聚乙烯醇碳纖維復(fù)合材料性能研究

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1、聚乙烯醇碳纖維復(fù)合材料性能研究應(yīng)物0202班李光燕012002000501沈婧012002000503羅展君012002000502[摘要]本次實(shí)驗(yàn)制作了以碳纖維為填料，以聚乙烯醇為基體的不同體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合薄膜材料，并研究其導(dǎo)電性能和在不同的測試頻率時(shí)的介電性能。此次共制作了五種不同分量比例的樣品加以測試和分析。1.前言將不同的纖維或填料與聚合物基體混合可以制備應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域的具有特殊介電性能的復(fù)合材料，如果填料具有高的介電常數(shù)，則可作電容材料，但是它他們的致命弱點(diǎn)是容易發(fā)生脆性破裂并介電強(qiáng)度較低。聚合物非

2、常柔韌，在低的加工溫度時(shí)容易生產(chǎn)，有高的絕緣強(qiáng)度，但是介電常數(shù)卻較低。為了彌補(bǔ)單一組分材料的缺陷，將兩種和兩種以上的材料混合制備具有優(yōu)越特性的復(fù)合材料是當(dāng)前材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的重要方法之一。高分子復(fù)合導(dǎo)電材料是由絕緣的高分子樹脂與復(fù)合導(dǎo)電填料復(fù)合而成的一種新型功能材料，它不僅具有非常重要的理論研究價(jià)值，而且在抗靜電、導(dǎo)電、自動(dòng)控制、面發(fā)熱體、電磁波屏蔽等諸多領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。本次實(shí)驗(yàn)對炭纖維填充聚乙烯醇復(fù)合薄膜材料的一些性能作了初步研究，從制作實(shí)驗(yàn)薄膜成品到測試幾組不同碳纖維含量的薄膜的導(dǎo)電性能和介電

3、性能比較，得到不同量填充材料對復(fù)合材料的性能影響。2.實(shí)驗(yàn)部分一、實(shí)驗(yàn)原料聚乙烯醇，碳纖維塊，水。二、試樣制備將一定量的聚乙烯醇加入沸水中，用玻璃棒緩緩攪拌直至完全溶解，隨后加入一定量撕碎的碳纖維，攪拌均勻，然后平鋪在干凈的玻璃片上面，待其自然風(fēng)干后撕下，即可制得聚乙烯醇碳纖維復(fù)合薄膜。制作相同濃度的聚乙烯醇，加入不同分量的碳纖維，即可得到不同材料量比的薄膜。本次實(shí)驗(yàn)制備了相同濃度的聚乙烯醇溶液不同分量的碳纖維復(fù)合薄膜共五種：0.5份，0.75份，1份，1.5份，2份的含碳量。三、介電性能測試采用儀器測得一定電

4、壓不同頻率下的Cp、D、R、X隨頻率F的改變情況。其中R、X分別是復(fù)數(shù)電阻的實(shí)部和虛部系數(shù)。四、伏安特性測試?yán)脙x器測得薄膜在一定電壓下的電流，從而得出其伏安特性曲線并作相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。3.結(jié)果與討論一、不同分量含碳量復(fù)合薄膜的I-V特性研究復(fù)合材料的導(dǎo)電性存在“滲濾”效應(yīng)，它是由導(dǎo)電通道、隧道效應(yīng)和場致發(fā)射3種導(dǎo)電機(jī)理綜合作用的結(jié)果。復(fù)合材料的導(dǎo)電性并不是隨著碳纖維含量的增加而成比例地升高。隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的體積電阻率起初僅略有下降，當(dāng)碳纖維含量增加到某一臨界值時(shí)則急劇下降，曲線上出現(xiàn)一個(gè)狹

5、窄的突變區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，碳纖維含量的任何細(xì)微變化均會(huì)導(dǎo)致體積電阻率的顯著改變，這種現(xiàn)象通常稱為“滲濾”效應(yīng)，含碳量的臨界值就稱為“滲濾閥值”，在突變區(qū)域之后，體積電阻率隨含碳量增加降低不大。通常導(dǎo)電填料加入到樹脂基體中后，不可能真正達(dá)到多相的均勻分布，因此總有部分導(dǎo)電粒子能夠相互接觸而形成鏈狀導(dǎo)電通道，使復(fù)合材料得以導(dǎo)電，而另一部分導(dǎo)電粒子則以孤立粒子或小聚集體形成分布在絕緣的樹脂基體中，基本上不參與導(dǎo)電。但是，由于導(dǎo)電粒子間存在著內(nèi)部電場，如果這些孤立粒子或小聚集體之間相距很近，中間只被很薄的樹脂層（<1n

6、m）隔開，那么由于熱振動(dòng)而被激活的電子就能越過樹脂界面層所形成的勢壘而躍遷到相鄰導(dǎo)電粒子上來形成較大的隧道電流。這種現(xiàn)象在量子力學(xué)中被稱為隧道效應(yīng)；或者是導(dǎo)電粒子間的內(nèi)部電場很強(qiáng)時(shí)，電子將有很大的幾率跨越樹脂界面層勢壘而躍遷到相鄰導(dǎo)電粒子上，產(chǎn)生場致發(fā)射電流，這是樹脂界面層起著相當(dāng)于內(nèi)部分布電容的作用。其等效電路模型如圖1所示。因此，碳纖維填充復(fù)合導(dǎo)電材料存在著導(dǎo)電通道、隧道效應(yīng)和場致發(fā)射三種導(dǎo)電機(jī)理，符合材料的導(dǎo)電性是這三種導(dǎo)電機(jī)理綜合作用的結(jié)果。在低碳纖維含量、低外加電壓下，碳纖維分布間距較大，形成鏈狀導(dǎo)電

7、隧道的幾率較小，這時(shí)隧道效應(yīng)機(jī)理起主要作用；在低碳纖維含量、高外加電壓下，場致發(fā)射機(jī)理變得顯著；在高碳纖維含量下，碳纖維分布間距較小，形成鏈狀導(dǎo)電隧道的幾率較大，這時(shí)導(dǎo)電隧道機(jī)理的作用更加明顯。u以下是本次實(shí)驗(yàn)所測得的幾組結(jié)果。①0.5份含碳量復(fù)合薄膜的I-V曲線②0.75份含碳量的復(fù)合薄膜I-V曲線圖③1份含碳量復(fù)合薄膜I-V特性曲線：④1.5份含碳量復(fù)合薄膜的I-V曲線如圖：⑤2份含碳量的復(fù)合材料I-V曲線經(jīng)線性擬合圖如左圖所示：將各組薄膜的I-V曲線圖組合到一個(gè)圖如左中圖所示；各組薄膜的電導(dǎo)數(shù)據(jù)擬合之后所

8、得的圖如左下圖所示。由各組薄膜的I-V特性曲線結(jié)果可見，在相同電壓下，含碳量越大的薄膜的導(dǎo)電性能越好（未超過滲濾閥值時(shí)）；0.75份含碳量薄膜的導(dǎo)電性能比0.5份含碳量的導(dǎo)電性能要好很多，而1份含碳量薄膜的導(dǎo)電性和1.5份量薄膜的導(dǎo)電性卻是相當(dāng)?shù)?，增加?份量時(shí)導(dǎo)電性能又比1.5份量情況要好很多。而由各組薄膜的電導(dǎo)（G=1/R）圖情況可知，基本上，隨著含碳量的增多，薄膜的電導(dǎo)越大，即電