的研究,大多数研究仅限于导电功能相的影响,研究不够全面。本课题拟从非功能填料及树脂基体等因素入手,对碳纤维(SCF)导电复合材料的稳定性进行深入的研究。本论文的研究思路是通过引入非功能填料短切玻璃纤维(SGF)与短切碳纤维(SCF)形成混杂纤维。再将混杂纤维与热固性树脂基体复合制备导电复合材料。通过电阻率测试和伏安特性测试,从宏观角度分析其内部导电机理。并研究非功能填料和树脂基体等因素对热固性树脂基导电复合材料导电性和温度稳定性的影响。为制备具有高温度稳定性,宽温度使用范围的碳纤维树脂基导电复合材料奠定基础。经过研究,得出结论如下:(1)在固定SCF含量的前提下,制备了不同SGF含量的SCF-SGF/VER导电复合材料。测试结果发现,SGF的加入改善了SCF的分散性。在14.5wt%含量以内,SGF的加入能增加材料的导电性,改善电压与电流关系;而过量加入则会减弱导电性。温度稳定性测试表明,增加SGF的含量能减少导电复合材料在不同温度环境下电阻值的变化,增加其稳定性。在固定SCF和SGF含量的前提下,SGF长度的变化也会影响材料的导电性。SGF为粉末状时,对SCF分散效果改善不明显,材料的导电性一般。SGF长度大于或等于12mm时,长度的增加会增加纤维分散的难度,不利于导电网络的构建,减弱材料导电性。在等温环境下,增加SGF长度能改善材料的稳定性。但在变温环境下,SGF长度为3-6mm时,材料的稳定性最好。(2)在混杂纤维中SCF与SGF比例固定的前提下,制备了不同树脂基体含量的SCF-SGF/UPR导电复合材料。实验结果表明,减少树脂基体的含量能增加材料的导电性。不同树脂基体含量的材料虽在导电性上有差异,但仍表现出较好的欧姆特性和等温稳定性。在变温环境中,当温度在树脂基体的玻璃化转变温度(T_g)之前时,不同树脂基体含量的导电复合材料稳定性差异不大;而当温度超过树脂基体的T_g后,减少树脂基体的含量能增加材料的温度稳定性。在混杂纤维用量与树脂基体含量一致的前提下,在70℃等温环境中,不同种类树脂基体导电复合材料的稳定性差异较小,而在变温环境中,采用热力学性能较好的热固性树脂作为基体的导电复合材料具有更佳的稳定性。(3)通过对SGF含量和长度参数的探究发现,当SGF含量为27.3vol%时,SGF长度为3-6mm时,材料具有较好的综合性能。例如当SGF含量为27.3vol%,SGF长度为6mm时,相较于未添加SGF的导电复合材料,其电阻值减小了46%,并具有良好的伏安特性。并且材料在70℃的等温测试中电阻值最大变化为0.1%左右,在20-165℃的变温测试中电阻值最大变化为2.2%,并表现出良好的循环稳定性。通过对树脂基体含量和种类等因素的研究表明,在工艺条件允许的情况下,降低导电复合材料中树脂基体的含量,采用热力学性能更加优异的热固性树脂作为复合材料的基体能增加材料的导电稳定性,拓宽材料的使用温度范围。例如采用55.7wt%双酚E型氰酸酯(CE)制备的导电复合材料,其不仅具有良好的导电性和伏安特性,还具有极佳的温度稳定性。其在70℃等温测试过程中电阻值变化在0.1%以内,在30-165℃的变温测试过程中电阻值变化为1%左右。
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