碳纤维_树脂基复合材料导电性能研究

第27卷 第5期

2005年5月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.27 No.5 M ay 2005

碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究

于 杰,王继辉,王 钧

(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)

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PT C 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,PT C 效应越明显,转变温度越低;实验还发现体积膨胀是导致PT C 效应的主要因素之一,通过分析PT C 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。关键词: 短切碳纤维/乙烯基酯树脂; 导电性; 长径比; PT C

中图分类号: T B 332文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2005)05-0024-03

Study on Electric Properties of Carbon Fiber/Polymer Composites

Y U J ie,WAN G J i -hui,WAN G Jun

(Schoo l of M aterials Science and Engineering,Wuhan U niversity of T echnolo gy,Wuhan 430070,China)

Abstract: T he electr ical co nduct ivity and P T C effect of chopped -carbon fiber filled viny-l ester resin composites were studied.Filler aspect r at io and filler orientation were found to evidently affect t he composites conductiv ity.It w as also proved that the volume ex pansion was a main factor.It has r esulted in the composites .PT C behavior ,w hich is mor e sensitive and evident when the filler fraction is w ithin t he percolation r eg ion.It also advanced the conductive mechanism based on the analysis of the rela -tion between volume expansion and PT C behav ior.

Key words: chopped -carbon fiber/viny-l ester r esin; electrical conductivity ; aspect ratio; P T C

收稿日期:2005-01-30.

基金项目:军工863项目(2003AA 305920).作者简介:于 杰(1980-),男,硕士生.E -mail:yujiejack@ 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[1,2]。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PT C 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。

1 实 验

1.1 试样制备

碳纤维:PAN 基纤维,型号HTA -12K,由OH O TAYON 公司生产;树脂:3201#

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(1mm 、3mm 、5mm)的碳纤维按不同的含量(0.5%~10%)与树脂、固化剂及促进剂混合搅拌均匀,浇注到钢模中,140e 下固化20m in,自然冷却,脱模后加工成50m m @20mm @4mm 的片材。

1.2 试样性能测试

研究和借鉴Wang Guoquan [3]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ISO3915和ISO1853的测试方法。Wang 的实验证明,阻值在103~1048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1048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-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KEITHEY2700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5e /m in 。用X 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。2 结果与讨论

2.1 碳纤维含量与电阻率的关系

图1是1mm 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1可以看出,碳纤维含量为0.5%~1.0%时,材料电阻率在1088#mm 左右,属于绝缘体;在碳纤维含量从1%增加到4%左右时,电阻率由1088#mm 左右迅速下降到1028#mm 左右,接近碳纤维的电阻率,出现/渗滤0现象;当纤维含量大于4%时,试样体积电阻率与碳纤维的含量基本呈线性变化。

/渗滤0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0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。

2.2 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[4]。由图2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。1m m 和3mm 的试样渗滤阈值在1%左右,而5mm 试样的电阻率在含量低于1%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。

2.3 纤维取向对导电性的影响

碳纤维具有明显的长径比,纤维

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

表1 材料纵横向电阻率对比结果w (纤维)/% 1.5246810横向电阻率/(8#mm)

5123.011414.21113.3097.8875.2023.01纵向电阻率/(8#mm)8805.474086.46327.43119.3385.1930.02

纵横向的电阻率进行比较,结果如表1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6%时,复合材料的导电性基本不受取向的影响。

2.4 复合材料PTC 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-温度效应的研究也有助于对导电机理的认识。

罗延龄[5]等将电阻率-导电填料含量关系曲线分为3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3可以看到,碳纤维含量为2%时,电阻值在95e 之前变化不大,而在95e 附近电阻值出现突变,增大4个数量级;碳纤维含量为4%时,从40~175e 电阻值变化不大,至175e 时,电阻值发生突变,增大近5个数量级;当纤维含量达到10%时,电阻值随温度变化已经不太明显,除了在95e 和170e 附近有少许增大,几乎呈一条直线。从图1可以看到含量为2%时仍处于阻值变化较大的临25

第27卷 第5期 于 杰,等:碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究