炭黑环氧树脂复合材料力电性能研究

采用三种尺寸试件分别测试材料的导电性能、力学性能和力电性能.导电测试试件为一长方体,尺寸为30 mm×30 mm×60 mm,见图1(a),浇筑前预埋间隔20 mm铜网电极.力学性能测试试件参考GB/T 2568—1995规范,采用标准拉伸试件尺寸,平行段截面尺寸为10 mm×4 mm,见图1(b).力电性能测试试件由导电试件经机械加工成,厚度为7 mm,见图1(c).

图1 试件形状与尺寸(单位:mm)
Fig.1 Specimen configuration and dimensions/mm

环氧树脂采用IVA-8029-2A型树脂,固化剂采用IVA-B固化剂,环氧树脂和固化剂比例为2:1.炭黑采用美国CABOT公司开发的一种超高导电炭黑,型号为BLACK PEARLS 2000,该产品具有超高导电性、易分散等特点,主要技术指标如表1.分散用的丙酮采用分析纯丙酮.

表1 炭黑主要技术指标
Tab.1 Main specification of carbon black

共制备10个导电性能测试试件,其中4个同时用于加工力电测试试件.共制备5组力学性能测试试件.试验中考虑炭黑掺量、丙酮添加量等变量,其中,炭黑掺量为炭黑与环氧树脂和固化剂总量的质量比,丙酮添加量为丙酮与环氧树脂质量比.导电测试试件变量及结果列于表2,力学测试试件变量及结果列于表3.

表2 导电(力电)测试试件及结果
Tab.2 Summary of resistivity(electromechanical)tests

表3 力学测试试件及结果
Tab.3 Summary of mechanical tests

具体采用如下步骤制备试件(图2),制备完毕的试件如图3所示.

图2 材料制备过程
Fig.2 Specimen preparation

图3 试件照片
Fig.3 Prepared specimens

(1)不添加丙酮试件的制备过程:首先称取一定质量环氧树脂和固化剂,并将设计掺量炭黑的2/3加入树脂,1/3加入固化剂,分别搅拌均匀,再将二者混合,先低速搅拌1 min,然后在水浴降温条件下用IKA RW20搅拌器以500 r/min搅拌10分钟,将上述炭黑/环氧树脂混合料倒入模具,在烘箱中50 ℃固化2 h,养护48 h.

(2)添加丙酮试件的制备过程:首先称取一定质量环氧树脂和固化剂,将设计添加量的丙酮加入环氧树脂搅拌均匀,再加入设计掺量炭黑,先低速搅拌1 min然后用IKA RW20搅拌器以500 r/min搅拌15 min,加热至去除丙酮后水浴降温,最后加入固化剂,并水浴条件下以500 r/min搅拌5 min,将上述炭黑/环氧树脂混合料倒入模具,在烘箱中50 ℃固化2 h,养护48 h.拉伸试件延长养护时间至一周.

导电测试采用方形导电试件(如图1a),利用导电试件预埋间距20 mm的铜网作为电极,使用FLUKE112万用表测试试件的电阻.

力学测试采用标准拉伸试件(如图1b)在中机试验电子万能试验机上进行,采用位移控制加载(2 mm/min),安装50 mm标距的引伸计用以记录应变.

图4 导电性能测试
Fig.4 Test set-up of resistivity

图5 力学性能测试
Fig.5 Test set-up of machinal properties

将导电试件机加工成用于力电测试的试件,如图1(c),铜网处焊接电极.力电试验在Instron 5969 万能试验机上进行,将加工好的试件用销钉固定在绝缘夹具上,以0.5 mm/min加载,应变由全自动引伸计测得,标距10 mm; 加载过程中,对试件焊接的电极,采用FLUKE112万用表测试电阻.加载至拉断.

图6 力电性能测试过程
Fig.6 Test set-up of electromechanical properties

采用ULTRA PLUS场发射扫描电子显微镜(ZEISS公司)对试件拉伸断口进行观测.

焦剑等^[12]对炭黑掺量与导电性能的关系进行了研究,有关文献12与本文的炭黑型号、炭黑掺量与电阻率测试结果如表4所示.

本文采用BLACK PEARLS 2000炭黑,掺量在2%～8%之间,电阻率从177×10³减小到5.39×10³ Ω·cm,3%增加到4%时导电性有明显提高,6%之后电阻率下降趋势变缓.焦剑等^[12]采用N220炭黑,对2%到20%质量分数的复合材料电阻率进行测量,掺量为5%时仍保留绝缘性,增加至10%时,电阻从10¹⁵数量级降到10¹⁰(单位Ω·cm),到20%时电阻率达到10⁸ Ω·cm.

表4 炭黑掺量对导电性能的影响比较
Tab.4 Effect of CB content on conductivity compared to existing literature

焦剑等^[12]对炭黑掺量与复合材料力学性能的关系也进行了研究,另外carbon nanofiber(CNF)也是常见的改善环氧树脂导电性的材料,Bal S^[15]在对CNF/环氧树脂复合材料的研究中提到了掺量对力学性能的影响.有关文献12和文献15与本文的导电材料、掺量及力学性能变化如表5所示.

本文对纯环氧树脂和掺量为2%到6%之间的试件进行测试,添加炭黑的复合材料的抗拉强度均小于纯环氧树脂.焦剑等^[12]的研究中指出随着炭黑含量的增加,复合材料拉伸强度增加,掺量为2%时拉伸强度达到极值,相比纯环氧树脂提高了30%左右,之后随掺量增加强度降低.Bal S^[15]的研究结果表明,CNF掺量为0.5%、0.75%和1%时,弯曲模量分别提高了33%、60%和49%.

对于上述复合材料力学性能的差异,可能与导电材料种类及制备方法有关.未来可以研究不同导电材料对复合材料力学性能的影响.

表5 导电材料对力学性能影响比较
Tab.5 Effect of conductive material on mechanical properties compared to existing literature

季小勇等^[1]对不同直径炭黑制备的复合材料进行了受压状态下的力电性能研究,王永帅^[10]对CNF/环氧树脂复合材料进行了压敏性能测试.有关文献1和文献10与本文的导电材料、测试状态和电阻率变化范围如表5所示.

本文对超导炭黑复合材料进行了拉伸状态下的力电性能研究,随应变增加,电阻增加,到拉断时,电阻率可达原始值的2.5倍.季小勇等^[1]的研究表明对于直径较小的特导电炭黑,电阻变化率与应变之间没有明显关系,而直径较大的喷雾炭黑,随应变量增加,电阻降低,应变达到1%时,电阻率减小了20%到30%.在王永帅^[10]的研究中,CNF/环氧树脂试件受压后电阻率降低,电阻率变化率随着施加的应变的增加而线性增加到一定值后减小,对于填充0.29 vol%和 0.58 vol%CNF的传感器,电阻率最多减小37%和 50%,分别对应于 1.25%和 1.5%的应变.

表6 力电性能比较
Tab.6 Electromechanical properties compared to existing literature