硒掺杂对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能及机敏性的影响
发布时间：2021-07-13 06:58
以锗硒玻璃（GeSe4）作为硒源制备一维硒纳米纤维（SeF）,将其与碳纤维（CF）按一定体积比混杂,制备硒/碳共混环氧树脂（SeF/CF/EP）复合材料。测量SeF掺杂前后复合材料的体积电阻率变化,分析SeF/CF混杂比对材料导电机敏性的影响。结果表明,SeF掺杂前,碳纤维/环氧树脂复合材料（CF/EP）体积电阻率随纤维长度的增大而降低,随CF含量的增加呈阶段性减小趋势,2、4和6 mm长度的CF/EP复合材料的渗滤阈值分别为0.9%、0.3%和0.05%,随温度的升高,CF/EP复合材料先后呈现正温度效应（PTC）和负温度效应（NTC）,无明显光敏特性;SeF掺杂后,复合材料导电性能显著提高,当SeF/CF体积比为3.06时,材料体积电阻率较掺杂前下降91%,随温度的升高,SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率始终保持PTC效应,光敏特性显著增强。
【文章来源】：塑料工业. 2017,45(09)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
体积电阻率测试示意图
Ω·cm下降至CF含量为1.8%时的160Ω·cm。4和6mm长度的CF/EP复合材料，体积电阻率由初始的108Ω·cm分别降低至CF含量为1.3%的71Ω·cm和39Ω·cm。由图2观察得到，纤维长度为2、4和6mm的CF/EP复合材料的渗滤阈值分别为0.9%、0.3%、0.05%。根据排斥体积理论［14］可知，影响材料导电性能的渗滤阈值与材料内导电粒子的实际体积和平均排斥体积有关。当短切CF在结构中均匀分布时，复合材料的渗滤阈值与纤维长径比(L/r)呈负相关，即长径比越大的纤维，其渗滤阈值越小，导电通道建立效果越好，体积电阻率越低。图2CF尺寸及含量对CF/EP体积电阻率的影响Fig2EffectofCFlengthandmassfractionontheelectricalresistivity分析CF含量对复合材料体积电阻率的影响。由图2可知，三种长度CF/EP复合材料的体积电阻率随CF含量的增大，呈阶段性减小趋势。以长度为4mm的CF为例，体积电阻率变化可分为三个阶段:(1)当CF含量小于0.03%时，体积电阻率保持108Ω·cm不变，在此阶段导电粒子被树脂基体隔开而无法形成完整稳定的导电通道，体积电阻率更加接近树脂基体的体积电阻率，导电主要利用量子隧道理论［15］，因此复合材料仍处于高阻阶段;(2)当CF含量由0.03%增至1.3%时，体积电阻率进入衰减阶段，分为0.03%～0.3%的非线性快速衰减阶段，体积电阻率由初始的108Ω·cm衰减608Ω·cm，及0.3%～1.3%的线性缓慢衰减阶段，体积电阻率衰减至69Ω·cm。衰减的主要原因为:随着CF含量的增大，其逐渐接触并形成导电通道，体积电阻率大幅衰减。当CF含量达到渗滤阈值时，彼此搭接为相对完整的导电通道，会发生渗滤现象，材料由绝缘体过渡为半导体，此时导电通道理论和量子隧道理论共同作用。衰减后期，随着CF含量进一步增大，其彼此接?
;当温度由90℃升高到140℃时，碳纤维表面活性增加，导电性能增强，纤维活性提升的影响强于基体膨胀的影响，呈现NTC效应［17］。对于SeF掺杂后的复合材料，当温度低于80℃时，其体积电阻率明显低于CF/EP复合材料。但随着温度的进一步升高，其体积电阻率持续增大。总体来看，SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率随温度升高始终呈线性增长趋势，呈现PTC效应。这是由于SeF尺寸较小，导致内部导电通道较脆弱，温度升高易遭到破坏，所以SeF掺杂后的SeF/CF/EP复合材料导电性能随温度变化更为剧烈，表现出较强的温敏效应。图3CF/EP和SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率随温度变化Fig3VariationofelectricalresistivityofCF/EPandSeF/CF/EPwithtemperature2.4SeF对CF/EP复合材料光敏性能的影响在不同光照强度下分别测试SeF/CF体积比为0、0.516、1.03和2.06的四组SeF/CF/EP复合材料体积电阻率，结果如图4所示。当电压低于2.3V时，未达到光照阈值，LED灯为暗状态;当电压为3.1V时，LED灯达到极限亮度，因此有效测试区间为2.3～3.1V。在此范围内，LED光照强度随电压的增加而增大。如图所示，在不同光照强度下，CF/EP复合材料(SeF/CF=0)的体积电阻率不发生变化;相反，SeF/CF/EP复合材料表现出较强的光敏特性。SeF/CF体积比为0.516、1.03和2.06的SeF/CF/EP复合材料体积电阻率均随光强的增大而减小，由1128、675、332Ω·cm分别降低至1068、545、244Ω·cm，衰减率分别为5.3%、19.3%、26.3%。当达到2.7、2.9、3.1V后，体积电阻率趋于稳定。这是因为在光照条件下，SeF的表面活性增加，促进新的导电通道形成，体积电阻率下降。综上表明，CF本不具备光敏特性，SeF掺杂使材料的光敏特性得到显著改善。图4CF/EP和SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热法合成一维硒纳米材料及其力学性能分析[J]. 牛一凡,杨赢,杨文韬. 无机化学学报. 2016(12)
[2]多壁碳纳米管增强炭黑/聚丙烯导电复合材料导电行为[J]. 杨波,陈光顺,李姜,郭少云. 复合材料学报. 2009(04)
[3]十二烷基硫酸钠模板法制备纳米硒[J]. 李志林,滑鹏敏. 无机盐工业. 2009(07)
[4]单晶硒纳米线的室温快速生长[J]. 张旭,谢毅,徐芬,刘晓蕙. 无机化学学报. 2003(01)
[5]导电高分子材料研究进展[J]. 杨永芳,刘敏江. 工程塑料应用. 2002(07)
[6]炭黑/聚烯烃导电复合材料PTC效应的研究[J]. 黄英,李郁忠. 塑料科技. 2001(01)
本文编号：3281590
【文章来源】：塑料工业. 2017,45(09)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
体积电阻率测试示意图
Ω·cm下降至CF含量为1.8%时的160Ω·cm。4和6mm长度的CF/EP复合材料，体积电阻率由初始的108Ω·cm分别降低至CF含量为1.3%的71Ω·cm和39Ω·cm。由图2观察得到，纤维长度为2、4和6mm的CF/EP复合材料的渗滤阈值分别为0.9%、0.3%、0.05%。根据排斥体积理论［14］可知，影响材料导电性能的渗滤阈值与材料内导电粒子的实际体积和平均排斥体积有关。当短切CF在结构中均匀分布时，复合材料的渗滤阈值与纤维长径比(L/r)呈负相关，即长径比越大的纤维，其渗滤阈值越小，导电通道建立效果越好，体积电阻率越低。图2CF尺寸及含量对CF/EP体积电阻率的影响Fig2EffectofCFlengthandmassfractionontheelectricalresistivity分析CF含量对复合材料体积电阻率的影响。由图2可知，三种长度CF/EP复合材料的体积电阻率随CF含量的增大，呈阶段性减小趋势。以长度为4mm的CF为例，体积电阻率变化可分为三个阶段:(1)当CF含量小于0.03%时，体积电阻率保持108Ω·cm不变，在此阶段导电粒子被树脂基体隔开而无法形成完整稳定的导电通道，体积电阻率更加接近树脂基体的体积电阻率，导电主要利用量子隧道理论［15］，因此复合材料仍处于高阻阶段;(2)当CF含量由0.03%增至1.3%时，体积电阻率进入衰减阶段，分为0.03%～0.3%的非线性快速衰减阶段，体积电阻率由初始的108Ω·cm衰减608Ω·cm，及0.3%～1.3%的线性缓慢衰减阶段，体积电阻率衰减至69Ω·cm。衰减的主要原因为:随着CF含量的增大，其逐渐接触并形成导电通道，体积电阻率大幅衰减。当CF含量达到渗滤阈值时，彼此搭接为相对完整的导电通道，会发生渗滤现象，材料由绝缘体过渡为半导体，此时导电通道理论和量子隧道理论共同作用。衰减后期，随着CF含量进一步增大，其彼此接?
;当温度由90℃升高到140℃时，碳纤维表面活性增加，导电性能增强，纤维活性提升的影响强于基体膨胀的影响，呈现NTC效应［17］。对于SeF掺杂后的复合材料，当温度低于80℃时，其体积电阻率明显低于CF/EP复合材料。但随着温度的进一步升高，其体积电阻率持续增大。总体来看，SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率随温度升高始终呈线性增长趋势，呈现PTC效应。这是由于SeF尺寸较小，导致内部导电通道较脆弱，温度升高易遭到破坏，所以SeF掺杂后的SeF/CF/EP复合材料导电性能随温度变化更为剧烈，表现出较强的温敏效应。图3CF/EP和SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率随温度变化Fig3VariationofelectricalresistivityofCF/EPandSeF/CF/EPwithtemperature2.4SeF对CF/EP复合材料光敏性能的影响在不同光照强度下分别测试SeF/CF体积比为0、0.516、1.03和2.06的四组SeF/CF/EP复合材料体积电阻率，结果如图4所示。当电压低于2.3V时，未达到光照阈值，LED灯为暗状态;当电压为3.1V时，LED灯达到极限亮度，因此有效测试区间为2.3～3.1V。在此范围内，LED光照强度随电压的增加而增大。如图所示，在不同光照强度下，CF/EP复合材料(SeF/CF=0)的体积电阻率不发生变化;相反，SeF/CF/EP复合材料表现出较强的光敏特性。SeF/CF体积比为0.516、1.03和2.06的SeF/CF/EP复合材料体积电阻率均随光强的增大而减小，由1128、675、332Ω·cm分别降低至1068、545、244Ω·cm，衰减率分别为5.3%、19.3%、26.3%。当达到2.7、2.9、3.1V后，体积电阻率趋于稳定。这是因为在光照条件下，SeF的表面活性增加，促进新的导电通道形成，体积电阻率下降。综上表明，CF本不具备光敏特性，SeF掺杂使材料的光敏特性得到显著改善。图4CF/EP和SeF/CF/EP复合材料的体积电阻率?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热法合成一维硒纳米材料及其力学性能分析[J]. 牛一凡,杨赢,杨文韬. 无机化学学报. 2016(12)
[2]多壁碳纳米管增强炭黑/聚丙烯导电复合材料导电行为[J]. 杨波,陈光顺,李姜,郭少云. 复合材料学报. 2009(04)
[3]十二烷基硫酸钠模板法制备纳米硒[J]. 李志林,滑鹏敏. 无机盐工业. 2009(07)
[4]单晶硒纳米线的室温快速生长[J]. 张旭,谢毅,徐芬,刘晓蕙. 无机化学学报. 2003(01)
[5]导电高分子材料研究进展[J]. 杨永芳,刘敏江. 工程塑料应用. 2002(07)
[6]炭黑/聚烯烃导电复合材料PTC效应的研究[J]. 黄英,李郁忠. 塑料科技. 2001(01)
本文编号：3281590
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3281590.html
