应变率对聚酰胺导电复合材料压阻效应的影响【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述工程力学应变率对聚酰胺导电复合材料压阻效应的影响1绪论本文主要讲述在文献阅读过程中摘录的对本课题的理论指导内容，以及相关理论的发展阶段。本文通过对不同材料对导电高聚物体系在载荷作用下的应力应变关系和不同纤维含量、不同碳纳米管含量复合材料在不同应变率下电阻变化规律两个方面，进行相关的材料引述，丰富课题的研究内容。2不锈钢纤维/碳纳米管/聚酰胺导电高聚物体系在载荷作用下的应力应变关系21不锈钢纤维所属导电纤维高聚物体系导电规律不锈钢纤维纤维类导电高聚物体系导电规律如正交及单向CFRP复合材料1在静态拉伸载荷作用下,其电阻变化率随着应变增加表现为3个阶段较为迅速增加的线性阶段、非线性

2、平缓阶段和阶梯状迅速增加阶段,其实质反映了材料内部纤维在不断增加的应力作用下逐步伸长、变形和断裂的过程,因此可以在结构智能结构中作为传感材料用于结构完整性的自诊断和自监测在较小应力幅值24的交变载荷作用下,2种材料的电阻变化率都表现出明显的电阻应变特性和一定的可逆性,单向CFRP复合材料的电阻变化率较正交CFRP复合材料对应变更敏感。导电纤维的导电行为具有非连续性。XUE2等采用气相沉积聚合方法制备了聚吡咯/聚已内酰胺纤维，并对纤维在内轴拉伸情况先电阻鱼应变的关系进行了研究，结果表明该纤维电阻在单轴拉伸过程中电阻出现线性增大；万炜涛3曾对单轴拉伸对碳黑/聚已内酰胺纤维电阻进行了研究。导电粒子填

3、充的纤维材料在拉力的作用下将发生弹性形变，电阻随拉伸听便增大为增大，在某一临界应变下，电阻呈现非线性增大，这一现象称为电阻“正效拉力系数”效应4。12碳纳米管复合物导电体系在载荷作用下的应力应变关系碳纳米管复合物导电体系的相关研究是自20世纪90年代IIJIMA5发现碳纳米管CARBONNANOTUBES,CNTS以来,由于其独特的力学性能、电学性能和极高的纵横比,使CNTS在纳米电子器件、催化剂载体、电极材料、储氢材料等方面的应用取得了引人注目的进展68迄今,CNTS填充高分子复合材料的研究主要集中在力学增强以及光学性能的改进方面其制备方法主要是溶液法和原位聚合方法但尚存在工艺复杂且溶剂使用

4、及残留、成本高及产量低等问题CNTS填充高分子复合体系导电特性的研究尚不多见,特别是CNTS/高密度聚乙烯HDPE复合材料的导电性的研究尚未见报道9理想的碳纳米管可认为是由六角网格状石墨片层卷曲而成的无缝同心圆柱。按石墨层数目的不同,碳纳米管可分为多壁碳纳米管（MWNT）和单壁碳纳米管（SWNT）。碳纳米管具有管径小、长径比大的特点,被视为准一维材料。10碳纳米管的形变可带来电导值的变化。TOMBLER等11发现SWNT的电导率可因形变而产2个数量级的变化。紧束缚计算法（THETIGHTBINDINGCALCULATION）表明在局部弯曲时,扶手椅式SWNT的原子发生SP到SP的变化，电导值随

5、之降低不过PAULSON等12发现MWNT的电阻值没有随形变而变化。经LIU等13细致研究,发现导电性CNT（NM3P）形变后电子能带产生一定的能隙,从而变成半导体除非施力情况特殊,才会保持导电性。而半导体性质的CNT形变后电子能隙保持,不会变得具有导电性。13聚酰胺类复合物导电体系在载荷作用下的应力应变关系聚酰胺类高聚物导电复合物导电规律如聚乙烯石墨半导体复合物HDPE/GP在轴向压力下的压阻特性14。结果表明,这种复合物的导电性有较显著的压力依赖性。在低压力范围内电阻随压力增加而降低,在较高压力下则随压力增大而升高,呈现出所谓的“电阻负压力系数NPCR”和“正压力系数PPCR”效应。电阻的

6、压力依赖性,以及在恒压力作用下表现出来的“电阻蠕变”行为,被认为与导电粒子网络在应力作用下的破坏与重组有关。2材料不同含量下应力应变关系研究21单轴压阻行为的产生源于材料受外力变形而导致的渗流网络微结构变化,且这种变化强烈依赖于填料含量当填料含量较低时渗流阈值附近,体系电阻率随压力升而表现为电阻正压力系数行为当填料含量较高时,体系电阻率随压力升高显现电阻负压力系数效应完全卸载的零压力下,电阻基线随压缩循环随循环次数增大而发生漂移,这种漂移与轴向残余压缩应变有关,可以通过增加循环次数来加以稳定交联可以减小残余压缩应变,并抑制填充复合体系电阻基线的漂移1522研究了聚乙烯石墨半导体复合物HDPEG

7、P在轴向压力下的压阻特性结果表明,这种复合物的导电性有较显著的压力依赖性。在低压力范围内电阻随压力增加而降低,在较高压力下则随压力增大而升高,呈现出所谓的“电阻负压力系数NPCR”和“正压力系数PPCR”效应。电阻的压力依赖性,以及在恒压力作用下表现出来的“电阻蠕变”行为,被认为与导电粒子网络在应力作用下的破坏与重组有关。宋义虎等16研究了高密度聚乙烯（HDPE基导电复合材料在首次单轴压缩过程中的电阻压力（应变）关系,发现在某一压力以下,电阻随压力增大而降低,这被称作“负压力系数效应”（NEGATIVEPRESSURECOEFFICIENT,NPC）而当压力高于该临界值时,电阻反随压力增大而升

8、高,这被称为“正压力系数效应”（POSITIVEPRESSURECOEFFICIENT,PPC。NPC现象可能源于聚集体间隙减小及导电粒子互相接近造成的附加导电通路,而PPC现象则是因为基体大分子的横向滑移以及基体与导电粒子键接破坏所导致的临时性导电链沿轴向的损伤。渗流网络在应力作用下的破坏和重组同时存在,相互竞争随着这一竞争,材料的电阻变化可能出现相反趋势并在一定压力下达到最低值16。两种效应的相对强弱以及从NPC向PPC效应转变的临界压力均与导电粒子含量有关。23由于拉伸和压缩而产生的材料渗流网络鱼RAM问题231拉伸VOET等17在研究CB填充丁苯橡胶的拉伸时发现,由于CB暂态结构的破坏

9、,导电橡胶的轴向电阻率首先随拉伸而出现小的增大此后,由于永久性碳链沿应力方向排列取向,电阻率在较大应变范围内下降直至最低点当外力超过CB与弹性体之间的相互作用力后,可以打破永久碳链的取向,导致电阻率显著增大。KOST等证实了拉伸对CB填充硅橡胶的电阻率有影响。这种影响随着CB浓度向渗流阈值逼近而愈加显著,同时还随应变速率增大而增强。由此认为,导电橡胶在拉伸下的电阻率变化取决于导电粒子簇的暂态分布，我们约定平行于外力作用方向为轴向,垂直于外力作用方向为横向如无特别说明,电阻率均为沿轴向方向所测得（下同）。232压缩PRAMANIK18研究CB填充丁腈橡胶的导电行为,发现电阻率随压力增大显著下降,

10、但在某一临界压力（04KGCM）电阻率仅有轻微下降并逐渐趋于恒定。对于不同填料含量的复合物,该临界压力相差不大。CHELIDZE等19发现,对渗流阈值以下浓度的体系进行压缩可使导电行为进入渗流区域,这一现象被称为压致渗流转变（PRESSUREINDUCEDPERCOLATIONTRANSITION,PIPT）。CHELIDZE从导电颗粒或导电簇之间相互接触的破坏重组的竞争过程解释了PIPT与通常意义上的渗流行为（临界指数为2）的区别,认为渗流阈值附近的初始无限大导电簇易在外压下发生重排而破坏,使得隧道间隙减小及导电路径增加对电阻的贡献被网络破坏部分抵消,从而使PIPT的临界指数仅为038左右1

11、6。3结语本文紧密结合不锈钢纤维/碳纳米管/聚酰胺导电高聚物体系在载荷作用下的应力应变关系和材料不同含量下应力应变关系研究两大主旨内容，对他们各自的特点和相关研究的进展进行了简要的论述，为课题的研究提供了有力的了理论依据和材料论证。为课题的进一步深入，奠定了了坚实的基础。参考文献1苏小萍，晏石林，胡高平碳纤维增强树脂基复合材料的电阻应变特性J武汉理工大学学报，20051227122PXUE,XMTAO,ELECTROMECHANICALBEHAVIOUROFFIBERSCOATEDWITHANELECTRICALLYCONDUCTIVEPOLYMER，TEXTILERESJ,10,929200

12、43万炜涛,于得海,苏楠楠,纳米CACO3填充聚丙烯的非等温结晶力学，高分子材料科学与工程,19615620034VGSHEVCHENKO,ATPONOMARENKO,CKLASON,STRAINSENSITIVEPOLYMERCOMPOSITEMATERIAL,SMARTMATERSTUCTURE,4,2119955LIJIMASNATUREJ,1991,35456586COLLINSPG,ZETTLA,BANDOHETALSCIENCEJ,1997,2781001037FRACKOWIAKE,GAUTIERS,GAUCHERHETALCARBONJ,1999,3761698LIUJING刘

13、靖,MAOZONGQIANG毛宗强,HAODONGHUI郝东晖ETALCHEMJCHINESEUNIVERSITIES高等学校化学学报J,2004,2523343379李文春,沈烈,郑强,多碳纳米管填充高密度聚乙烯复合材料的导电特性J,高等学校化学学报,2005,26238238410王安之，吕满庚。碳纳米管/高分子复合导电材料的研究进展J,高分子通报，2006,5656711TOMBLERTW,ZHOUCW,ALEXSEYEVL,ETALNATURE,2000,405678876977212PAULSONS,FALVOMR,SNIDERN,ETALAPPLPHYSLETT,1999,7519

14、2936293813LIUB,ETALJMECHPHYSSOLIDS,2004,5212614宋义虎,郑强,益小苏高密度聚乙烯_石墨半导体复合物的压阻特性,复合材料学报,1995,162465115宋义虎,郑强,周剑锋,朱姝,章名秋HDPE_CB高分子导电复合体系的单轴形变与压阻行为J,高分子学报，2006,1828616宋义虎高密度聚乙烯导电复合材料非线性导电行为的研究D浙江大学博士学位论文,19991117VOETA,SIRCARAK,MULIENSTJJRUBBERCHEMTECH,1969,4287488918PONOMARENKOAT,SHEVCHENKOVG,KLASONC,ETALSTRUCT,1994,340941519CHELIDZET,GUEGUENYJJPHYSDAPPLPHYS,1998,3128772885