硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能研究

北京化工大学硕士研究生学位论文题目硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能研究研究生刘浩亮专业材料科学与工程指导教师田明教授日期:二零一二年六月五日北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：日期：导师签名：日期：学位论文数据集中图分类号TQ334.9学科分类号430.5530论文编号1001020120386密级公开学位授予单位代码10010学位授予单位名称北京化工大学作者姓名刘浩亮学号2009000386获学位专业名称材料科与工程获学位专业代码080502课题来源基金课题研究方向介电弹性体论文题目硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能研究关键词硅橡胶，二氧化钛，聚乙二醇，介电常数，电致应变，优化指数论文答辩日期2012.05.27*论文类型基础研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名职称工作单位学科专长指导教师田明教授北京化工大学高分子材料评阅人1吴文彪高工北京橡胶工业研究设计院高分子材料评阅人2吴卫东高工北京化工大学高分子材料评阅人3评阅人4答辩委员会主席吴文彪高工北京橡胶工业研究设计院高分子材料答辩委员1张立群教授北京化工大学高分子材料答辩委员2田明教授北京化工大学高分子材料答辩委员3吴丝竹教授北京化工大学高分子材料答辩委员4赵秀英副教授北京化工大学高分子材料答辩委员5吴卫东高工北京化工大学高分子材料注：一.论文类型：1.基础研究2.应用研究3.开发研究4.其它二.中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。三.学科分类号在中华人民共和国国家标准（GB/T13745-9）《学科分类与代码》中查询。四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。摘要I硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能研究摘要硅橡胶介电弹性体复合材料在介电弹性体研究领域中研究最为广泛，具有模量低、介电常数高、弹性能量密度高、应变响应速度快、加工性好等优点，有着良好的应用前景。本文分别制备了硅胶/二氧化钛和硅胶/聚乙二醇复合材料，研究了二氧化钛和聚乙二醇对硅胶介电性能、力学性能以及电致应变性能的影响。主要内容如下：1、以液体硅胶DC3481为基体，分别以微米金红石型二氧化钛（µ-TiO2）、纳米金红石型二氧化钛(n-TiO2)和纳米混合型二氧化钛(Mix-TiO2)为填料，通过溶液室温硫化法制备了硅胶/TiO2复合材料薄膜。首先将30份这三种不同类型的TiO2分别添加到硅胶中，这三种不同类型TiO2与硅胶的复合材料的介电常数、杨氏模量均高于纯硅胶。两种金红石型TiO2复合材料的介电常数最高，比纯硅胶提高了80%，金红石型微米TiO2复合材料的优化指数（介电常数与杨氏模量的比值）最高，因此在50V/μm驱动电压下其电致应变达到18%，比纯硅胶高出50%。然后分别添加10、20、30phr微米金红石型TiO2到硅胶中，研究了其用量对硅胶介电、力学、电致应变等性能的影响，复合材料的模量与介电常数随TiO2用量增加会持续提高，30份TiO2与硅胶复合材料的优化指数最高，其电致应变也最高。将实际电致应变与理论计北京化工大学硕士学位论文II算值进行了对比分析，阐述了介电损耗和力学损耗对电致应变的影响。2、以液体硅胶DC3481为基体，分别以重均分子量为600和1500的聚乙二醇(PEG)为填料，通过溶液室温硫化法制备硅胶/PEG复合材料。首先分别将5phr这两种不同分子量的PEG添加到硅胶中，这两种复合材料的介电常数均高于纯硅胶，PEG1500/硅胶复合材料的介电常数最高，比纯硅胶高出50%。PEG600/硅胶的杨氏模量低于纯硅胶，PEG1500/硅胶复合材料的模量高于纯硅胶。这是由于PEG600为液态，具有增塑作用，能够降低分子间力，PEG1500为半结晶结构具有增强的作用。最终PEG600/硅胶复合材料的优化指数高于纯硅胶，PEG1500/硅胶复合材料的优化指数低于纯硅胶，导致PEG600/硅胶的电致应变最高，PEG1500/硅胶的电致应变最低。然后分别添加2、5、8份PEG600到硅胶中，研究PEG600用量对硅胶介电、力学和电致应变性能的影响。随着PEG600用量增加，复合材料的介电常数持续提高，模量持续下降，电致应变持续提高。但是复合材料的体积电阻率也持续下降，使复合材料的击穿强度下降。此外，将理论计算应变与实际电致应变进行了比较分析，讨论了介电常数、介电损耗、杨氏模量、力学损耗与电致应变之间的关系，对今后的研究有一定的指导意义。关键词：硅橡胶，二氧化钛，聚乙二醇，介电常数，电致应变，优化指数ABSTRACTIIITHEPREPARATIONANDSTUDYOFSILICONEDIELECTRICELASTOMERCOMPOSITESABSTRACTDielectricsiliconeelastomercompositeshavethemeritsoflowmodulus,highdielectricconstant,highelasticenergydensity,fastresponsespeedandgoodprocessability,sotheyenjoythemostcommonresearchinthedielectricelastomerfield.Thecompositesofsilicone/TiO2andsilicone/PEGwerefabricated.ThentheinfluenceofTiO2andPEGonthedielectric,electric,mechanicalandelectromechanicalpropertiesofsiliconecompositeswastested.Thedetailsareasfollowed:1.Thecompositescomposedofsilicone(DC3481)andthreetypesofTiO2(microrutile,NanorutileandNanomixed)werefabricatedthroughroomtemperaturevulcanizationmethod.First,30phrofthethreetypesofTiO2wereaddedinsiliconeseparately.BoththedielectricconstantandtheYoungmodulusoftheresultedthreekindsofcompositeswerehigherthanthemofthepuresilicone.ThedielectricconstantofrutileTiO2washigherthanitofthemixedTiO2,sothedielectricconstantofthesilicone/µ-TiO2andsilicone/n-TiO2compositeswashigherthanitofthesilicone/mixed-TiO2composite.Anditwas80%higherthanitofthepure北京化工大学硕士学位论文IVsilicone.TheYoungmodulusofsilicone/µ-TiO2waslowerthanitofthesilicone/n-TiO2andsilicone/mixed-TiO2composites,sothefigureofmeritofsilicone/µ-TiO2wasthehighestofthethreekindsofcompositesandpuresilicone.Andithadtheactuatedstrainof18%at50v/µm,50%higherthanitofthepuresilicone.Than10,20,and30phrµ-TiO2wereaddedtosilicone,andtheinfluenceofloadingfractionofµ-TiO2onelectric,dielectric,mechanical,andelectromechanicalpropertiesweretested.Boththedielectricconstantandthemodulusofthecompositeincreasedwithadditionofµ-TiO2.Thefigureofmeritofthecompositecomposedofsiliconeand30phrµ-TiO2wasthehighest,soitsactuatedstrainwasthehighest.Acomparisonbetweenthetheoreticalstrainandtheactuatedstrainwasmade,andthedifferenceandrelationshipwasdiscussed.2.Thecompositescomposedofsilicone(DC3481)andPEG600andPEG1500werefabricatedthroughroomtemperaturevulcanization.First,5phrPEG600andPEG1500wereaddedtosilicone.Thedielectricconstantofthetwokindsofcompositeswashigherthanthepuresilicone.Specially,thedielectricconstantofsilicone/PEG1500compositewasthehighestand50%higherthanthepuresilicone.TheYoungmodulusofthepuresiliconewaslowerthansilicone/PEG1500andhigherthansilicone/PEG600composite.ItisbecausethatPEG600wasliquidhavingplasticizationeffectandPEG1500hadsemi-crystallinestructureABSTRACTVreinforcingthesilicone.Thefigureofmeritofsilicone/PEG600wasthehighestresultinginthehighestactuationstrain.Thancompositescomposedofsiliconeand2,5,8phrPEG600weremade.TheinfluenceofloadingfractionofPEG600ontheelectric,dielectric,mechanicalandelectromechanicalpropertieswasstudied.WiththeadditionofPEG600,thedielectricconstantincreased,themodulusdecreasedandtheactuatedstrainincreasedsteadily.Atthesametime,thebreakdownstrengthdecreasedbecauseofdecreasedresisti