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电场诱导不饱和树脂/盐酸掺杂聚苯胺导电复合材料的非线性导电行为

作　者: 林鸿飞
导　师: 陈国华
学　校: 华侨大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 纳米石墨微片导电聚苯胺导电复合材料渗滤行为非线性行为
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本论文主要研究了采用原位复合法制备的不饱和树脂(UPR)/盐酸掺杂聚苯胺(HCl-PANI)导电复合材料的渗滤行为、可逆非线性导电行为和不可逆非线性导电行为(电击穿)并比较了它与采用相同复合法制备的环氧树脂(EPR)/纳米石墨微片(GN)导电复合材料这两者的渗滤行为和可逆非线性导电行为。利用超声波超声分散固化的原位复合法制备UPR/HCl-PANI导电复合材料并研究HCl-PANI的体积分数稍大于渗滤阈值的此导电复合材料的渗滤行为。运用估算渗滤阈值的经验理论和排斥体积理论对UPR/HCl-PANI导电复合材料的渗滤阈值进行估算,发现排斥体积理论能更好地解释此导电复合材料的渗滤阈值(Pc = 27.83%)。隧道导电理论可以合理地解释UPR/HCl-PANI导电复合材料通过渗滤理论拟合得出的大于经典渗滤普适值的电阻率临界因子。此外,还用热失重分析法(TGA)初步研究了UPR/HCl-PANI导电复合材料的热性能。HCl-PANI的体积分数稍大于渗滤阈值的UPR/HCl-PANI导电复合材料在外加电场作用下具有显著的可逆非线性导电行为。此导电复合材料的线性电导Σ1与转变电流Ic存在一个指数关系式:Ic ~Σ1x,x≈1.20。次级电导Σ2与线性电导Σ1也存在一个指数关系式:Σ2 ~Σ1y,y≈0.98。通过对j-E电流密度-电场强度曲线的分析,发现两个经典理论模型-非线性随机电阻器网络模型(NLRRN)和动态随机电阻器网络模型(DRRN)均不能圆满地解释UPR/HCl-PANI导电复合体材料所表现出来的可逆非线性导电行为。因此,利用现有的单一导电机理和结合单一导电机理的复合导电机理对此导电复合材料的可逆非线性导电行为进行解释。由于纳米石墨微片高径厚比的特殊几何形貌有利于在聚合物基体中形成导电通路,因而采用原位复合法制备的EPR/GN导电复合材料具有较低的渗滤阈值。GN的体积分数稍大于渗滤阈值的EPR/GN导电复合材料在外加电场作用下具有显著的可逆非线性导电行为。它们的J-E曲线可用J =σ1 E +σ3 E 3拟合。导电行为由线性向非线性转变时,存在着转变电流密度Jc。电流密度Jc与线性电导率σ1和次级电导率σ3分别存在Jc ~σ1x和Jc ~σ3y关系且x≈1.390和y≈1.175。目前,两个经典理论模型-非线性随机电阻器网络模型(NLRRN)和动态随机电阻器网络模型(DRRN)均不能圆满地解释EPR/GN导电复合材料在外加电场作用下的可逆非线性导电行为。但把NLRRN和DRRN两个模型结合起来的联合模型即非线性随机动态电阻器模型(NLRDRN)可以较好地解释本导电复合材料的可逆非线性导电行为。此外,比较了在相同制备工艺条件下制备的UPR/HCl-PANI导电复合材料与EPR/GN导电复合材料这两者的渗滤行为和可逆非线性导电行为。渗滤阈值之上不同HCl-PANI体积分数的UPR/HCl-PANI导电复合材料在电压诱导下发生不可逆非线性导电行为即电击穿。当电压增大到足够大时,渗滤阈值之上不同HCl-PANI体积分数的UPR/HCl-PANI导电复合材料均会发生电击穿。导电复合材料的电阻经历由线性向非线性转变之后重新恢复到初始线性电阻R0时的转变电压U R= R0与线性电阻R0和击穿电压Ub与线性电阻R0分别遵从和关系且y0≈0.420和yb≈0.422,后者与各自连接导电键热点(SCBs)电击穿模型所预测值吻合。不论是在瞬时电击穿测试条件下还是在稳定电击穿测试条件下,渗滤阈值之上不同HCl-PANI体积分数的UPR/HCl-PANI导电复合材料在发生电击穿处,击穿电阻Rb与线性电阻R0的比值Y(Y = Rb/R0≈4.00)是一个固定值。此比值Y只与HCl-PANI导电填料的本质属性有关而与HCl-PANI含量无关。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-15
第一章绪论  15-37
  1.1 导电聚合物  15
  1.2 导电聚合物材料的分类  15-19
  1.3 导电聚合物的导电机理  19-29
    1.3.1 渗滤理论  20-21
    1.3.2 隧道导电理论  21-24
    1.3.3 场致发射理论  24-25
    1.3.4 有效介质理论  25-28
    1.3.5 估算渗滤阈值的经验理论  28-29
    1.3.6 小结  29
  1.4 聚合物/导电填料复合材料的制备  29-33
    1.4.1 聚合物/纳米石墨复合材料的制备  29-31
    1.4.2 聚合物/聚苯胺复合材料的制备  31-33
  1.5 聚合物基导电复合材料非线性电学行为研究进展  33-35
    1.5.1 聚合物/导电填料复合材料的可逆非线性导电行为  33-34
    1.5.2 聚合物/导电填料复合材料的不可逆非线性导电行为  34-35
    1.5.3 聚合物/导电填料复合材料的非线性电学特性的应用  35
  1.6 本论文的研究目的和研究内容  35-37
第二章实验方法  37-41
  2.1 实验材料  37-38
    2.1.1 实验仪器  37
    2.1.2 实验试剂  37-38
  2.2 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的制备  38
  2.3 纳米石墨微片的制备  38
  2.4 EPR/GN 导电复合材料的制备  38
  2.5 导电复合材料结构和性能的表征  38-41
    2.5.1 导电复合材料电阻测试  38-39
    2.5.2 导电复合材料的可逆非线性导电行为测试  39
    2.5.3 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的不可逆非线性导电行为测试  39
    2.5.4 扫描电子显微镜测试(SEM)  39-40
    2.5.5 X 射线衍射分析(XRD)  40
    2.5.6 红外光谱分析(FTIR)  40
    2.5.7 示差扫描量热分析(DSC)  40
    2.5.8 热失重分析(TGA)  40-41
第三章 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的渗滤行为研究  41-52
  3.1 引言  41-42
  3.2 结果与讨论  42-50
    3.2.1 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的渗滤行为  42-49
    3.2.2 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的热性能分析  49-50
  3.3 本章小结  50-52
第四章 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的可逆非线性导电行为  52-62
  4.1 引言  52-53
  4.2 结果与讨论  53-61
    4.2.1 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的可逆非线性导电行为  53-57
    4.2.2 可逆非线性导电行为的导电机理  57-61
  4.3 本章小结  61-62
第五章 EPR/GN 导电复合材料的可逆非线性导电行为  62-80
  5.1 引言  62-64
  5.2 可逆非线性导电行为的导电模型  64-65
    5.2.1 非线性随机电阻器网络模型(NLRRN)  64
    5.2.2 动态随机电阻器网络模型(DRRN)  64-65
    5.2.3 可逆非线性导电行为的相关理论表达式  65
  5.3 结果与讨论  65-79
    5.3.1 EPR/GN 导电复合材料的渗滤行为  65-70
    5.3.2 EPR/GN 导电复合材料的可逆非线性导电特性  70-79
  5.4 本章小结  79-80
第六章电压诱导下UPR/HCl-PANI导电复合材料的不可逆非线性导电行为  80-92
  6.1 引言  80-82
  6.2 结果与讨论  82-90
    6.2.1 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的电击穿行为  82-86
    6.2.2 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的表征  86-89
    6.2.3 UPR/HCl-PANI 导电复合材料的电击穿行为解释  89-90
  6.3 本章小结  90-92
结论  92-94
参考文献  94-107
致谢  107-108
附录：硕士研究生在读期间发表的论文  108

电场诱导不饱和树脂/盐酸掺杂聚苯胺导电复合材料的非线性导电行为

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