炭黑对玻纤环氧树脂复合材料导电性能和力学性能影响的研究开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告

题目 炭黑对玻纤/环氧树脂复合材料导电性能和力学性能影响的研究

专 业 名 称 高分子材料与工程

班 级 学 号 06013227

学 生 姓 名 王向前

指 导 教 师 李志鹏

填 表 日 期 2010 年 3 月 22 日

一、 选题的依据及意义：
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展[1]。
现代科技的迅猛发展，对电子材料的介电性能提出了越来越高的要求。希望能得到具有高介电系数、低损耗、易加工等综合性能优越的新型电子材料。对于制作电容器的材料而言，希望材料具有高的介电系数、高储能密度、低损耗、易加工的特性。导电高分子材料具有质量轻、柔韧性好、易于成型加工，可大面积成膜、原料来源广泛，电阻率可在较大范围内调节的特点 。目前，导电高分子材料不仅在民用上被广泛应用于防静电、电磁渡屏蔽、蓄电池电极、有机晶体管等，而且在航空上，也可用于飞机机翼的防冰前缘、抗静电油箱、飞机内电气元件等高分子导电复合材料有导电涂料、导电胶粘剂、导电弹性体、导电塑料等[2]。复合型导电高分子材料的导电性介于半导体和金属之间，甚至可与金属媲美，素有“合成金属”之美称，加工简单易行且成本较低，在国外己得到广泛应用，而且市场不断扩大，研究开发工作非常活跃。与传统的金属导体相比，复合型导电高分子材料具有质量轻、无锈蚀、易加工多种多样外型的产品，可以在大范围内根据使用需要调节材料的电学与力学性能、电热转换效率较高、宜于大批量工业化生产等优点。因此导电高分子材料在光电子器件、信息存贮、能源、传感器、军事隐身技术等方面具有重要的应用。我国的复合型导电高分子材料研究起步较晚，发展较迅速，但制品无论种类、性能、制备技术及理论研究等方面均与发达国家有一定的差距。因此，复合型导电高分子材料的研究在我国仍具有很大的活力，市场潜力仍很大，应用前景广阔[3]。
环氧树脂基复合材料的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨，1996年递增到143万吨，1997年为148万吨，1999年150万吨，2003年达到180万吨左右。我国从1975年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前我国环氧树脂生产企业约有170多家，总生产能力为50多万吨，设备利用率为80%左右。环氧树脂复合材料的制备一般要使用稀释剂对环氧树脂/石墨微片复合导电材料的研究发现稀释剂不利于环氧树脂复合材料获得较低的电阻率和较好的结构性能[6]。经过研究，改为在恒温箱中使环氧树脂升温降低粘度以分散填料，而不使用稀释剂，这种制备方法有利于复合材料获得较低的电阻率和较好的结构性能，是环氧树脂材料的一种有意义的制备方法[4]。
21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。开发具有良好的介电性能，同时又具有较高的力学强度和可加工性能的介电材料，研究具有高介电常数的聚合物基复合材料具有十分重要的学术意义和实用价值。

二、 研究概况及发展趋势：
2.1国内研究概况及发展趋势
目前，高分子导电复合材料研究的发展趋势主要围绕以下方面。如何在提高复合材料导电性能的前提下，降低导电填料的用量;如何在加大导电填料用量以提高电导率的前提下，保持或增强复合材料的成型加工性能、力学性能和其他性能;开发导电复合材料新品种，开发新的应用领域;复合材料多功能化，除了使其具有导电功能外，还使其具有优良的阻燃性、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦等性能。高分子导电复合材料作为一种新兴的功能材料，不仅具有非常重要的理论研究价值，而且具有极为广阔的应用前景，目前，国内报道的环氧树脂基导电复合材料的研究较少，其中大部分是关于导电胶的。在环氧树脂导电胶的研究上主要有：
武汉理工大学王继军等通过实验分析确定影响短切碳纤维填充热固性树脂复合材料导电性的若干因素，在此基础上建立短切碳纤维/热固性树脂基复合材料的导电模型;并研究这种材料的电阻一温度特性，探讨导致短切碳纤维/热固性树脂基复合材料电阻-温度效应的主要原因，以更好地理解材料的导电机理。另外，还发现了这类材料的一种新的特殊效应一材料破坏时的电磁发射效应。
四川大学高分子材料科学与工程系136一441的沈经纬等用溶液插层法及其与熔体混合相结合的母料熔体混合方法制备了石墨—环氧树脂导电复合材料。并且用溶液混合法和熔融混合法制备研究了不同方法对材料渗流阐值及导电性能的影响。
程利双、陈国明等人研究了填充炭黑的环氧树脂基导电复合材料的导电机理不同炭黑掺量复合材料在一次加载及反复加载卸载下的力电效应" 结果表明炭黑掺量为20%试件的力电效应明显且稳定，各掺量试件卸载后均存在较大残余电阻经多次加载卸载后电阻变化率逐渐减小并趋于稳定值。卸载后电阻恢复率不断增加，最终可完全恢复"。
天津轻工业学院化工系的杨永芳，刘敏江等研究了添加不同石墨(普通石墨、膨化石墨、膨胀石墨)对LDPE/石墨导电复合材料的影响，并研究了不同的工艺条件对聚乙烯/膨化石墨导电性能和力学性能的影响。还研究了添加不同石墨(普通石墨、膨化石墨、膨胀石墨)对材料的阻燃效果的影响。
徐子仁等研究了在环氧树脂一胺类潜性固化促进剂及银粉体系中添加双马树脂，可制成单组份150℃固化，耐热性优良的导电胶粘剂。着重从银粉的粒度、添加量和固化剂的种类、用量以及固化条件等方面研究和探讨了环氧-低分子聚醚胺一银粉导电胶体系的导电性及强度。
华侨大学材料科学与工程系陈国华等用双辊混炼法制HDPE/纳米石墨导电材料，研究了其良好的压敏特性。并将膨胀石墨通过超声作用加工成纳米级厚度薄片，再在超声作用下通过原位聚合与PMMA复合，制备PMMA/石墨薄片纳米复合材料，并研究其导电性质。还利用超声波粉碎方法将膨胀石墨加工成纳米级厚度的石墨薄片，通过原位聚合方法使纳米石墨薄片均匀分散于苯乙烯基体中制备出聚苯乙烯/石墨薄片纳米复合材料。由于纳米级厚度的石墨薄片具有极大的比表面积，它在聚合物基体中形成导电网络具有明显优势。
高分子/石墨/玻纤复合导电材料的研究是较少的。从研究中应用的高分子基体看，有聚乙烯、聚苯乙烯、AS树脂、不饱和聚醋树脂、有机硅橡胶和一些涂料。但由于种种原因，我国导电复合材料的研究大都局限在科研院校和院所，基本限于小规模实验阶段，大规模的生产和应用还很少，且在产品的品种、性能及工业化方面与国外相比，还有很大差距[5]。随着电子工业的迅速发展，对防静电、消除静电、电磁波屏蔽制品需求日增，这为高分子导电材料的发展提供了有利的发展环境，应须加大开发推广的力度。

2.2国外研究概况及发展趋势
自1977年美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员发现在聚乙烯化合物中加入微量的碘，便可在保持可型性的同时，还可以同金属那样进行导电以后，对高分子导电材料的研制、开发和应用很快从实验转为工业化使用。以此为契机，导电复合材料作为近二十年来发展起来的新型功能材料越来越受到人们的重视，许多物理学家和化学家争相涉猎，聚合物导电复合材料的研究开发日益活跃，研究成果层出不穷，成果向实用化转变的步伐也逐渐加快。目前，高分子导电复合材料已经成了功能材料的重点。国外对高分子导电复合材料的研究开始于60年代末期，70年代中期开始投入工业化应用，发展速度异常迅猛。美国对高分子导电复合材料的需求量每年以20%一30%的速度增长，从事这方面生产的厂家至少有200多家。日本的通产省把高分子导电复合材料的研究列入“21世纪产业基础技术研究开发”之中的12项优先科研项目之一。
国际上高分子/石墨复合导电材料研究的大致情况，以高分子基体看，以聚乙烯为基体的最多(如Knlpa，I等的研究)，还有聚丙烯(如Ishigure，Y等的研究)，有聚氨酯(如Norak，I等的研究)，有聚甲基丙烯酸酯(如ehen，Guo一Hua等的研究)，有尼龙(如zou，Jun一Feng等的研究)，有聚氟乙烯(如Busiek，o.N.等的研究)，有硅橡胶(如Ishigure，Y等的研究)；以导电填料看，除普通石墨外，还有石墨纤维(如Gaier，J.R.等的研究)，有膨胀石墨原位复合(如chen，Guo一Hua等的研究)，有石墨与碳纤维作为混合填料(如Thongruang，w等的研究)。有研究石墨颗粒的大小和表面状况对电导率的影响规律的(Pa，11541等的研究)，有研究直流非线性规律的(如celzard，A等的研究)，有研究温度和压力对复合材料电导率的影响规律的(如celzard，A等的研究)，有研究双渗滤现象的。
法国的Celzard，A.等人的研究制备环氧树脂/石墨复合导电材料的实验过程大致如下。环氧树脂和稀释剂、石墨薄片混合均匀，热处理使溶剂蒸发并形成多孔网络状薄膜。石墨薄片由于较大的径厚比，在薄膜形成过程中，石墨薄片的平面更易于与薄膜的平面平行。因为石墨本身层面与层间导电性的差异，从而造成薄膜平面与垂直面导电性的差异，也由于石墨薄片在薄膜中的取向，而获得了较低的渗滤阀值。
还发现环氧树脂/石墨纤维是一种重要的复合材料，目前主要作为结构材料，对它的研究是比很多的。如Patel，snehaR.等研究了环氧树脂/石墨纤维板材的耐候性。T.d.roki，Akira等研究了环氧树脂/石墨材料层离的监控方法。chen，J.K.a等研究了高速挤压下环氧树脂/石墨纤维板的特性。
P.tter，Daniel5.aellj和v.A.Beloshenk等人研究了样品的形状以及长径比对环氧树脂/石墨纤维板的压缩强度的影响。对石墨颗粒(石墨粉末、石墨片)和环氧树脂复合导电材料的研究，和制备了环氧树脂/膨胀石墨导电复合材料，研究了膨胀石墨可以保持蠕虫状态存在于材料中的特性对复合材料性能的影响。还用模压成型法制备的环氧树脂/膨胀石墨/高岭土导电复合材料，研究了不同膨胀石墨添加量和高岭土添加量对材料电阻率的影响。
总体上来说，关于环氧树脂一膨胀石墨复合材料作为导电功能材料的研究还是非常少的，炭黑/玻纤作为性能优良的导电填料，环氧树脂作为优良的基体树脂，它们的复合将会成为导电功能材料的一个突破。

三、 研究内容及实验方案
3.1研究的主要内容
根据现有的实验条件及论文的目标,研究内容如下:
(1) 通过查阅资料,并对目前国内外炭黑/玻纤/环氧树脂导电复合材料组分最佳配比的研究及其应用进展作充分认识的前提下,制定合理的计划以及实验方法。
(2)在不同比例混合下制备炭黑/玻纤/环氧树脂导电复合材料样品,测试样品的力学性能（拉伸强度、压缩强度、弯曲强度，电阻等）。
(3)实验步骤：
复合材料的制备：
1. 剪好20*20cm的玻璃布十张
2. 石墨700摄氏度膨胀30秒
3. 将膨胀好的石墨分按树脂质量分为10%、20%、30%三组
4. 分好的石墨分别加入15%异丙醇搅拌放置24小时
5. 取环氧树脂1000克，放入烘箱加热至60—80摄氏度.
6. 将石墨加入环氧树脂中再加入无水乙醇15%搅拌2小时
7. 加入固化剂聚酰胺651 15%，搅拌5分钟，使其分散均匀
8. 将其均匀地一层一层地刷在玻璃布上使其成为一块复合材料
9. 做好三组样品和一组不加石墨的空白样品，待其固 化两周。

复合材料性能测定：
1. 导电高分子材料的发热温度测定
在一定的承载电压下，试件能够达到多高的发热温度，对于作为发热体的导电高分子材料来说是十分重要的。本项实验是模拟材料实际应用的情况，在试件两端加载一定的交流电压，试件自身产生热量，我们每隔一段时间检测其表面温度，以确定试件是否满足实际应用的要求。图1.1为试验测试简图。

图1.1电至发热温度测试简图

本实验使用的仪器和设备如图表1.1

2. 导电高分子材料的电阻测定
通过34970A数据采集器设备测量不同点间的电阻

图2.1 34970A数据采集器设备测量简图

3. 导电高分子材料的力学性能的测定
强度能综合反应试件受压、受拉和受剪切时的性能，故我们采用弯曲强度来表征试件的机械强度。
跨度为lm宽度为bmm厚度为hmm坏载荷为PbN试件的弯曲强, 试件的弯曲强度通过计算。

3.2 实验方案
环氧树脂
石墨/玻纤
固化剂

混合均匀

固化反应

优化方案

炭黑/玻纤环氧复合材料样品

性能测试（拉、压、弯、剪、电阻）

确定复合材料比例

四、研究目标、主要特色及工作进度
4.1 研究目标
1)掌握炭黑、玻纤、环氧树脂的组分含量对炭黑/玻纤—环氧树脂复合材料性能的影响；
2)掌握炭黑/玻纤—环氧树脂复合材料的拉、压、弯、剪等各项基本性能的测试方法；
3)对材料性能进行分析，选择最佳组分配比方案。
4.2 主要特色
本论文以改变材料组分的配比对炭黑/玻纤—环氧树脂复合材料性能的影响为目标,对炭黑/玻纤—环氧树脂复合材料的组分配比进行优化设计,选择最佳组分配比，使炭黑/玻纤—环氧树脂复合材料性能达到最好。
4.3 工作进度
3月22日至4月9日阅读相关文献，完成开题报告及英文文献翻译
4月12日至4月29为试样制作期
5月3日至5月14日为性能测试期
5月17日至5月28日写毕业论文
6月1日至6月21日答辩

五、 参考文献
[1] 郭卫红等.功能材料及其应用【M】.北京:化学工业出版社2002,1
[2] 沃丁柱.复合材料大全【M】.北京:化学工业出版社，2000
[3] 周达飞.材料概论[M].北京:化学工业出版社.2002.7
[4] 赵幸，王立新.复合型导电塑料的发展【J】塑料科技，2002，4(2):47-49
[5] 张南哲.许素莲，聚合物复合材料的导电机理.1995，12(18):4
[6] 王钧，傅杰，孟红杰炭黑一环氧树脂导电复合材料的研究【J】.玻璃钢/复合材料，1996，(4):25-27
[7] 瑚幼华等.环氧树脂纳米复合材料的制备和性能【J】.高分子材料科学与工程2003，19(2):29-33
[8] 王荣国，武卫莉，谷万里.复合材料概论tM].哈尔滨工业大学出版社.1999，8。
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[10] 周柞万，卢昌颖.复合型导电高分子材料导电性能影响因素研究概况【J】高分子材料科学与工程，1999，14(2):5-7
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