導電炭黑/硅橡膠復合材料介電常數與壓應力的關系

卜 時 周 進

(南京大學物理學院,江蘇南京 210093)

導電炭黑/硅橡膠復合材料介電常數與壓應力的關系

卜 時 周 進

(南京大學物理學院,江蘇南京 210093)

以填充了導電炭黑的導電硅橡膠和絕緣硅橡膠為主體材料,分別采用質量比1∶9;3∶7配比進行混煉、制備,研究了壓力下復合材料的介電特性.實驗結果表明:在恒壓下樣品介電常數實部ε′隨外加電場頻率的增加而減小;在恒壓、同頻率時導電硅膠含量大的樣品介電常數大;在同頻率時,增大壓應力,樣品介電常數實部ε′都會增加,導電硅膠含量大,增幅大.

硅橡膠;導電炭黑;介電常數;壓應力

1 引言

南京大學物理實驗課開設介電譜的測量實驗.實驗主要測量了聚氯乙烯薄膜的介電頻率特性[1].我們將聚氯乙烯薄膜更換為其他材料,增加施壓裝置可以獲得材料在外界作用下可能產生的新的介電頻率特性.本實驗研究對象為導電炭黑/硅橡膠復合材料.在這種復合材料中,導電顆粒分散在絕緣體中表現出的物理性質尤為引人注目.它在制造各種微電子器件中有廣泛的技術應用[2].而目前研究壓應力對于材料介電常數影響的實驗并不多.本論文比較了不同含量配比的導電炭黑/硅橡膠復合材料在加壓后介電常數的變化程度(低頻區域).由于實驗儀器的限制,實際的復合材料的高頻區介電常數還有待研究.

2 實驗原理[1]

介質的極化性質可用相對介電常數εr或極化率χ表示.這里

式中,D為電位移矢量;P為極化強度矢量;E為介質內微觀電場的空間平均值;ε0為真空介電常數.

介質極化時響應外場變化快慢的程度用弛豫時間τ表示,τ的物理意義是:在電解質上加恒定的電場,當極化達到穩定之后撤去電場,經過時間τ極化強度 P降為原來 Pm的1/e,即

因為在極化的過程中有弛豫現象存在,所以式(1)、(2)中的 D,P和 E的變化不是同相位的.D,P將滯后于 E的相位ω τ.用復數表示正弦交變電場,有

實驗中通常將介質樣品放置于兩塊電極板之間,在兩電極板上加上角頻率為ω的正弦電壓,則電極的電容C及其交流阻抗為

其中,等效電阻 R為

式中,C0為真空時的電容.式(8)表明,填充樣品的電容器等效于圖1(a)的電容C0與電阻 R的并聯.

圖1

3 實驗結果及討論

材料制備:將乙烯基甲基硅橡膠與導電硅橡膠(內含導電炭黑)采用如表1所示配比進行混煉.將含有硫化劑、補強劑、導電炭黑的導電硅膠與絕緣硅膠混合好以后,在平板硫化機上高溫高壓(170℃、10MP)進行硫化膠粘,制作成導電炭黑/硅橡膠復合材料.

表1 導電炭黑/硅橡膠復合材料配方

將制備的樣品置于樣品盒中測得加壓后介電常數與頻率關系如圖2.它表明同一種復合材料,在550～15000Hz頻段,隨著頻率的增加其介電常數實部減小,加壓后介電常數相應增加且增幅在550～15000Hz頻段基本相同.圖3為配比發生變化后的對應關系.兩圖比較可以看到:同頻率下壓應力增加480Pa,導電硅膠含量30%的復合材料其介電常數實部增幅較大,平均約為2.68,而導電硅膠含量 10%的增幅較小,平均約為1.24.

圖4為相同壓應力下導電硅膠含量分別為10%、30%的復合材料介電常數實部隨平行板電容器電磁場頻率變化.在同壓應力、同頻率下,導電硅膠含量大的樣品介電常數更大.

對于同種材料,在不同頻率下其介電常數實部的減小可以用德拜弛豫解釋.介電常數實部的德拜色散方程為

其中,ε∞為光頻介電常數;εs為靜態介電常數,為弛豫時間[1].ε∞、εs取定的情況下頻率ω增加,ε′減小.

硅橡膠屬于非極性或弱極性物質,硅膠本身的極化并不是導致高介電常數的原因.樣品中的導電炭黑是顆粒狀的,直徑在 11～500nm之間[3].顆粒填充的復合材料由三相組成:基相(聚合物)、分散相(填充顆粒)以及界面相(聚合物以及填充顆粒之間的界面區).在很多情況下,界面相是復合材料介電性能的決定性的因素.在低頻區,電荷在納米粒子兩極的積累產生的非同步偶極運動是介電常數增加的主要原因[4].

導電硅膠含量增大,導電炭黑分子數目增加.電場作用下,偶極子數目增多,偶極運動產生的范圍更廣,宏觀表現為貼近兩極板的電介質表面上與相鄰極板自由電荷帶相反符號的束縛電荷增多,這樣在效果上抵消了極板上更多自由電荷,又因為極板恒壓,電源會向極板提供更多電荷以補充異號束縛電荷的抵消作用C0=其中,Q′為束縛電荷;Q0為單極板自由電荷.偶極子增多表現為 Q′增加,由可知介電常數增大.

4 小結

(1)對于導電硅膠含量為10%、30%的復合材料,在550～15000Hz頻段,隨著外加電場頻率的增加其介電常數實部減小.這可以用德拜弛豫解釋.

(2)同壓應力、同頻率下,導電炭黑含量大的復合材料介電常數更大.在低頻區,電荷在納米粒子兩極的積累產生的非同步偶極運動是介電常數增加的主要原因.導電炭黑含量大,電場下偶極子數量增加,產生偶極運動的范圍更廣,復合材料介電常數更大.

(3)同一頻率下壓應力增加480Pa,兩種復合材料的介電常數都有所增加,且含導電成分大的樣品增幅大,導電硅膠含量為30%的復合材料介電常數增加約2.68,含量為10%的增加約1.24.

本課題得益于盧德馨教授的探究式教學[5]以及南京大學自主型物理實驗課程的啟迪和幫助,感謝江洪建工程師在實驗儀器上提供的方便.

[1] 潘元勝,馮璧華,于瑤.大學物理實驗第二冊(修訂版)[M].南京:南京大學出版社,2004

[2] Michaela Pelí ?ková,Jarmila Vilˇcáková,Maria Omastová,Petrsáha,Chunzhong Li,Otakar Quadrat.The effect of pressure deformation on dielectric and conducting properties of silicone rubber/polypyrrole composites in the percolation threshold region.Smart Mater.Struct.2005(14):949～952

[3] 王夢嬌,龔懷耀,薛廣志.橡膠手冊第二分冊[M].北京:化學工業出版社,1989

[4] 黃興溢,柯清泉,江開平,韋平,汪根林.顆粒填充聚合物高介電復合材料[J].高分子通報,2006,12:39～45

[5] 盧德馨.研究性教學20年——理念、實踐、物理[M].北京:清華大學出版社,2008,81～87

RELATIONSHIP BETWEEN PERMITTIVITY OF GRAPHITIZED CARBON BLACK/SILICONE RUBBER COMPOSITES AND COMPRESSIVE STRESS

Bu Shi Zhou Jin
(School of Physics,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 210093)

Using dielectric silicone rubber and electric silicone rubber dispersed by graphitized carbon black as main materials and mixing them in mass proportions of 1∶9 and 3∶7 respectively,we studied the dielectric properties of the silicone polymer composites under pressure.The results show that under permanent pressure,the real part of the complex permittivity of the composite decreases with the increasing frequency of extra electric field.And under the same frequency and compressive stress the higher proportion the electric silicone is,the larger the permittivity is.Under the same frequency,the real part of complex permittivity of both kinds of composites increases with the increasing compressive stress and the higher the proportion of electric silicone rubber is,the higher the increase of permittivity will be.

silicone rubber;graphitized carbon black;permittivity;compressive stress

2010-11-13;

2011-01-02)

卜時(1990年出生),男,北京市人,南京大學物理學院08級本科生.