导电炭黑/硅橡胶复合材料介电常数与压应力的关系

卜 时 周 进

(南京大学物理学院,江苏南京 210093)

导电炭黑/硅橡胶复合材料介电常数与压应力的关系

卜 时 周 进

(南京大学物理学院,江苏南京 210093)

以填充了导电炭黑的导电硅橡胶和绝缘硅橡胶为主体材料,分别采用质量比1∶9;3∶7配比进行混炼、制备,研究了压力下复合材料的介电特性.实验结果表明:在恒压下样品介电常数实部ε′随外加电场频率的增加而减小;在恒压、同频率时导电硅胶含量大的样品介电常数大;在同频率时,增大压应力,样品介电常数实部ε′都会增加,导电硅胶含量大,增幅大.

硅橡胶;导电炭黑;介电常数;压应力

1 引言

南京大学物理实验课开设介电谱的测量实验.实验主要测量了聚氯乙烯薄膜的介电频率特性[1].我们将聚氯乙烯薄膜更换为其他材料,增加施压装置可以获得材料在外界作用下可能产生的新的介电频率特性.本实验研究对象为导电炭黑/硅橡胶复合材料.在这种复合材料中,导电颗粒分散在绝缘体中表现出的物理性质尤为引人注目.它在制造各种微电子器件中有广泛的技术应用[2].而目前研究压应力对于材料介电常数影响的实验并不多.本论文比较了不同含量配比的导电炭黑/硅橡胶复合材料在加压后介电常数的变化程度(低频区域).由于实验仪器的限制,实际的复合材料的高频区介电常数还有待研究.

2 实验原理[1]

介质的极化性质可用相对介电常数εr或极化率χ表示.这里

式中,D为电位移矢量;P为极化强度矢量;E为介质内微观电场的空间平均值;ε0为真空介电常数.

介质极化时响应外场变化快慢的程度用弛豫时间τ表示,τ的物理意义是:在电解质上加恒定的电场,当极化达到稳定之后撤去电场,经过时间τ极化强度 P降为原来 Pm的1/e,即

因为在极化的过程中有弛豫现象存在,所以式(1)、(2)中的 D,P和 E的变化不是同相位的.D,P将滞后于 E的相位ω τ.用复数表示正弦交变电场,有

实验中通常将介质样品放置于两块电极板之间,在两电极板上加上角频率为ω的正弦电压,则电极的电容C及其交流阻抗为

其中,等效电阻 R为

式中,C0为真空时的电容.式(8)表明,填充样品的电容器等效于图1(a)的电容C0与电阻 R的并联.

图1

3 实验结果及讨论

材料制备:将乙烯基甲基硅橡胶与导电硅橡胶(内含导电炭黑)采用如表1所示配比进行混炼.将含有硫化剂、补强剂、导电炭黑的导电硅胶与绝缘硅胶混合好以后,在平板硫化机上高温高压(170℃、10MP)进行硫化胶粘,制作成导电炭黑/硅橡胶复合材料.

表1 导电炭黑/硅橡胶复合材料配方

将制备的样品置于样品盒中测得加压后介电常数与频率关系如图2.它表明同一种复合材料,在550～15000Hz频段,随着频率的增加其介电常数实部减小,加压后介电常数相应增加且增幅在550～15000Hz频段基本相同.图3为配比发生变化后的对应关系.两图比较可以看到:同频率下压应力增加480Pa,导电硅胶含量30%的复合材料其介电常数实部增幅较大,平均约为2.68,而导电硅胶含量 10%的增幅较小,平均约为1.24.

图4为相同压应力下导电硅胶含量分别为10%、30%的复合材料介电常数实部随平行板电容器电磁场频率变化.在同压应力、同频率下,导电硅胶含量大的样品介电常数更大.

对于同种材料,在不同频率下其介电常数实部的减小可以用德拜弛豫解释.介电常数实部的德拜色散方程为

其中,ε∞为光频介电常数;εs为静态介电常数,为弛豫时间[1].ε∞、εs取定的情况下频率ω增加,ε′减小.

硅橡胶属于非极性或弱极性物质,硅胶本身的极化并不是导致高介电常数的原因.样品中的导电炭黑是颗粒状的,直径在 11～500nm之间[3].颗粒填充的复合材料由三相组成:基相(聚合物)、分散相(填充颗粒)以及界面相(聚合物以及填充颗粒之间的界面区).在很多情况下,界面相是复合材料介电性能的决定性的因素.在低频区,电荷在纳米粒子两极的积累产生的非同步偶极运动是介电常数增加的主要原因[4].

导电硅胶含量增大,导电炭黑分子数目增加.电场作用下,偶极子数目增多,偶极运动产生的范围更广,宏观表现为贴近两极板的电介质表面上与相邻极板自由电荷带相反符号的束缚电荷增多,这样在效果上抵消了极板上更多自由电荷,又因为极板恒压,电源会向极板提供更多电荷以补充异号束缚电荷的抵消作用C0=其中,Q′为束缚电荷;Q0为单极板自由电荷.偶极子增多表现为 Q′增加,由可知介电常数增大.

4 小结

(1)对于导电硅胶含量为10%、30%的复合材料,在550～15000Hz频段,随着外加电场频率的增加其介电常数实部减小.这可以用德拜弛豫解释.

(2)同压应力、同频率下,导电炭黑含量大的复合材料介电常数更大.在低频区,电荷在纳米粒子两极的积累产生的非同步偶极运动是介电常数增加的主要原因.导电炭黑含量大,电场下偶极子数量增加,产生偶极运动的范围更广,复合材料介电常数更大.

(3)同一频率下压应力增加480Pa,两种复合材料的介电常数都有所增加,且含导电成分大的样品增幅大,导电硅胶含量为30%的复合材料介电常数增加约2.68,含量为10%的增加约1.24.

本课题得益于卢德馨教授的探究式教学[5]以及南京大学自主型物理实验课程的启迪和帮助,感谢江洪建工程师在实验仪器上提供的方便.

[1] 潘元胜,冯璧华,于瑶.大学物理实验第二册(修订版)[M].南京:南京大学出版社,2004

[2] Michaela Pelí šková,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] 王梦娇,龚怀耀,薛广志.橡胶手册第二分册[M].北京:化学工业出版社,1989

[4] 黄兴溢,柯清泉,江开平,韦平,汪根林.颗粒填充聚合物高介电复合材料[J].高分子通报,2006,12:39～45

[5] 卢德馨.研究性教学20年——理念、实践、物理[M].北京:清华大学出版社,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)

卜时(1990年出生),男,北京市人,南京大学物理学院08级本科生.