聚乙烯醇碳纤维复合材料性能研究

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1、聚乙烯醇碳纤维复合材料性能研究应物0202班李光燕012002000501沈婧012002000503罗展君012002000502[摘要]本次实验制作了以碳纤维为填料，以聚乙烯醇为基体的不同体积分数的复合薄膜材料，并研究其导电性能和在不同的测试频率时的介电性能。此次共制作了五种不同分量比例的样品加以测试和分析。1.前言将不同的纤维或填料与聚合物基体混合可以制备应用于电子工业领域的具有特殊介电性能的复合材料，如果填料具有高的介电常数，则可作电容材料，但是它他们的致命弱点是容易发生脆性破裂并介电强度较低。聚合物非

2、常柔韧，在低的加工温度时容易生产，有高的绝缘强度，但是介电常数却较低。为了弥补单一组分材料的缺陷，将两种和两种以上的材料混合制备具有优越特性的复合材料是当前材料科学与工程领域的重要方法之一。高分子复合导电材料是由绝缘的高分子树脂与复合导电填料复合而成的一种新型功能材料，它不仅具有非常重要的理论研究价值，而且在抗静电、导电、自动控制、面发热体、电磁波屏蔽等诸多领域具有极为广阔的应用前景。本次实验对炭纤维填充聚乙烯醇复合薄膜材料的一些性能作了初步研究，从制作实验薄膜成品到测试几组不同碳纤维含量的薄膜的导电性能和介电

3、性能比较，得到不同量填充材料对复合材料的性能影响。2.实验部分一、实验原料聚乙烯醇，碳纤维块，水。二、试样制备将一定量的聚乙烯醇加入沸水中，用玻璃棒缓缓搅拌直至完全溶解，随后加入一定量撕碎的碳纤维，搅拌均匀，然后平铺在干净的玻璃片上面，待其自然风干后撕下，即可制得聚乙烯醇碳纤维复合薄膜。制作相同浓度的聚乙烯醇，加入不同分量的碳纤维，即可得到不同材料量比的薄膜。本次实验制备了相同浓度的聚乙烯醇溶液不同分量的碳纤维复合薄膜共五种：0.5份，0.75份，1份，1.5份，2份的含碳量。三、介电性能测试采用仪器测得一定电

4、压不同频率下的Cp、D、R、X随频率F的改变情况。其中R、X分别是复数电阻的实部和虚部系数。四、伏安特性测试利用仪器测得薄膜在一定电压下的电流，从而得出其伏安特性曲线并作相应的实验结果分析。3.结果与讨论一、不同分量含碳量复合薄膜的I-V特性研究复合材料的导电性存在“渗滤”效应，它是由导电通道、隧道效应和场致发射3种导电机理综合作用的结果。复合材料的导电性并不是随着碳纤维含量的增加而成比例地升高。随着碳纤维含量的增加，复合材料的体积电阻率起初仅略有下降，当碳纤维含量增加到某一临界值时则急剧下降，曲线上出现一个狭

5、窄的突变区域。在此区域内，碳纤维含量的任何细微变化均会导致体积电阻率的显著改变，这种现象通常称为“渗滤”效应，含碳量的临界值就称为“渗滤阀值”，在突变区域之后，体积电阻率随含碳量增加降低不大。通常导电填料加入到树脂基体中后，不可能真正达到多相的均匀分布，因此总有部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道，使复合材料得以导电，而另一部分导电粒子则以孤立粒子或小聚集体形成分布在绝缘的树脂基体中，基本上不参与导电。但是，由于导电粒子间存在着内部电场，如果这些孤立粒子或小聚集体之间相距很近，中间只被很薄的树脂层（<1n

6、m）隔开，那么由于热振动而被激活的电子就能越过树脂界面层所形成的势垒而跃迁到相邻导电粒子上来形成较大的隧道电流。这种现象在量子力学中被称为隧道效应；或者是导电粒子间的内部电场很强时，电子将有很大的几率跨越树脂界面层势垒而跃迁到相邻导电粒子上，产生场致发射电流，这是树脂界面层起着相当于内部分布电容的作用。其等效电路模型如图1所示。因此，碳纤维填充复合导电材料存在着导电通道、隧道效应和场致发射三种导电机理，符合材料的导电性是这三种导电机理综合作用的结果。在低碳纤维含量、低外加电压下，碳纤维分布间距较大，形成链状导电

7、隧道的几率较小，这时隧道效应机理起主要作用；在低碳纤维含量、高外加电压下，场致发射机理变得显著；在高碳纤维含量下，碳纤维分布间距较小，形成链状导电隧道的几率较大，这时导电隧道机理的作用更加明显。u以下是本次实验所测得的几组结果。①0.5份含碳量复合薄膜的I-V曲线②0.75份含碳量的复合薄膜I-V曲线图③1份含碳量复合薄膜I-V特性曲线：④1.5份含碳量复合薄膜的I-V曲线如图：⑤2份含碳量的复合材料I-V曲线经线性拟合图如左图所示：将各组薄膜的I-V曲线图组合到一个图如左中图所示；各组薄膜的电导数据拟合之后所

8、得的图如左下图所示。由各组薄膜的I-V特性曲线结果可见，在相同电压下，含碳量越大的薄膜的导电性能越好（未超过渗滤阀值时）；0.75份含碳量薄膜的导电性能比0.5份含碳量的导电性能要好很多，而1份含碳量薄膜的导电性和1.5份量薄膜的导电性却是相当的，增加到2份量时导电性能又比1.5份量情况要好很多。而由各组薄膜的电导（G=1/R）图情况可知，基本上，随着含碳量的增多，薄膜的电导越大，即电