硅橡膠-納米石墨薄片復(fù)合材料在壓力場作用下電導(dǎo)非線性研究.pdf

1、硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料具有良好的電學(xué)特性和機(jī)械特性，是一種獨特的壓敏材料。本論文主要研究了硅橡膠/納米石墨導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)制以及壓力外場作用下電導(dǎo)的非線性行為，著重考察了相應(yīng)的機(jī)理及相關(guān)的影響因素。 納米石墨具有微米級徑度(5-20μm)，納米級厚度(40nm)，因此有較大的徑厚比，有利于在高分子基體中形成導(dǎo)電通道，大大降低了復(fù)合體系導(dǎo)電的滲濾閾值。通過濕混方法制備而成的硅橡膠/納米石墨復(fù)合導(dǎo)電材料，其導(dǎo)電填料在基體中獲得

2、了更加均勻的分散狀態(tài)，再加上由于納米石墨微片形態(tài)的特殊性，使得復(fù)合體系具有較低的滲濾閾值。 硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料電阻對壓力場具有極其敏感的非線性響應(yīng)。壓阻效應(yīng)主要是由外場壓力誘導(dǎo)材料發(fā)生形變，導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，從而造成材料電阻率發(fā)生改變所造成的。通常，復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)包括在低壓作用下的負(fù)壓阻效應(yīng)(NPCR)效應(yīng)和在高壓作用下的正壓阻效應(yīng)(PPCR)效應(yīng)。NPCR與PPCR效應(yīng)皆是導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重建與破壞相互競爭的結(jié)果

3、。然而，對于硅橡膠/納米石墨導(dǎo)電復(fù)合體系，其壓阻效應(yīng)卻是可在很低壓作用下(大約指壓力的范圍內(nèi))呈現(xiàn)出單一卻極其強(qiáng)烈的PPCR效應(yīng)。由于體系滲濾閾值低，納米石墨導(dǎo)電微片在復(fù)合材料中的含量較少，導(dǎo)致在基體內(nèi)部所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對壓力十分敏感，因此硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料在低壓下便呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PPCR效應(yīng)。通過量子隧道理論對硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)進(jìn)行研究表明，該體系在壓力作用下，材料電阻的非線性響應(yīng)能很好地通過量子隧道導(dǎo)電理論來進(jìn)行

4、描述。 硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)與許多影響因素有關(guān)。凡是能影響導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變化程度的因素都會影響復(fù)合材料電阻對壓力的響應(yīng)程度。由于導(dǎo)電填料濃度的大小直接影響復(fù)合材料導(dǎo)電通路的密度，所以與復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)密切相關(guān)。除此之外，所施加壓力的大小，壓縮的次數(shù)等因素都會直接影響導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化情況，從而影響復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)。由于高分子基體具有蠕變特性，因此硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料的壓力卸載后電阻的恢復(fù)還與時間關(guān)，具有很強(qiáng)的時間依賴

5、性，且壓縮速度以及循環(huán)壓縮次數(shù)等因素有關(guān)。另外第三基體組分的加入改變了納米石墨片在基體中的分布形態(tài)，因此也會影響復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)。 硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料在靜態(tài)和動態(tài)壓縮下分別呈現(xiàn)出不同的壓阻行為，這與復(fù)合材料在兩種壓縮狀態(tài)下相應(yīng)的宏觀形變及微觀的分子運(yùn)動密切相關(guān)。在靜態(tài)和動態(tài)壓縮下硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料的電阻率的變化特征與其相應(yīng)的形變特征是相一致的：靜態(tài)壓縮下，復(fù)合材料出現(xiàn)了電阻松弛現(xiàn)象，與此同時，相應(yīng)地，該恒定形變也隨

6、著時間的增加從初始的彈性形變轉(zhuǎn)化成了粘彈性形變；動態(tài)壓縮下，復(fù)合材料的電阻率隨著動態(tài)連續(xù)增加的應(yīng)變不斷上升。在此過程中，短的松弛時間不足夠允許靜態(tài)壓縮下的那種形變特性的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)，因此動態(tài)壓縮的形變主要是彈性形變。一種與Burger方程相似的公式表達(dá)形式可以很好的描述硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料的電阻松弛行為。此外，一個適用于交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)體系的Burger模型(除去原有串聯(lián)阻尼器的三元件系統(tǒng))也被利用對相應(yīng)的硅橡膠/納米石墨復(fù)合材料的形變特