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1、河南师范大学 硕士学位论文 压敏金属-高分子复合材料 姓名：杨枫 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：常方高 20080401 摘要 我们采用新工艺，研制出一种新型镍粉硅橡胶复合材料。与英国压敏橡胶材料Q T C 相比，这种新型复合材料在很大程度上提高了电阻对压力的敏感性，电学性能所有改良。 镍粉填料含量减小的直接结果是降低了合成材料的成本，因为在原材料中，金属粉末的 价格最高。减少金属填料也意味着复合材料密度减小，弹性增强。密度相对较低的材料 更适合于在航空航天领域应用。另外，金属填料减少可以大大提高复合材料的击穿场强。 击穿场强是衡量材料的电学性能的重要参数之一。制作工艺简单为
2、降低材料市场价格和 大规模生产提供可行条件。本文对新型压敏金属高分子复合材料的制备工艺，电学性 能进行研究。 本实验采取室温固化法以模具硅胶为基体材料，2 0 0 目镍粉为填充材料制备压敏金属一 高分子复合材料。镍粉与基体材料的重量比例介于3 ：l 至t J l 5 ：1 之间。我们分别四引线法、 两引线法测量样品的压阻效应、I v 寺性及介电特性。 研究结果表明： ( 1 ) 新型复合材料在不受压力时电阻率非常高，是良好的绝缘材料；随着压力的 增加，材料的电阻率减小，当压力达到一定值时，材料的电阻率下降到接近于金属导体 的电阻率。一块4 x 4 x l m m 大小的样品在一定压力下其电阻可
3、以从1 0 1 2 Q 下降N o 1 Q ；在 5 0 0 劝的作用下，样品的电阻可以下降l o 个数量级。根据需要，可以用改变金属粉末的 填充量来改变材料对压力的敏感性。 ( 2 ) 样品的金属填料填充量越接近渗透阈值，样品电阻对压力越敏感，不同金属 填充量材料的导电机理不相同。填充粒子在复合材料中的分散越好，被测样品厚度越小， 样品对压力的敏感性就越好。另外，复合材料有明显电阻的蠕动现象。 ( 3 ) 置之于磁场中复合材料样品的电阻随着磁场的增大而有所减小；在常温下， 样品的电阻没有明显变化，当外界温度达到一定温度后，样品电阻突然变大，显示出正 温度系数特性。 ( 4 ) 通过对复合材料
4、的伏安特性的研究发现：样品的非线性的伏安特性取决于填 料含量，外加压力和样品通过的最大电流。外加压力较小时，复合材料的伏安特性与纯 高分子材料相似。当外加电压达到一定值时，通过样品的电流会突然增大，即出现击穿 现象。击穿后样品的I V 特性曲线呈直线。材料的击穿场强随着金属粒子填充量的增加 而减小。 ( 5 ) 在同一压力下，样品的介电常数实部随着频率的增加而减小，虚部随着频率 的增加没有很大变化：在同一频率下( 1 0 5 Q ) 而且电学性能更加稳定，因此，在材 料的开发上有一定的应用前景。 我们不仅测量了0 9 和5 0 0 9 力下样品的电流一电压特性关系，而且还测量了l O g ，3
5、 0 9 ， l O O g ，2 0 0 9 等压力下样品的1 w 特性。但由于在这些压力下样品的电学性能不太稳定， 规律性不够明显，因此在论文中没有进行进一步的讨论研究。但有一点可以肯定：在压 力较小时所测得的I v 曲线的形状特点与O g 时相似，而在l O O g ，2 0 0 9 力下测量的关系曲 线，随着力的增大，与5 0 蟾力下测量的曲线越来越接近。 4 4 复合材料在磁场中的电学特性 由于压敏金属高分子复合材料的填料是有磁性的镍粉，所以人们很容易想到磁场 对样品的性能是否有影畸。我们分别在强磁( O 8 1 2 特斯拉) 和弱磁( 0 5 高斯0 6 特斯 拉) 下对样品的电阻
6、变化进行了实验研究。 在测量前，我们将已经加有一定压力的样品置于已经两块大磁铁中间。为了减小误 差，我们将两条引出线拧成麻花状。由于样品在加压后有一个电阻蠕动现象，所以我们 在加压后2 d , 时后开始改变通过样品的磁场强度，对样品的电阻进行测量、记录。测量 方法如图4 - 1 2 所示。 ； 图4 - 1 2 ：l 群样品电阻在磁场中的变化 如图4 1 2 ，外加磁场B 与样品中的电流的方向平行，所以从理论上讲磁场的变化不 压敏一金属复合高分子材料 应该影响电路中的电流的大小，从而不影响电阻的大小。实验证明，随着外加磁场的变 t 化样品电阻逐渐减小。产生这种现象的可能原因是样品内部的镍粉颗粒
7、在外加磁场的作 用下，其排列将发生一定的变化。但由于外面包围着高分子材料，镍粉颗粒的位置又不 可能有很大的移动。导电粒子的有序排列使得材料的导电性能有一定的改善，而导电颗 粒相对位移较小又使其导电率不可能改变很多。所以，压敏金属高分子复合材料的电阻 随磁场的变化如图4 - 1 2 中所示。图中A 点是撤销磁场后样品的电阻的大小。 4 5 小结 M a g n e t i c f i e l di n t e n s i t y ( G s ) 图4 - 1 2 ：磁场场强对样品电阻的影响 4 本章主要讨论了压敏金属高分子复合材料的电学性质。重点讲述了对几种代表性 的样品电学性质的测量实验。分别
8、讨论了样品的电阻与压力之间的关系和影响材料压阻 效应的一些因素；复合材料的I V 特性和材料在磁场中的一些性能。对材料的电学性质 的实验、分析与研究有利于材料的改进，从而使材料的应用范围更加广阔。 一_芒lIo卫一ooc毋_一o比 第五章压敏金属一高分子复合材料介电性能的研究 第五章压敏金属一高分子复合材料介电性能的研究 论文一开始我们就已经提到压敏金属高分子复合材料在不受压力时的电阻在1 0 1 1 Q 以上，因此，复合材料在其自然状态下是电绝缘体，即电介质。电介质的最基本的物理 特性是它的介电性，对它的介电特性的研究不但在电介质材料的应用上具有重要意义， 而且也是了解电介质的分子结构和极化
9、机理的重要分析手段之一。本章我们将重点讨论 复合材料的介电特性。 5 1 复合材料的介电常数 5 1 1 介电常数的概念 介电常数是用于衡量绝缘体储存电能的性能。它是两块金属极板之间以绝缘材料为 介质时的电容量与同样的两块极板之间以空气为介质或真空时的电容量之比( 如图 5 1 ) 。这里所说的介电常数是相对介电常数占，两极板之间以真空为介质时的电容量值 即为真空介电常数，用表示。 乎， 气 ：隧徽 + 卜撩撩燎 + 一：嚣辫磁磁端； 三一 + H ：瓣霉謇鎏复黼 + 卜氍麓蕊燃 + 卜镌蔓： 酾强爱辣； 图5 一l ：平行板电容器 相对介电常数是介电材料固有的一种电特性。它代表了电介质的极化
10、程度，也就是 对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。不同的介电材料在外电场 的作用下所存储的电荷量大小不同，同一种介电材料，随着外电场的频率、环境温度、自 身受潮的情况不同，其导电能力也不同【1 5 1 。 当电压矿加在一面积为彳，平行板电极间距为d 的电容器时，若平板电极之间是真 空，则该电容器所容电量Q 0 与所加电压成正比，并满足下列关系式： 3 3 压敏一金属复合高分子材料 Q o = C o 矿= ( A d ) g c o = C O ( A d ) ( 5 1 ) ( 5 2 ) C o 为该电容器的电容，它是由电容器的尺寸决定的，。= 8 8 5 4 X1 0
11、。1 2 F C l I i - 1 为真空介电 常数。若把一种介质材料放在电容器极板间，由于电介质材料在电场的作用下产生反向 的极化电荷，形成反向的极化电场。反向的极化电场削弱了电极表面电荷形成的电场， 为了补偿这些极化电荷的影响，平行板电极上的电荷将会相应增加，使得电容器所带电 量Q 。将满足下列关系： Q l = c , v = g ，占o ( A d ) V ( 5 - 3 ) 这里的e ，即为材料的相对介电常数，无量纲，通常简称为介电常数，C 。为电容器电容。 e ，大于或等于1 ，它表示极板间放入电介质后，器件电容增加的倍数，即： 占，= 罢= 导丢 ( 5 - 4 ) ( 5 3
12、 ) 式表明，介电材料的占，越大，容纳相同电量的电容器的体积就越小。具有 高介电常数材料可使电容器的尺寸大为减小，这对于现代电子工业器件向小型化发展的 趋势具有重要指导意义。 以上所介绍的是在直流电压下所测量的实介电常数的有关概念。我们在测量压敏金 属高分子复合材料时通常是在变频率的情况下对各个频率段材料的介电性进行材料， 并且我们针对频率对样品介电性的影响进行了研究。因此，下面介绍一些关于复介电常 数【1 6 】的概念，以便对变频时样品的介电性有一个较为准确的理解。当图5 1 中的平行板 电容器两极板上施加一个圆频率为0 3 的交变电动势亏，电容器便会有交变电流f 流过， f = 嬲，C o
13、 孝，( = 一1 ) ，其中，g ，是电介质的相对介电常数，它是彩的函数。若两极 板之间的介质材料有损耗( 包括漏电) ，就需要用复数表示，即 E ；( c a ) = d ( c a ) - j 占。( c a ) ( 5 5 ) 其中占7 沏) 为介电常数的实部，占。 ) 是介电常数的虚部，代表介质损耗。在工程上 一一 便常使用的是介电损耗角万( c a ) 的正切t a n g ，t a n d = 之。平行板电容器的电流密度可写 第五章压敏金属一高分子复合材料介电性能的研究 成= j O E 。占笞= 嬲。s 留，式中E 为电场强度。我们定义比值J E 的实部为电介质的电导 率o ，
14、即 c r ( o J ) = 嬲。占。( 缈) ( 5 6 ) 盯( 彩) 概括了电介质的全部损耗机构的总和。因此，对于任何频率，我们用占，另 外再加上占，t a n 6 和0 3 个量中的任何一个量与占相配，便可以完整地描述电介质在电 场中的介电行为。 5 1 2复合材料的介电常数 我们用A g i l e n t 公司生产的H P 4 2 9 4 型精密阻抗分析仪测量样品的介电性。由于在现 实世界中，实际的电感、电容、电阻都并非理想的纯电抗或电阻元件，而是以串联或并 联形式呈现为一个复阻抗元件。不同的等效电路得到不同的结果，如图5 2 ，并且随着 频率的变化，其组合形式将发生变化。 R
15、p R sL 8 lI C p 广 R E 一卜二卜 C sR p 图5 - 2 ：等效电路的连接方式( a ) 感性电路；( b ) 容性电路 我们所要测量的样品材料是以高分子为基体材料，导电金属镍粉为填料的复合材 3 5 压敏一金属复合高分子材料 料。从微观结构分析，材料中的镍粉颗粒可作微小电容器的极板，高分子绝缘材料可以 看成电容器内部的介质。无数的电容器随机地分布在高分子复合材料中，形成一个电容 电阻的网状结构【1 6 】。因此，我们选用图5 2 中( b ) 所示的等效电路：容性电路。 图5 2 ( b ) 中的两种等效电路描述了两种不同的损耗机制【1 7 】。并联等效电路描述了 有
16、由介质的漏电电流引起的损耗，电介质的微小电导作用就好像电容器并联了一个纯电 阻。串联等效电路描述了电介质在交流电压作用下反复极化所产生的损耗；好像极化过 程存在某种摩擦力。这也可以从两种等效电路的频率关系看出来，在两种等效电路中， F 。与频率的关系，如图5 3 所示。通常，当频率不太高时，介质的微弱电导产生的漏 电电流在损耗中占主要地位。在串联电路中所涉及的是与电导无关的纯粹介电响应问 题，s 和占。的关系是典型的驰豫型关系。 O ，价 l | ， f ，、。l 图5 3 ：占和占。的频翠关系 虽然两种等效电路所测量出的等效电容不同，但两种等效电容之间是可以相互转换 的： R _ 器，五= 器 侉7 ， 其中，电抗x 为阻抗z 的储能部分因为缸耗因子的定义为。= 笔= 毒，因此无 论是串联或是并联等效方式，损耗因子均是相等的。 我们曾对压敏金属高分子复合材料的串联电容，并联电容及在串联和并联等效电
