镍包覆碳系填充型导电复合材料的导电及腐蚀行为

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随着现代社会生产技术的高速发展,电磁辐射前所未有的增强,可能引发一系列日益严重的社会问题和环境问题。电磁辐射的污染不仅影响各种电子设备正常运行,危及国家信息和军事核心机密的安全,而且直接威胁到人类的身体健康。为了解决电磁污染,电磁屏蔽材料应运而生,填充型导电复合材料因其具有聚合物基体及金属的双重性能成为了目前的研究热点,该材料既有高分子材料的弹性又具有金属材料的导电性能,广泛应用于金属壳体的密封和导电连接领域,因此高性能导电复合材料具有广泛的应用前景。  选用镍包石墨粉(Ni-G)和镍包碳纤维(Ni-CF)为导电填料,液体硅橡胶为基础聚合物,通过手工或者机械混合的方式将上述两种组分及其他助剂混合均匀制备出综合性能优异的导电硅橡胶(CSR)。分析了填料种类、加载量、助剂、硫化温度及时间对CSR性能的影响,确定了Ni-G和Ni-CF的总加载量、混合填充时填料的质量配比、混合方式、硫化时间及温度,并对这些因素的作用机制进行了研究。结果表明:导电填料的加载量大,则CSR导电性能好,但力学性能、流动性差。混合填充时Ni-CF可以有效提高CSR的导电性。白炭黑显著影响半成品胶的粘度和力学性能,但是对触变性能的影响有限,通过添加触变剂可以改善其触变性能。不同的混合方式对CSR的体积电阻率和邵氏(A)硬度没有影响,但对其抗拉强度和断裂延伸率有影响。提高硫化温度和延长硫化时间都会增加交联密度从而提高其导电性。  渗流阈值是评价填充型导电复合材料导电性的关键参数。结合实验数据及Janzen渗流方程,计算出不同尺寸片状Ni-G及棒状Ni-CF在CSR中的配位数,同一形状不同尺寸下填料的配位数相差不大。但棒状颗粒的大的配位数于片状颗粒,从而使其渗流阈值较小,其中Ni-G宽厚比在5∶1~12∶1,Ni-CF长径比在4∶1~8∶1时导电硅橡胶的综合性能优越。计算了不同大小颗粒填充CSR时的总电阻,发现大颗粒填充时具有更小的总接触电阻是其导电性能优于小颗粒填充的根本原因。利用Janzen渗流方程及实验所得渗流阈值计算了单一填充型CSR中导电填料的配位数,将加权方法应用到混合填充型CSR渗流阈值的计算中,获得了适合混合填充型CSR的渗流阈值计算修正公式,计算结果与实验值吻合。同时建立了混合填充型CSR的导电模型,Ni-CF主要起桥接作用,少量Ni-CF可显著减少Ni-G的用量。  此外,CSR在运输、储存和使用过程中会遭受不同环境的影响,引起复合材料性能的下降。由于CSR表面的孔洞及内部填料颗粒周围的缝隙,空气中的氧气及水汽会进入内部,使导电填料的表面发生缝隙腐蚀,从而其使导电性退化。低真空和加压状态或增加Ni-CF的含量和长径比可以缓解CSR导电性的退化。CSR为电阻正温度系数效应材料,其电阻跳跃温度为67℃~90℃。通电过程中,当电压超过5V时,随着通电时间的增加,先进入电阻急剧上升的非欧姆区,后进入电阻趋于稳定的欧姆区。  最后研究了颗粒填充型复合材料的开路电位、稳态动电位极化曲线及其与金属之间的电偶腐蚀行为。结果表明:CSR在3.5wt.%氯化钠溶液中的开路电位和自腐蚀电位与金属镍相似,其只与填料本身的性能有关,而与导电填料的加载量无关。单一导电填料填充时,CSR的体积电阻率小,则容易腐蚀,当加载量达到一定量时CSR在阳极极化时容易出现钝化区从而增加其抗腐蚀性能。在考虑影响复合材料电偶腐蚀的因素时,除了金属的电偶序与电偶腐蚀倾向、阴-阳极面积比、极化作用外,还要关注复合材料本身的电阻率。随着复合材料电阻率的减小,由于偶接电位差一定,腐蚀电流变大,则腐蚀变严重。
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