含石墨烯及碳纳米管复合材料制备及PTC性能研究

【摘要】：PTC是一种对环境温度非常敏感的新型智能热敏材料,主要应用于集成电路的过流、过压、过热保护等。随着电子产品越来越小型化、集成化,节能化及轻量化,要求PTC器件的尺寸更小、室温电阻率更低、PTC强度更高。本论文采用具有二维结构的碳纳米管(CNTs)和一维结构的石墨烯(GNs)共填充高密度聚乙烯(HDPE),利用二者的协同作用,为制备柔性、小尺寸、超低阻PTC器件提供新的技术途径和必要的应用基础性科学研究依据。主要研究内容如下:CNTs填充HDPE复合材料的制备及PTC性能研究(CNTs/HDPE):以HDPE为基体,改性的CNTs为导电填料,采用熔融法制备正温度系数(PTC)复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)和热敏电阻(RT)曲线测试仪以及冲击试验机等,观察复合材料的微观形貌,研究PTC效应随CNTs含量变化规律及对力学性能的影响。结果表明:CNTs在HDPE基体中分散性较好;当CNTs含量在9.0 vol%时,复合材料的室温电阻率为10~2Ω·㎝,PTC强度达4个数量级;HDPE基体中加入经过表面修饰过的CNTs后,复合材料的力学性能明显提高,当CNTs含量在8.0 vol%时,复合材料的冲击性能较纯HDPE提高了93%。GNs填充HDPE复合材料的制备及PTC性能研究:以HDPE为基体,改性的GNs为导电填料,采用熔融法制备正温度系数(PTC)复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)和热重测试仪以及拉伸测试仪等,观察复合材料的微观形貌,研究改性GNs含量对复合材料热稳定性的影响以及拉伸性能的影响。结果表明:当GNs体积分数为13.0 vol%,GNs片层堆积,说明当GNs体积分数较高时,GNs在基体中易发生团聚;改性后的GNs加入HDPE,能够明显提高复合材料的PTC强度,增强耐电压性能;改性后的GNs加入HDPE后,与GNs改性前相比,复合材料的拉伸强度提高了11%;GN_S改性后,GNs表面增加了一些含氧基团,使GNs碳原子的六元环稳定结构遭到破坏,表面缺陷增多,从而使复合材料的热稳定性降低。双填料(GNs和CNTs)填充HDPE复合材料的制备及PTC性能研究:将导电填料(GNs和CNTs)的体积分数固定为9.0 vol%,研究GNs含量变化对复合材料PTC效应的影响,通过扫描电镜观察GNs和CNTs在基体中的分布状况,通过拉伸测试仪、冲击试验机分析GNs和CNTs含量变化对复合材料力学性能的影响。通过热重分析仪分析GNs和CNTs共填充HDPE复合材料的热稳定性大小。结果表明,GNs/CNTs/HDPE复合材料在130℃附近时,复合材料的电阻率发生急剧变化,产生PTC效应;在GNs/CNTs/HDPE复合材料中,当导电填料(GNs和CNTs)固定为9.0 vol%时,GNs含量在4.0 vol%时,复合材料PTC强度达到最高,为6.29,比CNTs单独填充HDPE(CNTs含量为9.0 vol%时的PTC强度为3.92)时高了60%;GNs和CNTs一维、二维结构的互补共填充HDPE,能够明显提高复合材料的PTC强度,GNs/CNTs/HDPE复合材料的PTC强度较CNTs/HDPE复合材料提高了约1倍;通过热重分析仪对复合材料的热稳定性进行测试可知,双填料填充HDPE比CNTs单独填充HDPE的复合材料提早分解,双填料填充HDPE复合材料热稳定性低于CNTs单独填充HDPE复合材料的热稳定性;当复合材料的导电填料(GNs和CNTs)固定为9.0 vol%时,GNs含量为4.0 vol%时该复合材料的拉伸强度达到最佳,为30.71 MPa左右,较CNTs单独填充HDPE的拉伸强度(28MPa)提高了约10%,冲击强度提高了约52%。本文通过GNs和CNTs共填充HDPE,探究GNs和CNTs的一维、二维结构互补作用对PTC性能的影响,利用GNs和CNTs蕴含的丰富而新奇的物理现象,为制作超低阻PTC器件带来极大可能性,理论分析表明其非同寻常的导电性、导热性及柔韧性,将为PTC器件复合材料的超低阻化、良好PTC效应另辟蹊径。

【学位授予单位】：上海第二工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34