功能复合材料-4-导电复合材料

2020/5/27功能复合材料14.1概述4.导电复合材料作为复合材料的电导率没有明确的数值来划分导体、半导体和绝缘体。2020/5/27功能复合材料2两种或两种以上的金属形成的复合材料显然是导体；相反，两种或两种以上的绝缘体形成的复合材料电导率不会很高。2020/5/27功能复合材料3但是，复合材料中如果含有导电和绝缘两种材料，那么它的电导率或是极端或是一些中间值，这取决于导体和绝缘体的相对含量、几何分布和组元本身特性。2020/5/27功能复合材料4基体：聚合物、金属、陶瓷、水泥导电填料：炭素、金属、金属氧化物导电复合材料可分为两大类：（2）基体本身具有导电功能的复合材料。（1）将导电体加入到基体中构成的复合材料。导电复合材料是指复合材料中至少有一种组分具有导电功能的材料。2020/5/27功能复合材料5与金属导体相比，导电复合材料具有明显的优势：1.密度低；2.可供选择的导电性范围大，体积电阻率范围为10-3~1010Ω∙cm；3.耐腐蚀性强；4.优良的加工性能，容易加工成各种复杂结构形状的零件，可大批量生产；5.成本较低。2020/5/27功能复合材料6聚合物基导电复合材料通常是在基体聚合物中加另外一种导电聚合物或导电填料复合而成。导电聚合物通常是指分子结构本身或经过掺杂处理后具有导电功能的共轭聚合物。4.2聚合物基导电复合材料4.2.1简介2020/5/27功能复合材料7一般将体积电阻率ρv小于109的聚合物基复合材料称为聚合物基导电复合材料。2020/5/27功能复合材料8抗静电剂多为极性或离子型表面活性剂，分子结构中含有亲水基团和疏水基团。加入聚合物基体中后，其分子经过向复合材料制品表面迁移而形成一层“水膜”，从而达到防止和消除积累在复合材料制品表面的静电的目的。4.2.2聚合物基导电复合材料的组成1.基体聚合物：橡胶，热固性树脂、热塑性树脂；2.导电填料：抗静电剂，各种导电材料2020/5/27功能复合材料92020/5/27功能复合材料102020/5/27功能复合材料114.2.3聚合物基导电复合材料的导电机理实例：金属填充材料的导电特性将金属颗粒混入高分子聚合物，高分子聚合物的电阻率就会发生变化，然而这个变化并非依据加和法则，而是当金属填料浓度达到一临界体积c时，金属填充聚合物发生一个如下图所示的突然转换，由绝缘体变成导电体。2020/5/27功能复合材料12苯乙烯—丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的体积分数和电阻率的关系电阻率对数/.cm金属的体积分数AlFe2020/5/27功能复合材料13这一临界填料量称之为复合材料的“导电门槛”值。临界浓度值与金属填充颗粒的尺寸、分布、形状以及制造工艺有很大关系。例如宽粒分布的铝粉末的临界体积分数为0.4，而窄颗粒分布的粉末临界体积分数为0.2。2020/5/27功能复合材料14很多研究表明，一些绝缘性复合材料当承受电压达到临界值时，会变成高导电性材料。如果没有大的电流通过，则消除电压后样品仍保持较低的电阻率，尔后再恢复到样品的绝缘状态。2020/5/27功能复合材料15复合材料电导率不仅与金属填加物体积分数有关，与温度也有密切关系，从而显现出正温度效应和负温度效应。2020/5/27功能复合材料16在一温度范围内，复合材料的电阻随着温度的升高而升高(正温度效应)。当超过某一温度时，其电阻值又随温度的升高而下降(负温度效应)。2020/5/27功能复合材料17由于电阻的正温度效应、负温度效应的存在，使复合材料成为一种开关材料。因此，可用于制备各种电子开关器件。2020/5/27功能复合材料18现象：体系的电阻率突然下降。1.导电通路的形成（1）在突变点（临界值）附近导电填料的分布开始形成导电通路网络。（2）聚合物-填料的界面效应非常重要。如，炭黑临界含量是一个与体系界面能过剩有关的参数。（3）加工成型过程中的各种因素对复合材料的导电性能影响很大，其实质是两相界面状况在加工过程是不断变化的，并直接对炭黑在基体中的分散状态发生影响。2020/5/27功能复合材料192.形成导电通路后的导电行为（导电机理）(1)通过导电粒子之间的直接接触而产生传导，即“导电通道学说”。(2)除了粒子之间的接触，电子也可在分散于基体中的导电粒子间间隙迁移而产生导电现象，即“隧道效应学说”。(3)由于导电粒子间的高强电场，产生发射电流，即“电场发射学说”。2020/5/27功能复合材料203.影响导电性能的因素(1)导电填料种类、性质及含量用的影响炭黑的结构均一、比表面积大、表面活性基团含量少，制备的复合材料的导电性能好；粒子形状（絮团状粒子优于球状及片状粒子）；填料用量（渗滤阈值）。(2)聚合物种类的影响聚合物基导电复合材料的导电性随聚合物表面张力减小而升高；对于同一聚合物基体的导电复合材料，其导电性随聚合物粘度降低而升高；结晶度越低，导电性能越好。2020/5/27功能复合材料21(3)成型工艺和成型方法的影响混炼时间：有一最佳值，过长或过短都会导致复合材料的导电性能下降；成型温度：高，有利于导电填料的分散，使得复合材料的导电性能提高。复合材料的导电性能随成型方法的变化：层压挤出吹膜流延(4)环境条件的影响以结晶性聚合物为基体的复合材料的导电性能随环境温度升高而作非线性下降，而以非结晶性聚合物为基体的复合材料导电性能受环境影响很小。2020/5/27功能复合材料22共混法机械共混法溶液共混法共沉淀法（比较少）共混法制备的复合材料，导电稳定性主要取决于复合材料中“渗流途径”的变化，而渗流途径的变化则和基体聚合物的热稳定性有关。4.2.4聚合物基导电复合材料的制备方法2020/5/27功能复合材料23化学法聚合物单体和导电粒子混合后聚合成型，如聚烯烃/炭黑。非导电聚合物基体上吸附可形成导电聚合物的单体，并且使之在基体上聚合，从而获得导电复合材料。两种聚合物单体在乳胶中进行氧化聚合后生成导电复合材料，如聚苯胺/聚吡咯。2020/5/27功能复合材料24电化学法首先利用“浸渍-蒸发法”在金属电极上涂敷一薄层塑料，然后将这一电极作为工作电极放到含有单体的电解质溶液中。由于电解质溶液对基体聚合物的溶胀作用，从而单体有机会扩散到金属电极表面放电。结果从基体聚合物内部开始导电聚合物不断聚合，形成导电复合材料。2020/5/27功能复合材料254.2.5几种典型的聚合物基导电功能复合材料1.炭黑系导电功能复合材料炭黑填充型导电聚合物复合材料的导电机理比较复杂，通常包括导电通道、隧道效应和场致发射三种机理，而且是三者竞争的结果。炭黑，天然的半导体材料，体积电阻率约为0.1~10Ω∙cm。2020/5/27功能复合材料26炭黑的导电性与其结构性、比表面积和表面化学特性等因素有关。导电复合材料的性能指标：导电性，熔融指数，拉伸强度，伸长率等。提高炭黑填充型导电复合材料导电性能的主要方向：炭黑的改性：高温处理，表面改性。新型导电炭黑的开发：2020/5/27功能复合材料272.金属纤维填充型导电功能复合材料国外开发和应用较多的金属纤维是黄铜纤维，其次是不锈钢纤维和铁纤维。是最有发展前途的新型导电材料和电磁屏蔽材料。2020/5/27功能复合材料28金属纤维的填充量对导电性能的影响规律与炭黑填充的情形相类似，但由于纤维填料形成链状导电通道的概率更大，因此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。金属纤维的长径比越大，导电性和屏蔽效果就越好。选择合理的混炼工艺参数，螺杆转速、机筒和模具温度等。可添加适当的加工助剂，以提高均匀分散效果。2020/5/27功能复合材料29电磁屏蔽复合材料：解决电磁干扰、射频干扰和信息防窃的复合材料。由于电磁波吸收率依赖于材料的电导率，因此，利用具有一定导电性的复合材料可满足电磁屏蔽的需要。2020/5/27功能复合材料30以高分子材料为基体，填充导电材料可构成适合用于电磁屏蔽的复合材料。由于电磁屏蔽的复合材料具有性能好、成本低、成型工艺简单的优点，因此成为国际上电子材料研究的热点。2020/5/27功能复合材料31电磁屏蔽复合材料有两种类型。(1)填充导电体的形式；其中，填料形成的导电网络是提供屏蔽功能的基本要素。2020/5/27功能复合材料32这种电磁屏蔽复合材料通常由绝缘性良好的热塑性高分子(如ABS、PC、PP、PE、PVC、PBT、PA及它们的改性和共混的树脂)和导电性填料(如炭黑、铝片粉、金属纤维及表面金属化的有机和无机纤维)及其他填加物复合而成，其屏蔽效果为40～60dB。2020/5/27功能复合材料33铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系体积分数屏蔽效率/dB屏蔽效果与导电体填充量，导电纤维长径比有关，由图中可看出，合适的填料体积分数可获得好的屏蔽效率，很多研究发现在临界浓度值附近有最好的屏蔽效果。2020/5/27功能复合材料34铝纤维带的体积分数、长径比与屏蔽效率的关系体积分数屏蔽效率/dB图中表明填充料的长径比与屏蔽效果也有密切关系，填料长径比越大，屏蔽性也越大，从另一角度看，长径比也影响着最佳体积填充量。通常长径比越大，最佳体积填充分数越低。2020/5/27功能复合材料35电磁屏蔽材料多用于电子设备的屏蔽，由于近代电子设备的数据传输多采用电视显示方式，如计算机终端显示器、监视器、仪表的图显和数显，都要求既透明，又能阻隔电磁波的材料。从这个角度上看，复合材料中最佳体积填充分数为较低数值是理想的。2020/5/27功能复合材料36(2)用金属丝与无机或有机纤维的混纺纱制成织物可作电磁波反射体。这种反射型复合材料主要用于无线通信天线的电磁波反射装置，但也可作计算机、复印机、传真机等电子设备的电磁波屏蔽板。2020/5/27功能复合材料373.纤维增强导电功能复合材料导电FRP材料：在组成FRP的不饱和聚酯和玻璃纤维中加入导电功能体，通常是碳粉。2020/5/27功能复合材料382020/5/27功能复合材料392020/5/27功能复合材料404.2.6聚合物基导电功能复合材料的应用(1)在抗静电和导电领域(2)自控温发热材料(3)压敏导电胶(4)电磁波屏蔽2020/5/27功能复合材料414.2.7聚合物基导电复合材料的发展趋势(1)如何在提高复合材料性能的前提下，降低导电填料的用量。(2)如何在加大导电填料用量以提高导电性能的前提下，保持或增强复合材料的成型加工性能、力学性能和其他性能。(3)开发导电复合材料新品种，开拓新的应用领域。(4)复合材料多功能化，导电，结合阻燃、阻隔、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦。2020/5/27功能复合材料42重点方向：(1)导电填料的改性和开发。(2)复合材料的处理和改性。(3)工艺与设备研究。2020/5/27功能复合材料434.3无机非金属基导电复合材料陶瓷的优点：抗压、耐磨、耐腐蚀、熔点高。“导电”——开拓新的应用领域。4.3.1陶瓷基导电复合材料Al2O3-ZrO2-AlN-SiCw-X(X-TiB2,TiC,BN)：特点：韧性、耐磨性、导电性。应用领域：阳极材料、发热元件、传感器和断路器，以及用在强电流或高温条件下有好的力学性能的领域。2020/5/27功能复合材料44发展方向：单一的力学承载功能——“智能化”4.3.2水泥基导电复合材料在混凝土中掺入不同品质的碳纤维，不仅可以改善混凝土的力学性能，而且可以使其具有导电、屏蔽磁场、屏蔽电磁辐射和应力、应变自检测及温度自测等功能。水泥基导电复合材料的分类、组成与应用材料分类掺和物应用实例绝缘材料(1010Ω·cm)—常用于建筑物绝缘半导体材料(107~1010Ω·cm)石墨、炭黑特殊建筑物的光电转换防静电材料(104~107Ω·cm)石墨、炭黑、金属粉末工业防静电，如地面等导电材料(100~104Ω·cm)炭黑、金属粉末、碳纤维动物养殖场的发热体，路面自动除雪高导电材料(10-3~100Ω·cm)炭黑、金属粉末、碳纤维传导材料及电磁隐身材料2020/5/27功能复合材料454.4金属基导电复合材料制备金属基导电复合材料的目的是在不降低金属