碳纤维_树脂基复合材料导电性能研究

纵横向的电阻率进行比较，结果如表/所示。纤维取向角越小（在光学显微镜下观察到的纤维取向角小的方 向定为横向），纤维在导电性测量方向相互接触的可能性增大，则越有利于复合材料内部二维导电网络的形
成。与纤维长径比对材料导电性能的影响相似，取向的影响在高浓度时并不明显，在含量达到A! 时，复合 材料的导电性基本不受取向的影响。
"!# 纤维取向对导电性的影响 碳纤维具有明显的长径比，纤维
表! 材料纵横向电阻率对比结果
取向将 导 致 短 切 碳 纤 维／乙 烯 基 酯 树 脂复合材料的各向异性，因此也会对 材料的导电性产生影响。将同一试样
#（纤维）／!
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横向电阻率／（"·==）0/:*!2/ /3/3!:/ //*!*2 .;!11 ;0!:2 :*!2/ 纵向电阻率／（"·==）1120!3; 321A!3A *:;!3* //.!** 10!/. *2!2:
于 杰，王继辉，王 钧
（武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 -.$$"$）
摘 要： 研究了短切碳纤维／乙烯基酯树脂导电性与短切碳纤维含量、长径比、纤维取向的关系及其 /01效应。短切 碳纤维长径比越大、取向角越小，材料的渗虑阈值越低，导电性越好。渗虑阈值之后，纤维含量越低，/01效应越明显，转 变温度越低；实验还发现体积膨胀是导致 /01效应的主要因素之一，通过分析 /01效应与体积膨胀之间的关系，得出 渗滤区域材料的导电性受导电通路与隧道效应的综合影响，当纤维含量较高时，导电性能基本只受导电通路的控制。
“渗滤”现 象 反 映 出 在 突 变 点 附 近 导
电填料开始在树脂基体中形成导电通路
网络，此时，材 料 的 导 电 性 能 由 导 电 通 路
与隧道效应二者综合作用决定，随碳纤维
含量呈非 线 性 变 化；“ 渗 滤 阈 值 ”之 后，碳
纤维在体系中形成了稳定的导电通路网
络，材 料 电 阻 率 主 要 受 碳 纤 维 含 量 的 影
响，随纤维含量基本呈线性变化。
"!" 碳纤维长径比对电阻率的影响 碳纤维的长径比对复合材料导电性能影响显著［3］。由图:可以看出相同含量、不同长度的碳纤维填充
的复合材料电阻率是不同的。/== 和*== 的试样渗滤阈值在/! 左右，而0== 试样的电阻率在含量低 于/@时就已经呈现突变。这是由于长径比越大，越有利于导电通路的形成，从而降低了导电复合材料的渗 滤阈值。纤维含量较高时，长径比对导电性的影响较小，不同长径比相同含量的复合材料导电性相差不大。
" 结果与讨论
"!! 碳纤维含量与电阻率的关系 图/是/== 碳纤维／乙烯基酯树脂复合材料的电阻率随碳纤维含量变化曲线。由图/可以看出，碳纤
维含量为2!0! !/"2! 时，材料电阻率在/21"·== 左右，属于绝缘体；在碳纤维含量从/! 增加到3! 左右 时，电阻率由/21"·== 左右迅速下降到/2:"·== 左右，接近碳纤维的电阻率，出现“渗滤”现象；当纤维含 量大于3! 时，试样体积电阻率与碳纤维的含量基本呈线性变化。
第!"卷 第#期 !$$#年#月
武汉理工大学学报
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碳纤维／树脂基复合材料导电性能研究
与许多半结晶热塑性树脂为基体的导电复合材料不同，碳纤维／乙烯基酯树脂复合材料在电阻值突增之 后并没有出现明显的 5&’效应。这是因为，热固性树脂基体是一种三维网状结构，对导电填料有很强的束 缚作用，基体不能熔融流动导致导电填料的重排，导电网络被破坏后难以恢复，从而不呈现 5&’效应。
!结 论
6.碳纤维长径比和取向对复合材料导电性有较大影响，长径比越大、取向角越小，材料渗滤阈值越低，导 电性能越好。但纤维越长，越不容易分散均匀，将导致材料电导率的不均匀性。
7.材料的%&’效应受碳纤维含量影响，在渗滤区域，%&’ 效应较明显，转变温度低；纤维含量高时，导 电性随温度变化不明显；且其 %&’ 效应不受基体结晶性的影响，体积膨胀是造成 %&’ 效应的主要因素。
8.由 %&’ 效应和体积膨胀的关系可知，当纤维 含量 较低 时，材 料导电性受隧道效应和导电通路的综合 控制，而当纤维含量很高时，材料内部的导电通路已经稳定，因此导电性基本由导电通路控制，电阻率与碳纤 维含量基本呈线性关系。
参考文献
［"］ 9:;<;=>?.@A<8B:C86A’D;=>8BCECBFDG)HD:B’6:7D;IC7<:4:<C;GD:8<=%DAF’HAD:DJ:<;<K>77<:6;=L<8H6;CMNDG’D;=>8BCD; ［O］.%DAFN @;P Q )8C，"++2，$2（R）：!!,!!S+.
关键词： 短切碳纤维／乙烯基酯树脂； 导电性； 长径比； /01
中图分类号： 02..!
文献标志码： 3
文章编号：45"46--.4（!$$#）$#6$$!-6$.
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武汉理工大学学报
2##S年S月
界区域，!! 时则处在临界区域的末端，而含量为"#! 时，填料含量已经趋于饱和，阻值比较稳定。这一结果 与罗延龄等$个区域的划分一致。
树脂基体的结晶特性对材料%&’特性有很大影响。测试结果表明无论是 ()’还是 *射线衍射图均没 有发现结晶峰的存在，说明碳纤维／乙烯基酯树脂复合材料基本上是一种无定型材料。因此可以推测，基体
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收稿日期：!$$#6$46.$(
基 作金 者项简目介：：万军于工方O杰数5（.4据P项O$目6（）!，$男$.，硕33士.$生#P(!B$6J）+(>’：,EQ><Q+8R!?&9E(8&J
第:;卷 第0期
于 杰，等：碳纤维／树脂基复合材料导电性能研究
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!!" 试样性能测试 研究和借鉴 "#$%&’()’#$［*］的势差法以测量复合材料的导电率。这是一种四电极法，类似于+,-*./0
来自百度文库
"$% 复合材料&’(效应的研究 导电高分子复合材料电阻随温度变化的非欧姆性或非线性关系，可用于电信工程、自控温加热器、电流
限流器、电流过载保护等。同时，对电阻4温度效应的研究也有助于对导电机理的认识。 罗延龄［0］等将电阻率4导电填料含量关系曲线分为*个区域：高电阻区、渗滤区和高导电区；并认为在渗
滤区域，材料表现出热敏、压敏和工艺不稳定等独特性能，而在高导电区域，填料含量趋于饱和，导电性能稳
定，对温度等影响不敏感。从图*可以看到，碳纤维含量为:! 时，电阻值在.0 <之前变化不大，而在.0 < 附近电阻值出现突变，增大3个数量级；碳纤维含量为3! 时，从32!/;0 <电阻值变化不大，至/;0 <时， 电阻值发生突变，增大近0个数量级；当纤维含量达到/2! 时，电阻值随温度变化已经不太明显，除了在 .0 <和/万;2方<数附据近有少许增大，几乎呈一条直线。从图/可以看到含量为:! 时仍处于阻值变化较大的临
G实 验
G(G 试样制备 碳纤维：/3) 基纤维，型号 S0364!T，由 USU03VU) 公司生产；树脂：.!$4"乙烯基酯树脂，上海新华
树脂厂生产；固化剂：过氧化苯甲酰，促进剂：环烷酸钴，均由武汉理工大学树脂厂生产。将各长径比（4JJ、 .JJ、#JJ）的碳纤维按不同的含量（$.#/ #4$/ ）与树脂、固化剂及促进剂混合搅拌均匀，浇注到钢模中， 4-$ W下固化!$J>@，自然冷却，脱模后加工成#$JJX!$JJX-JJ 的片材。
E:6F7<5@： 89&HH<A68+=I&@:>I<=／G>@,’6<?;<==<?>@； <’<8;=>8+’8&@AE8;>G>;,； +?H<8;=+;>&； /01
复合型导电高分子材料可以在较大范围内根据需要调节材料的电学、力学性能及其它性能，而且成本较 低、易于成型并进行大规模生产，是当前研究开发的重点。其中，碳纤维作为一种纤维状导电填料，填充树 脂、橡胶、橡塑共混物等复合型导电高分子材料的研究也经常见诸报道［4，!］。虽然针对碳系填料填充的热塑 性树脂复合材料的研究十分广泛，但关于以热固性树脂为基体的导电复合材料的研究却少有报道。以短切 碳纤维／乙烯基酯树脂为研究对象，研究了碳纤维含量、长径比及纤维的取向对复合材料导电性能的影响，并 对其 /01 效应进行了研究，力图探索短切碳纤维填充热固性树脂基复合材料的导电机理。
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和+,-/10*的测试方法。"#$%的实验证明，阻值在/2*!/23" 以下时，该法能很好地降低接触电阻，保证 测量的准确性。阻值高于/23" 时改 用 铜 片 作 为 电 极 用 数 字 万 用 表 及 高 阻 表 进 行 测 量。 在 阻4温 关 系 测 试 中，将试样及一个热敏电偶放入马丁耐热箱中，并与 56+7869:;22数据采集／程控开关／数字多用表连接， 多用表用来采集试样周围温度值以及试样电阻随温度变化的数据；升温速率0 <／=>$。用 ? 射线衍射法和 示差扫描量热法测试复合材料基体的结晶特性；试样体积膨胀率随温度的变化由体积膨胀仪进行测试。
交联度基本相同的情况下（因为制备工艺和原材料相同），基体性质对这一材料的 %&’ 特性影响较小。
由体积膨胀曲线可以明显地看到 %&’ 效应与体积膨胀的关系。图!为碳纤维／乙烯基酯树脂体积膨胀 率随温度的变化关系。基体线性膨胀率随温度线性增大至+, -附近达到一个峰值，约为$.,/"#0$／1，经 过一个低谷然后随温度线性增大，到2## -时，体积膨胀率已达3.#/"#0$／1 以上。可以看到该曲线与电 阻4温度关系曲线变化趋势有很好的对应关系。因此，可以推断体积膨胀是导致 %&’效应产生的主要因素 之一。但由于线性膨胀率只有"#0$／1，所以由体积膨胀引起的稀释效应并不足以使导电通路完全断开从而 产生电阻值的突变。作者认为，处于渗滤区域的复合材料其导电性受导电通路和隧道效应综合影响，随着温 度升高，聚合物基体发生膨胀，当体积膨胀达到一定程度时，由于稀释作用，纤维相对含量明显降低，导致部 分导电通路被破坏，并且纤维间距离增大，以至于隧道效应难以发生，电阻值出现突变；而碳纤维含量很高 时，导电性完全由导电通路控制，体积膨胀无法使大部分通路断开，因此电阻率随温度变化不明显。