Electrically percloative carbon fillers/thermoplastic elastomer nanocomposites as multifunctional materials

摘要

具有非线性电学性能的复合材料在电气和电子领域有着广泛的应用。导电材料作为填料被加入到该种复合材料之中。不同种类的基体以及填料所组成的复合材料被大量报道。本实验对以热塑性弹性体(TPE)为基体的4种具有非线性电学性能的复合材料进行了相应的研究。采用。TPE作为基体是由于其综合性能优异，并且容易加工。碳基填料，多壁纳米管(MWNT)，碳黑(CB)和它们的杂化物质做为填料，是因为碳填充物可以在较低的填充浓度时达到较高的导电性。此外，碳基材料作为填料还具有质轻价廉，易于加工等特点。我们对加工条件以及填料种类对复合材料的导电性，介电性以及压阻性能的影响进行了研究。我们发现加工条件会对MWNT/TPE复合材料的电学特性产生影响。在剧烈的条件下制备出的MWNT/TPE复合材料表现出双渗流现象，它比在温和的条件下制备出的具有单渗流现象的复合材料具有更好的电学性能。此外，MWNT/TPE纳米复合材料的非线性电性能极大的受到其MWNT尺寸(长度和直径)的影响。MWNT决定了渗流域值以及电性能。我们发现利用长宽比的概念来解释MWNT的尺寸对复合材料非线性电学性能的影响是不够的。我们利用基于MWNT的长度而定义的有效长宽比来有效的解释了WMNT的尺寸对于MWNT填充的纳米复合材料电学的影响。相同的概念也被用来解释不同尺寸的MWNT/TPE复合材料对压阻性能的影响。另外，MWNT的尺寸同样能够影响MWNT/TPE复合材料的渗流阈值。我们还对CB填充以及CB，MWNT同时填充的复合材料进行了研究。我们发现尽管CB自身具有较小的尺寸，但是用CB填充的复合材料其渗流阈值要比单一MWNT填充以及MWNT与CB混合填充的复合材料的渗流阈值更低。这一结果产生的新的问题，那就是高的长宽比导致较低的渗流域值。所有的碳基填料填充的复合材料表现出互补且迥异的渗流现象以及压阻现象。这些碳基填料/TPE复合材料的电学性能产生是由于我们选用了不同种类的碳基材料作为填料，并利用容易加工的TPE作为基体而造成的。这使得我们可以将这些纳米复合材料作为多重功能材料进行使用。本课题还对渗流理论的基本要素在聚合物复合材料的领域内进行了研究，并着重研究了碳基填料/TPE纳米复合材料体系。