应变率对聚酰胺导电复合材料压阻效应的影响【开题报告+文献综述+毕业设计】.Doc

1、1毕业论文开题报告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绪论随着现代科技的发展，特别是电子工业、信息技术的飞速发展，对具有导电性能的高分子材料的需求也与日俱增。复合型导电聚合物，即导电聚合物复合材料，是指以通用聚合物为基体,通过加入各种导电性物质，并采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。相对而言，它不仅工艺简单，而且成本较低，应用也更为广泛。因此，复合型导电高聚物的研究与应用发展较快。2选题的背景与意义随着现代科技的发展，特别是电子工业、信息技术的飞速发展，对具有导电性能的高分子材料的需求也与日俱增。作为一种新兴的功能材料，聚合物基导电复

2、合材料不仅具有导电功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在较大的范围内调节材料的电学和力学性能。目前所研制的导电高聚物大体上可以分为两类，即结构型导电高聚物和复合型导电高聚物。结构型高分子导电材料是指高分子本身的结构或经过掺杂处理后而具有导电功能的材料。由于大分子链中的共轭键可提供导电载流子，所以其自身就具有导电性。由于结构型导电聚合物分子本身刚性较大、掺杂剂多数是毒性较大、腐蚀性较强的物质，因此这类导电高聚物的使用价值还有待于进一步研究和开发。复合型导电聚合物，即导电聚合物复合材料，是指以通用聚合物为基体,通过加入各种导电性物质，并采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具有良好力

3、学性能的多相复合材料。相对而言，它不仅工艺简单，而且成本较低，应用也更为广泛。因此，复合型导电高聚物的研究与应用发展较快。复合型导电高聚物的导电填料的种类很多，常用的可分为金属系和炭系两大类。用金属类填料研发的导电高聚物具有优良的导电性能外，通常用于导电性能要求特别高的场所如电磁波屏蔽等。本项目以不锈钢纤维/碳纳米管/聚酰胺导电聚合物体系为研究对象，研究该材料在不同应变率下载荷电阻效应。23研究的基本内容与拟解决的主要问题31研究的基本内容（1）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；（2）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；32拟解决的

4、主要问题（1）不同钢纤维、碳纳米管含量对钢纤维/碳纳米管/聚酰胺导电高聚物体系电阻变化规律；（2）应变率对导电复合材料电阻影响规律。4研究的方法与技术路线通过实验测试导电复合材料在载荷作用下电阻变化，记录数据，通过分析得出变化规律，并讨论分析变化规律。（1）MTS试验机上测试不同填料含量高聚物材料应力应变关系；（2）用高阻计测试材料载荷作用下电阻变化；（3）在MTS试验机上进行不同应变率下不锈钢纤维/聚酰胺复合材料导电性变化测定5研究的总体安排与进度（1）2010年11月12月对文献进行阅读，作文献综述。（2）2011年1月2月对论文进行翻译理解，熟读文献。（3）2010年3月4月就“导电复合

5、材料的不同应变率下电阻随载荷变化”进行实验。（4）2010年4月5月实验总结，撰写毕业论文。参考文献1ISHIGUREY,IIJIMAS,ITOH,OTAT,UNUMAH,TAKAHASHIM,HIKICHIY,SUZUKIH,ELECTRICALANDELASTICPROPERTIESOFCONDUCTORPOLYMERCOMPOSITESJOURNALOFMATERIALSSCIENCE,1999,34297929852ZENGQ,SONGY,YIXS,PIEZORESISTIVEPROPERTIESOFHDPE/GRAPHITECOMPOSITESJOURNALOF3MATERIALSS

6、CIENCELETTERS,1999,1835373朱姝，郑强，周剑锋，宋义虎，章明秋，HDPEPCB高分子导电复合体系的单轴形变与压阻行为，高分子学报，2006年2月,8286；4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

7、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

8、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。512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、

9、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

10、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

11、,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。62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

12、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HDPEGP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

13、）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

14、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7VOET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,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

15、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,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

16、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16。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,ELE

17、CTROMECHANICALBEHAVIOUROFFIBERSCOATEDWITHAN8ELECTRICALLYCONDUCTIVEPOLYMER，TEXTILERESJ,10,92920043万炜涛,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,

18、BANDOHETALSCIENCEJ,1997,2781001037FRACKOWIAKE,GAUTIERS,GAUCHERHETALCARBONJ,1999,3761698LIUJING刘靖,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,ZHOUC

19、W,ALEXSEYEVL,ETALNATURE,2000,405678876977212PAULSONS,FALVOMR,SNIDERN,ETALAPPLPHYSLETT,1999,75192936293813LIUB,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,199911

20、17VOETA,SIRCARAK,MULIENSTJJRUBBERCHEMTECH,1969,4287488918PONOMARENKOAT,SHEVCHENKOVG,KLASONC,ETALSTRUCT,1994,340941519CHELIDZET,GUEGUENYJJPHYSDAPPLPHYS,1998,31287728859本科毕业论文（20届）应变率对聚酰胺导电复合材料压阻效应的影响10摘要【摘要】聚合物基导电复合材料不仅具有导电功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在较大的范围内调节材料的电学和力学性能。共混/填充高聚物复合材料是高分子材料的研究热点之一。本项目以不锈钢纤维/碳纳米

21、管/聚酰胺导电聚合物体系为研究对象，研究该材料在不同加载速率下电阻变化规律，即研究该体系高聚物电阻随压力变化的率效应。结果表明随着载荷的提高，变形相应增加，压缩模量超出后所需应力更大；在低应变时，复合材料的电阻随应变的增加而降低，而在高应变时则随应变的增大而升高，分别呈现出所谓的“电阻负压力系数”和“电阻正压力系数”效应。【关键词】导电聚合物；应变率；载荷电阻效应；不锈钢纤维；碳纳米管。ABSTRACT【ABSTRACT】CONDUCTIVEPOLYMERBASEDCOMPOSITEMATERIALNOTONLYHASTHEFUNCTIONOFCONDUCTIVITY,POSSESSTHECH

22、ARACTERISTICSOFTHEPOLYMERMATERIALS,BUTALSOHASTHEABILITYOFADJUSTINGTHEELECTRICALANDMECHANICALPROPERTIESOFMATERIALSINAWIDERANGEBLENDINGPOLYMER11ANDFILLEDCOMPOSITEHAVEBEENBECOMINGHOTRESEARCHINPOLYMERFIELDTHERESULTSSHOWTHATTHESTRAININCREASESWITHTHEINCREASINGOFSTRESSATLOWSTRAINSTAGE,THERESISTANCEOFTHECOM

23、POSITEDECREASESWITHTHEINCREASEOFSTRAIN,WHILEATHIGHSTRAINSTAGE,THERESISTANCEINCREASESWITHTHEINCREASEOFSTRAIN,WHICHTAKEON“NEGATIVEPRESSURECOEFFICIENTOFRESISTANCE“AND“POSITIVEPRESSURECOEFFICIENTOFRESISTANCE“EFFECT【KEYWORDS】CONDUCTIVEPOLYMERSTRAINRATELOADRESISTANCEEFFECTSTAINLESSSTEELFIBERCARBONNANOTUBE

24、S目录摘要10ABSTRACT10目录111引言1311导电高聚物复合材料的研究背景与制备方法1312纳米材料简介1413碳纳米管填料1514本论文研究的内容与意义16122实验部分1621实验材料和仪器设备16211实验材料16212主要实验仪器及用途1622静载荷作用下复合材料的应力应变关系1723电阻、应力与应变的关系实验17231应变率为102时，电阻、应力与应变的关系实验17232应变率为103时，电阻、应力与应变的关系实验173结果研究与分析1731应变率为102、103时的应力应变关系实验分析18311应变率为102时的应力应变关系实验分析18312应变率为103下的应力应变关系

25、实验分析24313应变率为102、103下的应力应变关系对比2832应变对材料的导电性能的影响30321导电复合材料的载荷电阻效应30322应变率对材料导电性能的影响404结论和展望4341结论4342展望43参考文献44致谢错误未定义书签。134引言A导电高聚物复合材料的研究背景与制备方法随着现代科技的发展，特别是电子工业、信息技术的飞速发展，对具有导电性能的高分子材料的需求也与日俱增。复合型导电聚合物，即导电聚合物复合材料，是指以通用聚合物为基体,通过加入各种导电性物质，并采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。相对而言，它不仅工艺简单，而且成本较

26、低，应用也更为广泛。因此，复合型导电高聚物的研究与应用发展较快。作为一种新兴的功能材料，聚合物基导电复合材料不仅具有导电功能，又保持了高分子材料的特性，而且能在较大的范围内调节材料的电学和力学性能。目前所研制的导电高聚物大体上可以分为两类，即结构型导电高聚物和复合型导电高聚物。结构型高分子导电材料是指高分子本身的结构或经过掺杂处理后而具有导电功能的材料。由于大分子链中的共轭键可提供导电载流子，所以其自身就具有导电性。由于结构型导电聚合物分子本身刚性较大、掺杂剂多数是毒性较大、腐蚀性较强的物质，因此这类导电高聚物的使用价值还有待于进一步研究和开发。复合型导电聚合物，即导电聚合物复合材料，是指以通

27、用聚合物为基体,通过加入各种导电性物质，并采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。相对而言，它不仅工艺简单，而且成本较低，应用也更为广泛。因此，复合型导电高聚物的研究与应用发展较快。复合型导电高聚物的导电填料的种类很多，常用的可分为金属系和炭系两大类。用金属类填料研发的导电高聚物具有优良的导电性能外，通常用于导电性能要求特别高的场所如电磁波屏蔽等。其工作原理主要有1作为导电材料方面在复合型导电高聚物中，当填充粒子达到一定浓度时，体系的电导率发生突变，称为逾渗现象。即导电填料浓度较低时，复合材料的电阻率接近于基体的水平；当填料浓度增加到渗流阈值时，电阻率

28、往往在极窄的浓度区间内出现跨越几个数量级的下降，呈现所谓的“渗流转变”PERCOLATIONTRANSITION1。在渗流阈值以上,电阻率则主要取决于导电相的结构与堆砌方式。一般认为导电填料在渗流阈值附近开始形成贯穿于绝缘基体的渗流网络。2渗流网络的结构与性质取决于导电粒子本身的特性，如形状、尺寸、粒度、表面性质及暂态结构TRANSIENTSTRUCTURE2等。另一方面,基体的粘弹性则使导电行为在外场（如机械外力、溶剂、电场、磁场或超声场）作用下呈现温度与时间依14赖性。导电网络与基体随外界刺激作出的响应共同决定体系的导电行为。KIRKPATRICK、ZALLEN等人利用高聚物网络与导电网络

29、的相似性，借用凝胶理论描述导电网络的形成,设想在填料超过临界浓度之后，导电粒子构成的聚集体展开后就像无规链一样偶联着，如球状粒子只有体积分数达到16以上时，才会形成导电网络，这是一个基于统计学的理论，用于粒子填充高聚物的电导率。SUMITA提出了逾渗现象的热力学模型，认为随着基材类型变化，粒子临界体积分数也要发生改变。WESSLING提出了“动态界面模型”这一新概念，与SUMITA一样，把粒子和基体的表面张力作为影响逾渗网络的首要因素，这个模型采用了非平衡态热力学的概念，将逾渗现象形象化。但WESSLING的假设条件过多，与实际不甚相符。由于影响逾渗现象的因素很多，解释的各种理论都有局限性。3

30、力敏复合材料在单轴压力作用下，高分子导电复合材料的电阻具有明显的压力依赖性，呈现压阻PIEZORESISTIVITY行为。电阻R对外界应力S刺激的响应比较复杂，根据RS关系，可分为两种类型，即电阻负压力系数NEGATIVEPRESSURECOEFFICIENTOFRESISTANCE,NPCR效应和电阻正压力系数POSITIVEPRESSURECOEFFICIENTOFRESISTANCE,PPCR效应3。当基体模量较低时，S可导致复合材料微观结构发生变化，从而改变宏观力学性能与导电性能。这些特性在接触控制开关、应力压力传感器、机器手等方面获得了成功应用。B纳米材料简介从尺寸大小来说，通常产生

31、物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在01微米以下即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。其由纳米粒子NANOPARTICLE组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100NM间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同4。纳米粒子异于大块物质

32、的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子5。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合00复合、纳米微粒与常规块状复合03复合、纳米颗粒与薄膜复合02复合、不同材质纳米薄膜层状复合22复合等。通过物理或化学方法将纳米微粒填充在介孔固体如气凝胶材料的纳米孔洞中，这种介孔复合材料也是纳米复合材料6。纳米复合材料可以利用己知的纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可用于15航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域，纳米复合材料被誉为“二十一世纪的新材料”

33、。C碳纳米管填料聚合物基导电复合材料的综合性能与组分的类型及性质紧密相关。随着导电填料在高分子基体中的加入，复合材料的电导率在一定导电填料浓度范围内的变化是不连续的。当导电填料达到一定值时，导电粒子在聚合物基体中的分散状态发生了突变，即在基体中形成了导电渗滤网络，此时复合材料的电阻率会发生突变7。发生此临界转变所需的最小导电填料的体积分数称为渗滤阈值。导电复合材料的渗滤阈值的大小不仅与导电填料在聚合物基体中的分散状况和聚合物基体性质有关，而且还与导电填料的几何形状有关。因此，导电填料的种类是决定复合材料导电性能、力学性能及其它性能的一个关键性因素。导电填料的种类很多，常用的可分为碳系和金属系两

34、大类。碳系的导电填料主要包括碳黑、石墨和碳纤维等；金属系的填料主要有铅、铜、镍、铁等金属粉末、金属片、和金属纤维等。金属粉末含量一般在50左右时，才会使材料电阻率达到导电复合材料的要求，这必然使复合材料的力学性能下降。另外由于金属的密度远大于非金属的密度，因此在复合材料的成型过程中容易出现分层或不均匀现象，影响材料性能稳定性。与金属系导电填料相比，碳系导电填料表现出其显著的优势。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。SWNT直径分布较小

35、，一般只有几个纳米。由于范德华力作用，SWNT大多以集结成束的形态存在，每束含几十到几百根SWNT，束的直径约几十个纳米。MWNT内径与普通SWNT的直径相当，外径随管壁层数的变化一般为几个到几十个纳米，各层间距为034NM。碳纳米管的轴向长度为微米至厘米量级。用长径比ASPECTRATIO来表示CNT的大小,其值在103量级或者更大。碳纳米管的另一个特征是它的手性，可用特征矢量CHNAMB来描述8。CH是在平铺的六角网格状石墨晶片上，连接碳纳米管上两个等价碳原子的向量。A与B是石墨平面的结构矢量。参数N，M皆为整数。手性角是矢量CH与A的夹角。碳纳米管的形变可带来电导值的变化。TOMBLER

36、等发现SWNT的电导率可因形变而产生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SP2到SP3的变化，电导值随之降低。不过PAULSON等发现MWNT的电阻值没有随形变而变化。经LIU等细致研究，发现导电性CNTNM3P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。16碳纳米管是一种径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级的层状中空结构特征的碳材料。可以简单地把碳纳米管看成是单层或多层的石墨片卷曲成的细长圆柱体。碳纳米管具

37、有高模量、高强度，被认为是理想的聚合物增强材料。碳纳米管导电性能类似石墨，长径比大的特点使它易于形成导电网链，导电效率是石墨的20倍左右9，很适合作为导电填料。同时，碳纳米管有着较高的导热系数，满足导热散热的要求。综合碳纳米管的性能特点，大量的研究证明，将其应用于导静电涂料领域，可使传统涂层的导静电性能和防腐性能得到提升，更高效、更环保。D本论文研究的内容与意义本论文中主要以尼龙6为基体，不锈钢纤维和碳纳米管为填料，其中不锈钢纤维的含量为0，2，4，6，8，10，12，碳纳米管含量分别为0，1，3。共计对19种试样进行压阻实验。本文将通过实验测定每组试样应变率分别在102、103时的应力与应变

38、之间的关系及电阻率与应变之间的关系。并据此分析导电高聚物的力学及导电性能。由于在此填充含量下的碳纳米管导电高聚物以往研究较少，所以希望通过本文的实验和分析，能为测试载荷电阻曲线并研究其压阻效应提供基础性研究。5实验部分A实验材料和仪器设备I实验材料本实验所用PA6（尼龙6）粒料为南京德尔隆公司生产。SSF（不锈钢纤维）粒料为湖南惠同新材料股份有限公司生产，SSF直径12M，母粒长度5MM，母粒直径3MM。工业级多壁CNT为中科院成都有机化学有限公司提供，由化学气相沉淀法（CVD）生成，纯度大于85，外径2040NM，长度1030M，导电率大于100S/CM。由于在高分子材料中加入填料等于加入杂

39、质和缺陷，有引发裂纹和加速破坏的副作用，因此对填料表面进行恰当处理，加强它与高分子基体的亲合性，同时防止填料结团，促进填料均匀分散，始终是粉状填料增强改性中人们关心的焦点。这些除与填料本身性质有关外，改性工艺、条件、设备等也都起重要作用。将上述原料熔融共混，注塑成型，由北京大学工学院先进材料与纳米技术系制造。II主要实验仪器及用途ZC36型高绝缘电阻测量仪用于测量电阻值大于106时试样的电阻；17VC62数字型万用电表用于测量小于106时试样的电阻；810MTS实验设备，由HYDRAULICPOWERUNIT，647HYDRAULICWEDGEGRIP，SYSTEMELECTRONICS三部分

40、组成，用于做静态力学性能测试。B静载荷作用下复合材料的应力应变关系本实验使用810MATERIALTESTSYSTEM（动静态材料试验机，简称MTS）来进行材料静力学性能测试。MTS由HYDRAULICPOWERUNIT动力装置，647HYDRAULICWEDGEGRIP（加载装置）和SYSTEMELECTRONICS数据采集装置三部分组成。本实验应变率为102，103，在MTS试验机上进行单轴压缩试验，记录材料应变，压力、位移和时间。画出不同填料含量试样的应力应变关系。本实验对锈钢纤维的含量为0，2，4，6，8，10，12，以碳纳米填料的含量分别为0，1，3，共计对19种试样进行了压缩实验。

41、C电阻与应变的关系实验I应变率为102时电阻与应变的关系实验MTS上下两个压头之间绝缘，故本实验将上下两个压头各接导线连至电阻测量装置（高阻计或电阻计），复合材料在进行电阻测试之前，试样两侧均匀涂抹导电银胶，有助于增加试样与压头之间的接触，减少因初始条件下因接触不良导致的误差。本实验应变率为102，应变为90，压缩位移为27MM。测试时间90S，记录点5S每点，共计19点。人工记录内容为时间及即时电阻，MTS记录内容为即时应变，压力和位移。本实验对锈钢纤维的含量为0，2，4，6，8，10，12，以碳纳米填料的含量分别为0，1，3，共计对19种试样进行了压阻实验。II应变率为103时电阻与应变的

42、关系实验本实验与231实验使用仪器相同。应变率为103，应变为667，压缩位移2MM。测试时间为670S，记录点10S每点，共计68点。人工记录内容为时间及即时电阻，MTS记录内容为即时应变，压力和位移。6结果研究与分析将实验所得的数据进行处理，由公式LAR（其中为电阻率，R为电阻，A为截面面积，L为厚度）将所测得的电阻都换算为电阻率，对电阻率取对数，然后使用ORIGIN作图，并进行数据拟合。18A应变率为102、103时的应力应变关系实验分析实验中仪器记录了压力（KN）位移（S）对应数据，处理时，先通过公式0AP和D（0A为小圆片面积，D为厚度）。实验对不锈钢纤维（SSF）的含量为0，2，4

43、，6，8，10，12，以碳纳米填料（CNT）的含量分别为0，1，3，共计19种试样进行实验，得出的数据在以下分组进行讨论。I应变率为102时的应力应变关系实验分析图311313中给出了应变率为102条件下应力应变关系，由关系可知，整体的趋势是随着应力增大变形量增加。在宏观上，分段观察，初始阶段，应力随应变的增大而较快增大，中间趋于平缓，末端又较快增大，且斜率高于初始阶段。变化过程可由压缩模量（又称“弹性模量”、“杨氏模量”、“体积模量”，用K表示，单位N/M2）反映，它表示纵向应力与纵向应变的比例常数，在弹性范围内大多数材料服从胡克定律，即变形与受力成正比，公式表示为K/10。压缩模量是工程材

44、料重要的性能参数，从宏观角度来说压缩模量是衡量物体抵抗压缩变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的压缩模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。压缩模量可视为衡量材料产生压缩变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定压缩变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生压缩变形越小。压缩模量K是指材料在外力作用下产生单位压缩变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度9。在图311313中每条曲线第二个拐点之前，都处于压缩模量的适用范围，且为定值，第二个拐点之后，由于

45、材料发生不可恢复性变形，压缩模量不再适用。由于形变越来越大，分子间隙越来越小，压缩越来越接近极限，故为达到相应的应变所需应力会越来越大。19000204060810050100150200250300350400450500550600/MPA00CNTSSF02040608010012图311CNT含量为0试样应变率为102时的应力应变曲线000204060810050100150200250300350400450500550600650/MPA10CNTSSF141618110112图312CNT含量为1试样应变率为102时的应力应变曲线2000020406081001002003004

46、00500600700/MPA30CNTSSF343638310312图313CNT含量为3试样应变率为102时的应力应变曲线如图311313中相同碳纳米管填料含量，不同不锈钢纤维含量的应力应变图中对比可知，碳纤维的含量越高，达到相应的应变所需应力也越高。不锈钢纤维导电复合材料是纤维增强材料的一种，纤维增强材料是利用纤维的高强度、高模量、尺寸稳定性和树脂的低密度、强韧性设计制备的一种复合材料。两者取长补短，复合的同时既克服了纤维的脆性，也提高了树脂基体的强度、刚性、耐蠕变和耐热性。不锈钢纤维的含量的提高使得材料的压缩模量有了明显的提高11。不锈钢纤维具有高强度可以承受高应力，树脂基体容易发生粘

47、弹变形和塑性流动，它们与不锈钢纤维粘结在一起可以传递应力。材料受力时，同时相应发生形变，首先由纤维承受应力，个别纤维即使发生断裂，由于树脂的粘结作用和塑性流动，断纤维被拉开的趋势得到抑制，断纤维仍能承受应力。树脂与纤维的粘结还具有抑制裂纹传播的效用。材料受力引发裂纹时，软基体依靠切变作用能使裂纹不沿垂直应力的方向发展，而发生偏斜，使断裂功有很大一部分消耗于反抗基体对纤维的粘着力，阻止裂纹传播。21000204060810050100150200250300350400450500550/MPA00CNTSSF1030图314SSF含量为0试样应变率为102时的应力应变曲线00020406081

48、0050100150200250300350400450/MPA04CNTSSF1434图315SSF含量为4试样应变率为102时的应力应变曲线22000204060810050100150200250300350400450500550600650/MPA06CNTSSF1636图316SSF含量为6试样应变率为102时的应力应变曲线000204060810050100150200250300350400450500550600650/MPA08CNTSSF1838图317SSF含量为8试样应变率为102时的应力应变曲线230002040608100100200300400500600700

49、/MPA010CNTSSF110310图318SSF含量为10试样应变率为102时的应力应变曲线0002040608100100200300400500600700/MPA012CNTSSF112312图319SSF含量为12试样应变率为102时的应力应变曲线如图314319中不同碳纳米管填料含量，相同不锈钢纤维含量的应力应变图中对比可知，随着CNT含量的升高，同SSF的试样的第二拐点明显较无CNT的试样滞后，但抗压性能仍高于不含CNT的试样。然而并非CNT越多对抗压性能的提升越高，图315319表现为CNT含量1的试样同应变所需应力高于3试样。碳纳米管填料作为活性粒子，吸附大分子，形成链间物理交联，活性粒子起物理交联点的作用，使得材料的整体力学性能有所提升。24II应变率为103下的应力应变关系实验分析0001020304050607020406080100120140160180200220240260/MPA00CNTSSF02040608010012图3110CNT含量为0试样应变率为103时的应力应变曲线0001020304050607020406080100120140160180200220240260280300320/MPA10CNTSSF1