空间限域强制组装法制备的聚合物基导电复合材料电导率预测模型的研究
聚合物复合材料的独特性能使其在工程、光学、建筑和其他行业得到了广泛应用。复合材料优异的电性能是其在电气和电子设备领域应用的基础。聚合物基导电复合材料在化学和生物传感器、太阳能电池、柔性电子设备、印刷电路板、各种电阻和执行器等创新技术中得到了应用。现代材料生产中高新技术的开发和实施需要开发新的具有竞争力的复合材料，使其在电性能、环境性能、安全性和能源效率方面优于已知的材料。电阻材料的特性使其适合做成块状或薄膜状。含碳组分的使用保证了制品电性能的稳定性。聚合物复合材料替代其他材料的可能性是该领域研究项目增多的主要原因。本课题深入探讨了空间限域强制组装法(SCFNA)制备含碳纤维的高导电聚合物基复合材料的理论与实践研究。 对本论文主题的参考文献进行了文献综述。对现有研究结果的分析有助于聚合物基导电复合材料制造过程中的基体和导电填料选择。这一部分中给出了选择聚丙烯(PP)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)分别作为热塑性和热固性绝毫无基体，碳纤维和石墨烯分别作为微米填料和纳米填料的原因。本章第二部分对现有的聚合物基导电复合材料的组分混合方法进行了综述，并对其适用性进行了定性分析。此外，还对描述非均匀系统导电特性的现有数学模型进行了综述。论证了各种模型可能存在的优缺点，指出了各种模型的局限性。诸多证据表明，开发一个描述空间限域强制组装法特点的新模型是非常有必要的。 第二章主要研究了空间限域强制组装法制备聚合物基导电复合材料的基本原理。提出了针对该方法的理论模型。结果表明，该方法在构建致密导电网络和降低材料比体积电阻方面具有突出优势。 第三章介绍了聚合物基导电复合材料制备的实验结果。共进行了5个系列的实验:(1)含碳纤维的聚丙烯样品;(2)含碳纤维的PDMS样品;(3)含碳纤维和筛网布的PDMS样品;(4)含石墨烯纳米片的PDMS样品;(5)含碳纤维和石墨烯纳米片的PDMS样品。为了确定所开发的空间限域强制组装法的有效性，我们将该方法制得的样品性能与传统共混方法进行了对比。 第四章提出了一个数学模型，用以描述利用空间限域强制组装法制备的复合材料的导电性能。实验结果与现有数学模型的分析比较表明，该方法为导电过程的数值模拟提供了一种新的方法。提出了简化数学计算并考虑制备聚合物基导电复合材料的主要参数的假设。根据该方法的理论描述，采用压缩比作为描述空间限域强制组装法完成导电网络构建效果的特征参数。压缩比系数的使用使得根据材料加工特性预测复合材料导电性能成为可能。通过理论和实验数据的比较，对模型的效率进行了分析。结果表明该模型与实验数据具有很高的一致性，能够准确预测使用空间限域强制组装法制各的复合材料的导电性能。预测结果与实验数据的偏差可能是由模型各组成部分和参数的非临界误差、实验过程中的统计误差以及统计误差的总和造成的。
聚合物基导电复合材料;空间限域强制组装法;电导率;预测模型
北京化工大学
博士
机械设计及理论
吴大鸣
2019
中文
TM242;TM205.1
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）