碳纳米管/聚合物复合材料导电与导热性能的研究

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自从碳纳米管(CNTs)在1991年被发现以来,由于极强的韧性、强度、超大的长径比、优良的导电、导热与力学性能以及其它特殊性能,使其成为了复合材料增强体的理想研究对象。聚合物一般具有加工友好性能强,密度低,机械性能好等众多优点,但是传统的聚合物导电,导热性能在某些领域使用时还不理想。由于CNTs具有优良的导电、导热与力学性能,如果以成熟的技术将适量的CNTs加入到聚合物基体中,可以在保持聚合物众多优点的同时,还能极大的改善复合材料的导电、导热以及力学性能。这是提高聚合物复合材料所需性能的有效途径,得到改善的复合材料也具有广泛的使用领域:CNTs改性的导电聚合物复合材料在电磁屏蔽、静电喷涂、静电消除等领域具有非常大的应用前景;CNTs改性的导热聚合物复合材料可在塑料工业中作为金属以及金属合金等热交换器材料、电子电器工业中制造导热电路板材的优异替代品材料。本文在有效介质理论(Effective—Medium Theory EMA)与Ce-WenNan模型的基础上分别建立了考虑CNTs定向度与界面热阻的理论模型,并模拟计算了定向排列的SWNTs/聚合物复合材料的电导率及其渗流阈值、热导率及其界面热阻。较好地解释了电导率的低突增现象,定向度、长径比以及界面热阻对复合材料热导率的影响。研究发现,在CNTs/聚合物复合材料中,CNTs的有效体积含量在渗流阈值附近时,少量的CNTs便可极大地增强复合材料的电导率。同时,复合材料的电导率、热导率及其渗流阈值明显的受到CNTs的定向度、长径比、形貌结构以及界面热阻的极大影响。取CNTs的长径比为500时,通过计算CNTs有效体积含量与复合材料电导率变化率的关系,得出电导率的渗流阈值可低到0.035vol%附近。在金属的威德曼-弗兰兹定律的基础上,本文提出了CNTs/聚合物复合材料洛伦兹数的概念。通过对比理论与实验结果,发现聚合物材料经过CNTs增强以后具有了很好的电导率以及热导率,并且两者之间有着类似于金属的洛伦兹数关系。在数值上,虽然受到诸多因素的影响,复合材料的电导率与热导率由较大范围的变化,但在其他参数相同的条件下,热导率和电导率的升高与降低成正比关系。
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