碳纤维_硅橡胶导电复合材料的温度响应.docx

碳纤维／硅橡胶导电复合材料的温度响应＊廖波 ，周 国 庆 ，刘 卓 典（中国矿业大学 力学与建筑工程学院，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 ２２１００８）摘 要： 通 过 升 温 －降 温 循 环 及 升 温 －恒 温 两 种 方 式研 究 了 碳 纤 维／硅 橡 胶 导 电 复 合 材 料 试样的温度响应 ， 通过 碳纤 维导电复 合材料的导电机理 对测试结果进行 了 分 析 。该 导 电 复 合 材 料 具 有 正 温 度 系 数 ，并 具 有 温 度 弛 豫 现 象 。橡胶 材料与碳纤维材料 热膨胀系数的不 同 是 造 成 其 电 阻温度响应的主 要 原 因 ；而 温 度 变 化 对 电子 能量 的影响也 是造成材料温度响应的原因之一 。 关键词： 碳纤维；硅橡胶；温度响应复合材料具有不同的电性能及热性能，可以考 虑 用 于温度调节器、热 电 偶 及 焦 耳 加 热 器 使 用［４］；Ｗｅｎ 等 认 为碳纤维结构材料可以作为温度调节器使用，碳 纤 维 结构材料，包括连续纤维和短切纤维，都具有温度升高 电阻降低的特点［５］；Ｓａｕ 等在对丁腈橡胶基、三元乙丙 橡胶基及两种橡胶混合基体的碳纤维导电复合材料的 研究中发现，它们的电阻率都随温度升高而升高［６］；王 钧等研究了 碳 纤 维 乙 烯树脂复合材料 电 阻 率－温 度 特 性，实验结果表明较低温度条件下制备的碳纤 维 复 合 材料具有线形的 ＮＴＣ 变化特性，而较高温度条件下制 备的碳纤维复合材料具有特殊的变化特性，即 先 表 现 出 ＰＴＣ 效应，后表现出 ＮＴＣ 效应［７］。谢泉等对炭黑／ 硅橡胶导电复合材料的温度特性进行了研究，发 现 其 电阻值变化率随温度的升高而降低，具有负温度系数； 在一定温度下电阻的弛豫过程可分为两部分，即 上 升 过程和下降趋于稳定过程［８］。可以发现导 电 复合材 料具有一定的电阻－温 度 特 性，其在作为力学敏感元件实际应用时，必定会受到现 场环境温度的影响，对其进行相关温度研究是必要的。本文对碳纤维橡胶基复合材料制作的试样进行温 度响应实验研究，通过分析其导电机理对实验 结 果 进 行分析；同时对试样的制作过程进行了详细介绍。中图分类号： ＴＵ４４３文章编号：１００１－９７３１（２０１１）１０－１９２０－０４文献标识码：Ａ引言１填充型导电橡胶复合材料具有柔性、高弹性、高灵敏度及低成本的特点，是制作大应变测试传感 器 元 件 的理想功能材料。Ｄａｎｇ 等研究了碳纳米管－硅橡胶导 电复合材料的压阻特性，试验发现该种材料具 有 优 越 的压阻特性，经拟合处理可获得线性的压力－电阻变化 曲线［１］。 Ｗａｎｇ等对炭黑充填硅橡胶基复合材料的压 阻特性进行了较为系统的研究，结果表明，不同炭黑含 量时试样表现出不同的压阻特性［２］。Ｋｎｉｔｅ等研 究 了 炭黑－聚异戊二 烯 复 合 材 料 的 拉／压 敏 感 性，认 为 该 材 料可用 于 车 辆 振 动 及 危 险 变 形检 测的柔性传感元 件［３］。导电复合材料具 有 压 阻 特 性，可用于制作传感 材料；但聚合物有机体复合材料通常受温度的 影 响 较 大，其制作传感元件在实际应用中必然会造成 传 感 器 的零点漂移及灵敏度漂移。 可见，对导电复合材料的 温度响应研究是必要的。关于导电敏感复合材料电 阻 温 度 特 性 的 研 究，国 内外都有报道。Ｃｈｕｎｇ对水泥基碳纤维复合材料温度 敏感性进行了研究，认为含有短切导电纤维和 硅 灰 的实验２原材料及制备室温硫化 液 体 硅 橡 胶、固 化 剂；短切导电碳纤维 （ＣＦ），其性能参数见表１；偶联剂：ＫＨ５５０。配制时，首 先在硅橡胶中加入经烘干处理后的短切碳纤 维，搅 拌 均匀后，加入固 化 剂、偶 联 剂，再 搅 拌 ２ｍｉｎ，最 后 真 空 抽除气泡，浇注模具室温下固化成型。２．１表１碳纤维性能参数Ｔａｂｌｅ１Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ试样制作体。这种方法可 使 电极 与复合材料连接牢固，并 有 效降低接触电阻。２．２电极安装２．２．１选用铜丝网布（ｃｏｐｐｅｒｇａｕｚｅ）作为电极材料，预埋入导电橡胶（ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｕｂｂｅｒ）复合材料与其固化成一电极布设２．２．２电极布设方法包括两电极法（ｔｗｏ－ｐｏｌｅｍｅｔｈｏｄ）和＊ 基金项目：国家自然科学基金资助项目收到初稿日期：２０１１－０５－１３收到修改稿日期：２０１１－０９－１９通讯作者：周国庆作者简介：廖 波（１９８５－），男，江苏睢宁人，在读博士，师承周国庆教授，主要从事导电敏感复合材料及其在土木工程领域中的应用基础研究。密 度 （ｇ／ｃｍ３）直 径 （μｍ）抗 拉 强 度 （ＭＰａ）电 导 率 （Ω·ｃｍ）碳 含