Sn/Cu/PA6复合材料的组成—结构—性能关系

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shao402248950
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向绝缘聚合物基体中添加导电填料可得到聚合物基导电复合材料,这种复合材料质轻价廉、容易加工且其导电性能可在较大范围内调节,在静电消除、电磁屏蔽、传感器和导电材料等领域应用广泛。用低熔点金属和高熔点金属作为导电填料填充聚合物基体,既能改善加工过程中低熔点金属的析出,又能解决高含量高熔点金属填充的复合材料难以混合均匀的问题。当低熔点金属含量足够高时,低熔点金属与高熔点金属相互作用能够在基体中形成物理连续的金属网络,复合材料可同时具备优异的导电性能、冲击性能和加工性能。但是,已有的关于低熔点金属/高熔点金属/聚合物三元复合材料的研究较少,基于现有的认识难以获得此类三元复合体系的一般规律,也难以明确金属和聚合物的性质对此类三元复合体系的影响。此外,低熔点金属/高熔点金属/聚合物三元复合材料的独特性质也有待更深入的研究。由此可见,在低熔点金属/高熔点金属/聚合物三元复合体系中,仍有很多问题有待解决。本论文中采用低熔点金属锡(Sn)和高熔点金属(Cu)共同填充尼龙-6(Polyamide-6,PA6)基体制备Sn/Cu/PA6三元复合材料,研究了复合材料的组成、结构及性能间的关系,并将其与传统的Cu/PA6二元复合材料进行对比,说明了两种复合体系的差异。通过研究低熔点金属Sn与高熔点金属Cu的体积比(VSn/VCu)对复合材料结构和性能的影响,我们发现当金属总含量足够高时,Sn/Cu/PA6复合材料的金属相随着VSn/VCu的增加发生聚集,金属相形态也逐渐由“海—岛结构”向物理连续的网络结构演变,复合材料的导电性能和力学性能也随物理连续网络结构的完善而逐渐提升。当VSn/VCu>2时,Sn/Cu/PA6三元复合材料的导电性能、冲击性能和流变性能均高于同等含量下Cu粉填充的复合材料。也就是说,同时使用低熔点金属和高熔点金属作为导电填料填充聚合物基体可得到综合性能更为优异的导电复合材料。研究还发现,金属总含量(φ)对Sn/Cu/PA6三元复合材料结构和性能的影响不同于Cu/PA6二元复合材料。在Cu/PA6二元复合材料中,随着金属总含量的增加,复合材料中的金属相形态并未发生改变,复合材料的导电性能提高,但冲击性能和流动性能逐渐降低。而对于Sn/Cu/PA6三元复合材料,当Vsn/VCu较高时,金属总含量的增加使复合材料的金属相形态逐渐由聚合物基体中孤立的“岛”向物理连续的网络变化。因此,虽然当VSn/VCu<2时,三元复合材料的冲击强度随金属总含量的增加而降低;但当VSn/VCu>2时,由于φ>25vol%后三元复合材料中连续金属网络的逐渐完善,复合材料的冲击强度随着金属总含量的增加而增加。两种复合材料导电性能的对比结果表明,Sn/Cu/PA6三元复合材料的导电逾渗值(φc)低于Cu/PA6二元复合材料。而且,当VSn/VCu>1.5时,Sn/Cu/PA6三元复合材料的流变性能随金属总含量的变化也不同于Cu/PA6复合材料。不仅如此,研究结果还表明,液固比和金属总含量较高的Sn/Cu/PA6三元复合材料具有不同于Cu/PA6二元复合材料的电阻温度效应。在Cu/PA6二元复合材料中,复合材料的电阻率随着温度的升高而升高,且复合材料的电阻率在聚合物的熔点处急剧升高,展现出典型的正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PTC)效应。而在室温至Sn熔点的整个温度范围内,VSn/VCu=2.5的Sn/Cu/PA6三元复合材料的电阻率几乎不受温度的影响,这与三元复合体系中物理连续金属网络的形成有关。本论文还将Sn/Cu/PA6三元复合体系的研究结果与低共熔Sn-Cu合金(ESCA)/Cu/尼龙-66(Polyamide-66,PA66)三元复合体系进行了对比。我们发现当聚合物基体在低熔点金属凝固后凝固时,金属与聚合物间不会出现界面脱粘,复合材料的冲击性能更好。两种体系的对比结果还表明,在以低粘度聚合物为基体的复合材料中,金属相在加工过程中更容易聚集,复合材料的φc更高,且在更低的VSn/VCu下就会观察到低熔点金属的析出。
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