温度对导电硅橡胶电阻特性的影响

+ ( eT ) :
,
+ ( eT ) =
!=
.
j = 2 dj ( eT ) lim ∀ eA deT
1 1 ! - !0 = 1 !0
按下式取平均:
−P( e ) + ( e ) de
0 T T
T
/
其中: P ( eT ) = #exp(- UeT / #T ) , 表示 eT 出现的几率 , U = A / 8 ∃( A 等于狭缝 ∃x 2 | e| - 1 e0
[ 1, 2]
比拟的一系列优异性能。因此 , 对于以硅橡 胶为基体的导电橡胶的 - T 关系的研究具 有重要意义。本文对导电硅橡胶在不同热处 理温度条件下的 - T 关系进行了研究, 并 从理论上对实验结果进行了分析。
1
实验
1. 1 原材料 GMX332 型液体硅橡胶 , 成都有机硅研 究中心生产; 交联剂 , 正硅酸乙脂; 催化剂, 二 月桂酸二丁基锡; 导电粒子, 石墨和炭黑的混 合粉 , 质量比为 2 1。 1. 2 试样制备 将橡胶和导电粒子混合均匀 , 然后加入 交联剂和催化剂进行硫化 , 待硫化后, 将样品 制成长为( 20 0. 1) mm, 宽为( 5 0. 1) mm , 厚为 ( 1 0. 1) m m 的条样进行测试。所制试 样导电粒子和橡胶的体积比分别为 : 0. 95 1
M M - !0 ex p - T + N T + N 0 = M !0 ex p - T + N 0 T - T0 = exp - M - 1 3 ( T + N ) ( T 0+ N ) 显然, M 、 N 为 正 数, T - T 0 > 0 , 由 exp (- K x ) 函数的规律可知, & 是一个随 增大而减少的量, 且 & 为负数。
令: M = 则 1 式变为: ! = !0 ex p M T + N 2 A e2 0 8∃# N = Ae2 0 2 4∃ x
由此式可以看出电导率与温度 T 和 有 关, 当拉敏导电橡胶体的温度升高时, 对应于 橡胶体产生热膨胀使得缝宽 加大, T 增加 由 exp (- x ) 的函数关系可知 ! 增加 , 增加 由 exp(- x ) 的函数关系可知 ! 减少, 因此我 们认为拉敏导电橡胶电阻随温度变化的机理 是由这两方面共同作用的结果。 又: R - R0 &= R0 = !0 exp 0 0
2. 3 讨论 关于电阻随温度变化的机理 , 我们认为 它主要与导电橡胶的导电机理有关。虽然导 电机理有导电通道学说和隧道效应学说, 但
图1 # 号样品在不同温度下电阻随时间的变化曲线
根据导电 粒子在橡胶基 体中的分 布[ 3] 及作 者根据 Sheng . P 等人 [ 4, 5] 的理论计算的导电 粒子的间隙宽度 的典型值[ 6] 证明起决定
: 即负温度系数、 低正温度系数和高正
温度系数。而硅橡胶具有其它有机基体无可
湖南省科委资助课题 收稿日期 : 1999- 06- 29
14
特种橡胶制品
第 20 卷
第6期
( ! ) ; 0. 98 1 ( ∀ ) ; 1 1( # ) ; 1. 02 1( ∃) ; 1. 05 1( % ) ; 1. 1 1( & ) 1. 3 性能测试 1 数字 2 万用表采用 4 点法测量电阻和电阻率 , 电极 采用恒温箱进行控温, 用 Datra5 材料为铜薄 ; 由改装的物理天平以加砝码的 方式对样品进行加载。
Influence of Temperature on the Resistance Character of the Conductive Silicone Rubber
X ie Quan L uo Ji aol ian
410076) ( Depar t. of Information and Computing Sciences, Chang sha Jiaotong Institut e Changsha
Gan Fux i
( Shanghai Institute of Optics and Fine M echanics- T he Chinese A cademy of Sciences Shanghai 201800) Abstract In this paper, the resistance chang e of the conductiv e silicone r ubber in the process of rising temper ature w as studied. We found that the r esistance change in the process of rising temper ature was divided into tw o parts of t he rising temperatur e process and the constant process. T he r esistivity change in different anneal temperature and t he resistance relax ation time with 20g pulling force were measured, and the mechanism of t he influence of tempera ture on the r esistance properties w as analy zed. Keywords co nductive silicone rubber t hermal treatment resistance character
图2 ∃号样品在不同温度下电阻随时间的变化曲线
表1
温度 / ∋
∃号 样品在不同温度 下的电阻 率和达 到 稳定 的时间
室温 30 50 70 90
电阻率 / ( ( mm) 达 到稳 定 值 所需 的 时间 / min
212. 6 201. 8 187. 4 165. 2 141. 7 17. 0 15. 5 14. 5 12. 0 11. 0
个过 程 : 升温过程和恒温过程 。 测量了在不同热处理温度下电阻率 的变化及加 20g 拉力时电 阻的 弛豫时间 。 分析了温度对电阻特性影响的机理 。 关键词 导电硅橡胶 热处理 电阻特性
复合型导电高分子材料是高分子材料与 导电物质通过分散复合、 层压复合以及形成 表面导电膜等方式构成的一种功能高分子材 料。其中分散复合型 ( 或填充型) 导电高分子 材料是将导电材料以不同的方式和加工工艺 均匀分布到聚合物基体中而构成的功能高分 子材料。复合型导电高分子材料最初用来防 止静电现象, 进入当今的电子时代后, 即以各 种形式被应用到电子电路中, 在本世纪 70~ 80 年代 , 国外电子工业对导电高分子制品的 需求和应用发展迅速, 根据导电高分子材料 的导电率及其物理、 机械性能而应用于各个 领域, 从而使有机导体高分子的研究成为当 今国际边缘学科 十分活跃 的领域之 一。但 是, 一般 而言, 有 机体材料 受温度的 影响较 大, 因此对这种材料的电阻温度特性进行研 究是十分重要的。对于填充型复合导电高分 子材料, 其电阻率与温度的关系极为复杂, 一 般认为此类材料的 - T 关系可分为三种类 型
1999 年
谢百度文库
泉等
温度对导电硅橡胶电阻特性的影响 *
13
温度对导电硅橡胶电阻特性的影响
谢 泉 罗姣莲( 长沙交通学院信息与计算科学系 ( 中国科学院上海光学精密机械研究所 长沙 410076) 干福熹
摘 要
上海 201800)
研究了升温过程中导电硅橡胶电阻特性的变化 , 发现升温 过程中电阻 的变化分 为两
3
结论
( 1) 在一定温度下电阻的弛豫过程可分 为两部分 , 即: 上 升过程 和下降趋 于稳定过 程。 ( 2) 热处理后, 电阻率下降 , 温度越高, 下 降得越快。热处理使导电硅橡胶受力的弛豫 过程加快。 ( 3) 导电硅橡胶的电阻值变化率随温度 的升高而逐渐降低 , 并具有负的温度系数。
引用文献 1 V oet A . Rub. Chem. T echno, 1981, 54( 1) : 42 2 M iyauchi S. inter. Po lym. Sci. T echno, 1985, 12 ( 1) : 49 3 谢泉 , 刘让苏 , 彭平等 . 中国电子显微 学报 , 1998, 17( 2) : 172 4 Sichel F . K , Gettleman J. I. Phys. Rev, 1978, B18: 5712 5 Sheng P. Phys. R ev , 1980, B21: 2180 6 谢泉 , 刘让 苏 , 彭平 等 . 高分子 材料 科学与 工程 , 1998, 1: 94
16
特种橡胶制品 变
第 20 卷
第6期
由于迅速升温 , 橡胶体膨胀迅速, 缝隙
有所改善是因为升温处理使橡胶进一步交联 固化 , 结构弛豫有所改善 , 加力后的弛豫时间 减少。
宽, 尽管这时 T 也升高, 但橡胶体膨胀占主 导地位 , 根据公式 2 , 总的趋势是 ! 减少 , 电 阻 R 增加。 当升温至 53 ∋ 停止时 , 这时橡胶 体膨胀的趋势减小, 而由于橡胶体内传热慢, 传热过程还在继续, 局部温度仍然升高 , 此时 两个过程逐渐达到平衡 , 出现图中极大值的 现象。 随着恒温的继续 , 曲线进入( ∀) 过程, 在此过程中, 橡胶体内由于传热继续进行, 局 部温度还在升高, 这时局部升温相对于膨胀 趋势占据了主导地位, 根据公式 2 , 总的趋 势是 ! 增加, 电阻 R 减少, 随着时间的延长, 最后橡胶体膨胀和局部升温都将停止, 曲线 变化平缓 , 电阻趋于稳定值。 就整个变化的结 果来看, 由于温度升高对电阻的影响要大于 膨胀的影响, 因此体现为电阻值下降, 每一温 度下的稳定值都小于其初始电阻值, 即拉敏 导电硅橡胶的电阻温度系数为负值。 对于热处理对电阻率的影响, 根据公式 3 可知, & 是一个随 减少而增加的量 , 又因 exp 的负次幂总小于 1, 所以 & 必为一个负 值, 从而表明电阻随温度的升高而降低。 我们 知道 , 试样经热处理回到常温后, 由于仍然部 分保持了高温时的形态 , 因此电阻比未经热 处理时的要低, 而试样经过热处理后稳定性
2
的体积) , 而隧道效应理论的基本方程式为: j ( e) = j 0exp | e | < e0 到下面的公式: - Ue 2 0 # ! = !0 ex p 2 Ue2 0 T + ∃x # 将 U= A / 8∃代入得 : - A e2 0 8∃# ! = !0 exp 1 A e2 0 T+ 2 4∃ x# 2 1/ 2 式中 : x = 4 m %0 / h , 它与 e 0 , !0 , #, A 都是常数 , 这里只有两个变量 和T ,
2
2. 1
结果和讨论
升温时电阻的变化过程 ( 电阻温度弛 豫) 将所配试样放在升温的密闭箱中测定其
电阻随时间变化的 R - t 曲线, 由于篇幅的 限制 , 只列出 # 号和 & 号两个试样的结果, 如 图 1 和图 2。结果表明: 由开始升温到温度 达到指定值这一过程中, 电阻随时间变化的 R - t 曲线可以分为 两部分: 即 上升部分和 下降趋于稳定部分, 但总的趋势是电阻 R 值 下降 , 即导电硅橡胶的电阻温度系数为负值。
1999 年
谢
泉等
温度对导电硅橡胶电阻特性的影响 *
15
作用的是隧道效应理论。而温度对拉敏导电 橡胶的电阻的影响主要有两个方面: 一是由 于橡胶体受热将产生膨胀, 使导电粒子间隙 增宽 , 从而影响电导率 !, 另一方面由于升 温产生热扰动, 使得间隙中的电场 e 发生变 化, 电子热激活增强也影响电导率。根据文 献[ 4, 5] , !、 与 T 的关系推导如下 : 假定用 eT 来表示由于升温产生热扰动 引起的电场变化 , eA 表示外加电场。则: e = eT + eA 际上的隧道电流为: ∀ j = j ( ( eA + eT ) - j ( ( eA - eT ) 在此 , 用下式来定义 ∗ ) 当外加电场 eA 很低时 , 即 eA < eA 时, 实
2. 2 热处理对电阻率的影响 对所有试样 分别在 30 ∋ 、 50 ∋ 、 70 ∋ 和 90 ∋ 下热处理 1 小时, 测量其室温时的电阻 率, 以及加 20g 拉力时电阻达到稳定的时间。 表 1 只列出了 & 号试样的数据。结果表明 : 试样的电阻率经过热处理后呈下降趋势, 热 处理温度越高 , 下降程度越大 , 试样加拉力后 的电阻弛豫时间减少。
0
把 0 式和 , 式代入积分 / 式, 最后得
图 3 53 ∋ 时电阻与时间关系曲线
对于电阻温度弛豫, 以 & 号试样在 53 ∋ 时的电阻 随时间变化曲 线为代表 来进行讨 论。 曲线可分为两部分, 如图 3 所示 : ( ! ) 为 升温过程 , ( ∀ ) 为恒温过程。 在 ( ! ) 过程中 ,