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1、金属纤维?聚合物导电复合材料的性能研究Study on Properties ofM etal Fibre Filled Polymer Composites谭松庭章明秋容敏智曾汉民黎宝恩(中山大学材料科学研究所,聚合物复合材料及功能材料教育部开放研究实验室)Tan SongtingZhangM ingqiuRongM inzhiZeng Hanm inL iBaoen(M aterials Science Institute,Zhongshan U niversity,L aboratory of Polymer Composite and FunctionalM aterials,Stat
2、e Educational Comm ission of China)摘要以铜纤维和不锈钢纤维为导电填料,分别填充ABS、H IPS和PP树脂基体,制得导电复合材料。研究了金属纤维含量及工艺条件对复合材料的导电性能和力学性能的影响。结果表明,选择合适的工艺条件以保证金属纤维有较大的长径比并在树脂中有良好的分散状态,是制造性能优良的导电复合材料的关键。关键词金属纤维聚合物导电复合材料Abstract Electrical conductive composites were fabricated using ABS,H IPS and PP asmatrix resins filled w it
3、h Cu fibre and stainless steel fibre1The effects of metal fibre contents andcompounding conditions on electrical and mechanical properties in the elctrical conductive compos2ites have been studied1The results indicate that the key to prepare electrical conductive compos2ites w ith superior propertie
4、s is higher L?D ratio of metal fibres and well2dispersion of the fibresin matrix1Keywordsmetal fibrepolymerelectroconductive composites1前言 由聚合物基体加工制成的电子仪器外壳具有良好的外观、质轻、易加工成型等优点,已获得了广泛应用。但不导电的塑料外壳对电磁波干扰毫无屏蔽作用,而电磁干扰(Electromagntic Interference)已成为一种新的社会公害。一些经济发达国家对这一问题都非常重视,并制订了抗电磁干扰法规,如美国的FCC法,德国的VDE法
5、等;对大多数电子仪器产品规定,必须达到相应的标准才允许进入市场。为了防止电磁波辐射造成的干扰与泄漏,通常在塑料壳体上涂敷导电涂料或将导电填料直接分散在树脂中制成导电复合材料12,国内对导电复合材料的研究大多采用切削法生产的铜纤维或钢纤维作导电填料,这类金属纤维由于直径较大(2050m),须要较大的填充量(612 vol%或3050w t%)才有一定的导电能力,如此高填充量的金属纤维,不仅使塑料制品失去轻质的 特 点,而 且 使 复 合 材 料 的 力 学 性 能 大 幅 度 下降34。所以,选择性能优良的导电填料,并优化制备工艺以降低填料的填充量已成为制备导电复合材料的关键。2实验部分211主
6、要原材料ABS:PA2757,熔 体 流 动 速 率(M FR)为115g?10m in;H IPS:PH288H,M FR为115g?10m in;PP:M FR为213g?10m in;黄铜短纤维(CuF):直径3080m,长度38mm;不 锈 钢 长 纤 维(SSF):316L,00Cr17Fe66N i12,直径8m,使用时剪成58mm。212试样制备将树脂和一定比例的金属纤维于Brabender转矩流变仪中混炼,然后在平扳硫化机上加热加压成试样片。工艺条件如下:PP,ABS和H IPS双辊混炼及压片温度分别为190200,200220,和200220;螺杆转速为3251金属纤维?聚合
7、物导电复合材料的性能研究r?m in;混炼时间为10m in。213性能测试21311体积电阻率的测试当试样电阻1068 时,采用ZC243型超高阻计测量;当试样电阻在1001068 之间时,采用DT2830型数字式万用表测量;当试样电阻 1008 时,用SW22型数字微欧计测量。21312力学性能测试将测完电学性能的试样片裁成5个45mm8mm315mm的试样条,室温下用LW K25型微控拉力机测定试样的弯曲强度和弯曲模量,速率5mm?m in,跨距为50mm。另压一片试样同上裁成5个试样条,用摆锤式冲击试验机测量简支梁冲击强度,试样跨距为40mm。21313纤维长径比的测量将一小块共混料于
8、25吨平扳硫化机上压成薄片(温度为200,压力为918M Pa),然后在显微镜下测量纤维的长度,并拍照。3结果与讨论311金属纤维填充量对复合材料导电性能的影响图1是金属纤维含量与复合材料体积电阻率的关系,对于由切削法得到的铜纤维填充ABS,由于直径大,长径比小,需要较大的填充量(9vol%以上)才能使复合材料电阻率产生突降;但用直径较细的不锈钢纤维填充ABS和H IPS,在4vol%以上就可以使材料的体积电阻率从10158cm突降到1048cm以下,显示出纤维长径比对导电复合材料渗滤过程的控制作用。当用同种不锈钢纤维填充结晶性的PP基体时,临界填充量在1vol%左右,这可能是金属纤维受PP结
9、晶的影响,而在非晶区富集较多的缘故。Fow ler5用PAN基碳纤维填充尼龙266和聚碳酸酯时也发现在相同填充量下结晶性尼龙266比无定型聚碳酸酯的电阻率要低得多。312金属纤维填充量对导电复合材料力学性能影响图2和图3给出了铜纤维和不锈钢纤维与不同基体复合所得复合材料的弯曲强度与纤维含量的关系。从图中可以看出,用不锈钢纤维填充ABS和PP基体时,随纤维含量增加,弯曲强度开始有所增加,然后下降。造成这种现象的原因可能是:直径细的不锈钢纤维在其含量较低且均匀分散于基体中时,可充当增强组份使复合材料弯曲强度增加;但当含量较高时,由于分散不好而缺陷增多使复合材料的力学性能下降。用这种不锈钢纤维填充H
10、 IPS时,在测量范围内,弯曲强度比纯H IPS有所增加,说明适量的不锈钢纤维对热塑性基体有一定的增强作用。而直径较粗的铜纤维,由于长径比小,对材料没有增强作用;并且这种纤维可能成为复合材料中的应力集中点,使材料的弯曲强度有较大幅度下降。图1金属纤维含量与材料体积电阻率的关系Fig11Relationship between resistivity ofcomposites and volume percent of metal fibres图2不锈钢纤维含量与材料弯曲强度的关系Fig12Relationship between flexural strength andvolume perc
11、ent of stainless steel fibres图3铜纤维含量与材料弯曲强度的关系Fig13Relationship between flexural strengthand volume percent of copper fibres313加工工艺条件对导电复合材料性能的影响对于直径较粗的铜纤维,由于不容易破碎,只要采61材料工程?1998年12期用相对较长的时间混炼均匀即可,加工条件对材料的电学性能和力学性能影响较小。而对于直径细的不锈钢纤维,因为在混炼过程中很容易折断,加工工艺条件(混炼时间、螺杆转速)对材料的性能影响较大。通常提高螺杆转速和延长混炼时间有助于填料分散均匀,但
12、会降低纤维的长径比,使复合材料的导电性下降。表1是在不锈钢纤维含量2 vol%,混炼温度190200,螺杆转速20 r?m in时,经不同混炼时间后不锈钢纤维?PP复合材料的电学性能和力学性能比较。表1混炼时间对不锈钢纤维?PP导电复合材料性能的影响Table 1Effects of m ixing time on SSF?PP composites properties混炼时间m in24681010(纯PP)体积电阻率8cm141601811611837133191014弯曲强度M Pa33196 36157 40157 34189 3317037178冲击强度kJ?m2511651616
13、14261671018811184 从 表1可 看 出,混 炼 时 间 太 短(2m in)和 太 长(10m in),材料的体积电阻率都较高;这是因为混炼时间太短,纤维还没有分散开,纤维束之间不能达到充分接触,影响了导电性;材料的力学性能(弯曲强度和冲击强度)都较低。而混炼时间太长或螺杆转速太快,导致纤维的长径比下降,使复合材料的导电性变差,弯曲强度降低。但材料的冲击强度随混炼时间增加而升高,可能是随混炼时间增加,纤维被基体浸润更充分所致。从图4和图5可看出,当混炼时间为2m in时,纤维长度在25mm之间,大量纤维未能分散开,呈团束状;混炼时间超过8 m in后,尽管纤维在树脂基体中分散较
14、好,但大部分纤维被折断到1mm以下,使导电性变差,只有当混炼时间在26m in之间时,纤维既有较好的分散,又有较大的长径比,材料的导电性能和力学性能都较好。为了在短时间内使金属纤维达到较好的分散并保持较大的长径比,采用母料法工艺可以达到较佳的效果。图4不同混炼时间下不锈钢纤维长度分布图Fig14Fibres length distribution at vaiousm ixing time图5不锈钢纤维填充PP树脂的显微镜照片35Fig15M icrophotographs of SSF?PP compositesm ixing time:(a)2m in;(b)4m in;(c)10m in
15、4结论(1)用直径较粗(3050m)的铜纤维填充ABS所制得的导电复合材料,体积电阻率产生突降时的临界填充量为9vol%以上;而用直径较细(8m)的不锈钢(下转第38页)71金属纤维?聚合物导电复合材料的性能研究(3)尽管该导向器上方出现裂纹的叶片数量较少,但也有三片出现了裂纹。这说明,在试验过程中整个导向器的温度偏高。(4)该合金的使用温度为950,根据对与K24成分相近的K405和K417合金所做的过热、过烧试验结果得出,当该类合金的使用温度达到10001100时,相 便 会 聚 集 长 大,高 于1100会 出 现 回 溶,高 于1200晶界会出现初熔现象。由此可判定,该导向器叶片在试验
16、过程中的最高温度达到1050左右。313热疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展速率da?dN一般采用Paris公式表示,即da?dN=C(K)m,式中C和m为常数,K为裂纹尖端的应力强度因子幅值,它是决定da?dN的主要力学参量,在热疲劳裂纹扩展中它取决于热应力()的变化。前面已提到,主要取决于 T,随着热裂纹向里扩展,一方面 T值和 值要减小;另一方面,随着热裂纹的产生与扩展,使裂纹区有了收缩和膨胀的余地,约束要变小,热应力()得以松弛,K也要变小,裂纹扩展速率da?dN将降低,所以出现热裂纹的零件,如果没有外界机械力的叠加作用,一般不会出现断裂破坏。4结论与建议(1)导向器叶片裂纹的性质属典型的热
17、疲劳断裂失效,不是过烧及其它脆性断裂。(2)引起导向叶片热疲劳断裂失效的主要原因是试验温度偏高,温度场分布不均、排气边冷却效果不良也是影响叶片开裂的因素。(3)要控制涡轮导向器的环境温度,使其不超过1000(对K24合金而言),并尽可能使其温度场均匀化。稿件收到日期:199817115赵爱国,男,1971年5月生,助工,1995年毕业于南昌航空工业学院材料工程系,现在中国航空工业总公司失效分析中心从事失效分析工作。联系地址:北京市81信箱4分箱(邮编100095)333333333333333333333333333333333(上接第17页)纤维填充ABS和H IPS,4vol%的纤维含量就
18、可以使塑料的体积电阻率从10158cm突降到1048cm;当用这种 不锈钢 纤 维 填 充 结晶 性 的PP时,临 界 填 充 量 为1vol%(2)随金属纤维含量增加,材料脆性增加;铜纤维填充ABS时,复合材料的弯曲强度持续降低;不锈钢纤维填充ABS和PP时,材料的弯曲强度先随金属纤维含量增加然后下降。(3)加工工艺条件对导电复合材料的性能影响较大,选择合适的混炼时间和螺杆转速,可以获得较好的导电性能和力学性能的导电复合材料。参考文献1W enderoth K,et al1Polymer Composites,1989,10(1):522谭松庭,章明秋,曾汉民1材料工程,1998,5:693
19、余镇奎,秦蓉1中国塑料,1991,5(4):204范五一,黄锐1工程塑料应用,1997,25(6):15Joseph N1Epel,et al1Engineered M aterial Handbook,Engi2neering Plastics,1988,2国家自然科学基金(59725307)和广东省高教厅“千百十”人才培养基金资助项目稿件收到日期:199816116谭松庭,男,1961年7月出生。1996年毕业于湘潭大学化学系获得硕士学位,现为中山大学材料所博士研究生,主要从事导电高级复合材料的性能和应用研究。联系地址:广州市中山大学材料科学研究所博士信箱(邮编:510275)。83材料工程?1998年12期