1、材料物理與化學(xué)浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院王家俊參考書(shū)籍：1.益小蘇，復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的功能原理，國(guó)防工業(yè)出版社2.奚同庚，無(wú)機(jī)材料熱物性學(xué)，上海科學(xué)技術(shù)出版社3.趙新兵，材料的性能，高等教育出版社第一部分 復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的功能原理0 復(fù)合導(dǎo)電高分子材料0.1 復(fù)合材料定義（ISO）：復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。復(fù)合材料可保留組分材料的主要優(yōu)點(diǎn)，克服或減少組分材料的許多缺點(diǎn)，或產(chǎn)生原組分材料所沒(méi)有的一些優(yōu)異性能。復(fù)合材料組成：增強(qiáng)材料+基體材料復(fù)合材料的種類(lèi)：（按基體材料）高分子復(fù)合材料金屬?gòu)?fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料（按增強(qiáng)材料）玻璃纖維復(fù)

2、合材料碳纖維復(fù)合材料有機(jī)纖維復(fù)合材料（芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、等等）（按用途）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料（按復(fù)合結(jié)構(gòu)）0-3型復(fù)合材料1-3型復(fù)合材料2-3型復(fù)合材料3-3型復(fù)合材料1-2型復(fù)合材料2-2型復(fù)合材料0.2導(dǎo)電高分子材料本征導(dǎo)電高分子材料聚苯胺聚吡咯聚乙炔復(fù)合導(dǎo)電高分子材料高分子基體中添加導(dǎo)電填料（顆粒、纖維；金屬、其它）一 功能加和與滲流現(xiàn)象1.1 復(fù)合材料功能線性加和性質(zhì)功能復(fù)合材料常見(jiàn)微結(jié)構(gòu)：0-3型復(fù)合功能線性加和性質(zhì)：A=A1+(1-)A21.2 滲流現(xiàn)象V2O3粒子為導(dǎo)電相，填充PVC、LDPE、HDPE、EP。出現(xiàn)由絕緣體向電導(dǎo)體的滲流轉(zhuǎn)變行為。1.3 通用有

3、效介質(zhì)方程 非線性的加和滲流現(xiàn)象用通用有效介質(zhì)方程(General Effective Media Equation, GEM方程)來(lái)描述：式中A=(1-c)/ c ， 為高電導(dǎo)率組分的體積分?jǐn)?shù)， c 為高電導(dǎo)率組分的臨界體積分?jǐn)?shù)，l、h和 分別為低電導(dǎo)率組分、高電導(dǎo)率組分和復(fù)合材料電導(dǎo)率，t為參數(shù)。c和t通過(guò)其它四個(gè)參數(shù)與復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)：fc = LF /（1LfLF） 對(duì)于與電場(chǎng)取向一致的橢球 = mf /（mfmF） 對(duì)于隨機(jī)取向的橢球t = 1 /（1LfLF） 對(duì)于與電場(chǎng)取向一致的橢球 = mf mF/（mfmF） 對(duì)于隨機(jī)取向的橢球這里L(fēng)F和Lf分別為高電導(dǎo)率組分和低電導(dǎo)率組

4、分的退磁系數(shù)，mF和mf分別為隨機(jī)取向高電導(dǎo)率組分和低電導(dǎo)率組分橢球的參數(shù)，與復(fù)合材料中顆粒的形狀有關(guān)。 然而，用這兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)其實(shí)是很勉強(qiáng)的。事實(shí)上，復(fù)合導(dǎo)電高分子的滲流導(dǎo)電并不是出現(xiàn)在一個(gè)點(diǎn)（fc）上，滲流轉(zhuǎn)變歷經(jīng)一個(gè)域，域的位置和寬度都與復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)有關(guān)。1.4 滲流導(dǎo)電行為的相變理論 統(tǒng)計(jì)滲流理論與滲流相變理論 滲流導(dǎo)電行為是一種 “幾何相變”，或“連續(xù)相變”，屬于臨界現(xiàn)象。隨著導(dǎo)電粒子的增加，導(dǎo)電粒子在基體中經(jīng)歷了均勻分散聚集體 導(dǎo)電簇導(dǎo)電骨架 滲流網(wǎng)絡(luò)等不同的微結(jié)構(gòu)層次。形成了3-3（雙連續(xù)）連通的電子輸送結(jié)構(gòu)。連續(xù)相變伴隨體系有序程度的變化，可以用序參量來(lái)描述。構(gòu)

5、造電有序參量： = ln (/p) 其中p為高分子基體的電導(dǎo)率。于是有f fc時(shí) 0 令F = 1/f為決定體系電有序參量的控制參量。高密度聚乙烯5000S/碳黑N550體系的電有序參量與控制參量的關(guān)系如圖1-5所示。 Landau平均場(chǎng)理論，其基本出發(fā)點(diǎn)是用一個(gè)“平均了的場(chǎng)”即“內(nèi)場(chǎng)”來(lái)代替其他粒子對(duì)某特定粒子的作用，從而將復(fù)雜的多體問(wèn)題近似簡(jiǎn)化為單體問(wèn)題。根據(jù)Landau平均場(chǎng)理論，熱力學(xué)勢(shì)在臨界點(diǎn)附近展開(kāi)為：電有序參量 與粒子分散狀態(tài)有關(guān)。粒子分散狀態(tài)的下限為均勻分散，上限為粒子規(guī)則排列形成一條無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)電簇。可以認(rèn)為，任意填料含量均存在一個(gè)自由能最小，即熱力學(xué)平衡狀態(tài)，此時(shí)長(zhǎng)度不同的導(dǎo)電

6、簇達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-6 Landau自由能G與電有序參量的理論函數(shù)關(guān)系。 一般，(G/F)F=0, (G2/F2)F0，則自由能極小。因此可以得到復(fù)合體系在熱力學(xué)平衡條件下的-F關(guān)系式。將該關(guān)系式代入G(,F)方程，得到熱力學(xué)平衡條件下復(fù)合材料的電導(dǎo)率與粒子濃度(-f )的理論關(guān)系： =p (f fc) 當(dāng) f fc時(shí)，復(fù)合材料的-f 關(guān)系式表示為 ln(/p) (1- fc/f ) 稱為序參量臨界指數(shù)。不同體系電有序參量臨界指數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Landau平均場(chǎng)理論值的一致性，證明了滲流導(dǎo)電行為的確是一種臨界現(xiàn)象，也證明平均場(chǎng)理論關(guān)于復(fù)雜體系熱力學(xué)勢(shì)在臨界體積分?jǐn)?shù)附近展開(kāi)形式的可靠性。在Lan

7、dau平均場(chǎng)近似下，滲流閾值不同的復(fù)合體系就有相同的-f關(guān)系，說(shuō)明了滲流導(dǎo)電行為就有普適性。二 功能乘積性質(zhì) 2.1 正、負(fù)溫度系數(shù)電阻現(xiàn)象正溫度系數(shù)電阻（Positive Temperature Coefficient of resistance, 簡(jiǎn)稱PTC）現(xiàn)象復(fù)合材料的功能乘積效應(yīng)：一個(gè)組分A性能、另一個(gè)組分B性能，乘積效應(yīng)后形成新的C性能。伴隨著PTC現(xiàn)象的負(fù)溫度系數(shù)電阻（Negative Temperature Coefficient of resistance, 簡(jiǎn)稱NTC）現(xiàn)象。 其它乘積效應(yīng)：1.電熱性能A熱致伸縮B = 2.聲壓性能A 壓電材料B電熱性能C =3.磁致伸縮A

8、 壓電材料B = ？4.環(huán)氧樹(shù)脂A鈦酸鋇B = ？2.2 PTC效應(yīng)的數(shù)理模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)電相的體積分?jǐn)?shù)：它是溫度的函數(shù)，并且有：積分后得到“真實(shí)的”功能相粒子的體積分?jǐn)?shù)：用(T)替代GEM方程中的，即可以得到電導(dǎo)率與溫度T的函數(shù)關(guān)系（2-5）。圖2-3滲流行為與熱膨脹效應(yīng)曲線。圖2-4 GEM方程PTC預(yù)測(cè)（a）和體積膨脹導(dǎo)致的滲流曲線預(yù)測(cè)（b）。2.3 雙臨界物理模型與驗(yàn)證 PTC效應(yīng)是溫度和粒子體積分?jǐn)?shù)相互合作、協(xié)同作用的結(jié)果，可以被認(rèn)為是一種雙臨界現(xiàn)象(Binary Critical Phenomena, BCP)。三 功能乘積性質(zhì)的拓展：電阻容積及其理論模型3.1 壓阻現(xiàn)象及其理論模

9、型圖3-1逐漸加壓過(guò)程中電阻率隨時(shí)間的變化曲線。表明0-3型復(fù)合導(dǎo)電高分子材料具有兩個(gè)壓阻行為，其一是電阻與外壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即壓阻現(xiàn)象；其二為“電阻蠕變”現(xiàn)象。壓阻現(xiàn)象復(fù)合材料的電阻為 （3-1） 式中：R為復(fù)合材料的電阻；Rm為兩相鄰導(dǎo)電粒子間的電阻；Rc為導(dǎo)電粒子的電阻；L為平行于電流方向的一條導(dǎo)電通路中的粒子數(shù)目；S為導(dǎo)電通路數(shù)目。相鄰粒子間的隧道電流為： （3-2） 式中：m和e分別為電子質(zhì)量和電荷；h為普朗克常數(shù)；V為外加電壓；s為粒子間距；為粒子間的勢(shì)壘高度。因此，兩相鄰導(dǎo)電粒子間的電阻為：Rm=V/a2J（3-3） 導(dǎo)電粒子的電阻可以忽略，即Rc0。代入（3-1），得到復(fù)合材料

10、的電阻與復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系式： （3-4） 其中復(fù)合材料受壓時(shí)，導(dǎo)電粒子間的間距會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)粒子間距從s0變到s時(shí)，復(fù)合材料的電阻從R0變到R，則有： （3-5） 粒子間距與壓力和壓縮模量的關(guān)系（3-6）其中：為基體的應(yīng)變；為外加壓力；M為基體的壓縮模量。粒子原始間距與粒子直徑和體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系 （3-7）將（3-6）和（3-7）代入（3-5），得到電阻與外加壓力的關(guān)系，即壓阻特性：（3-8）時(shí)間對(duì)壓阻特性的影響蠕變性能一定壓力下隨時(shí)間的形變：（3-9）一定壓力下，粒子間距隨時(shí)間的變化：（3-10）將（3-9）和（3-10）代入（3-5），得到一定壓力下電阻將隨時(shí)間關(guān)系：（3-11）3.

11、2 壓阻模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證填料含量的影響（圖3-6、3-7）隨著外加壓力的升高，相對(duì)電阻均單調(diào)遞減。并且填料含量較小的復(fù)合材料遞減的幅度較大。填料粒徑的影響（圖3-8）填料模量的影響（圖3-9）勢(shì)壘高度的影響（圖3-10）蠕變性能比較四 結(jié)構(gòu)因素：基體熔融、結(jié)晶及電子束輻照處理4.1 PTC轉(zhuǎn)變與基體的熔融、結(jié)晶炭黑富集在HDPE的非晶的晶界上。見(jiàn)圖4-2，滲透力與范得華力的量值接近(F10.910-12N, F21.310-12 1310-12 N)，所以可以認(rèn)為聚合物鏈有可能沖破炭黑聚集體的包圍，完成從晶區(qū)到非晶區(qū)的轉(zhuǎn)移，客觀上切斷了導(dǎo)電通路。熔融過(guò)程結(jié)束后，繼續(xù)升溫，材料的電阻開(kāi)始下降。雖然

12、熔融過(guò)程結(jié)束，但體積仍然繼續(xù)上升，導(dǎo)電粒子的絕對(duì)濃度依然下降，應(yīng)該導(dǎo)致電阻進(jìn)一步上升。這個(gè)條件下出現(xiàn)的NTC現(xiàn)象將在后面討論。4.2 熱處理圖4-3，熱處理溫度并不顯著改變阻-溫關(guān)系。 4.3 電子束輻照電子束輻照通常引起高分子鏈間、高分子鏈與碳黑之間、碳黑與碳黑之間的交聯(lián)。這顯然會(huì)限制碳黑粒子的運(yùn)動(dòng)。室溫態(tài)輻照，交聯(lián)主要發(fā)生在晶界上。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)被一定程度固定下來(lái)。熔融態(tài)交聯(lián)，發(fā)生在兩相態(tài)。此時(shí)碳黑的濃度已經(jīng)被基體的膨脹所稀釋，固定這種狀態(tài)必然導(dǎo)致較高的室溫電阻和較小的PTC強(qiáng)度。電子束輻照劑量越高，峰高越低、峰溫越低。更高劑量的電子束輻照變化趨勢(shì)更明顯。4.4 GEM方程的應(yīng)用 LF隨試驗(yàn)溫度

13、明顯下降，暗示基體材料的晶界微熔，熔態(tài)分子沿電場(chǎng)方向取向。 Lf隨試驗(yàn)溫度明顯上升，這可能與微熔的高分子沖破碳黑聚集體的包圍，完成從晶區(qū)到非晶區(qū)的轉(zhuǎn)移有關(guān)，它客觀上切斷了粒子之間的導(dǎo)電通路。隨著溫度的升高，指數(shù)t由2.055提高到5.767。說(shuō)明隨著溫度的升高，熔態(tài)高分子對(duì)高結(jié)構(gòu)化的碳黑聚集體的滲入，破壞了原有的高結(jié)構(gòu)化程度。這與Lf不斷增加的反映的是同一個(gè)過(guò)程。（Balberg認(rèn)為，t與碳黑的結(jié)構(gòu)化程度有關(guān)，高結(jié)構(gòu)化碳黑的t為2，中結(jié)構(gòu)化碳黑的t為2.8，而非結(jié)構(gòu)化碳黑的t為4。)五 復(fù)相基體、含纖維復(fù)合材料的滲流行為與阻-溫特性5.1 非連續(xù)1-3型復(fù)合導(dǎo)電高分子材料PMMA/VGCF呈現(xiàn)

14、微弱的線性加和性。HDPE/VGCF強(qiáng)烈的滲流現(xiàn)象。HDPE-PMMA (50:50) / VGCF保持了強(qiáng)烈的滲流，而且滲流閾值大為提前。HDPE-iPP(50:50) / VGCF體系5.2 復(fù)相高分子基體材料的影響Young氏方程(5-3)：式中為浸潤(rùn)系數(shù)，為表面自由能，下標(biāo)A、B、CF分別表示A基體、 B基體、碳纖維。 A-B1， VGCF擇優(yōu)富集在A相； 0 A-B 1， VGCF擇優(yōu)富集在A相，或在AB的界面； -1A-B 0， VGCF擇優(yōu)富集在B相，或在BA的界面； A-B-1，VGCF擇優(yōu)富集在B相。5.3 雙滲流現(xiàn)象 VGCF不變，改變HDPE-PMMA和HDPE-iPP體

15、系中HDPE的含量，可以觀察到一種類(lèi)滲流轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。 碳黑填充的復(fù)相高分子基體復(fù)合材料，上述現(xiàn)象與規(guī)律依然存在。5.4 非連續(xù)0-1-3型復(fù)合導(dǎo)電高分子材料圖5-12為0-1-3型(HDPE/CB/CF)三元復(fù)合材料的阻-溫曲線。隨著CF的增加，材料的室溫電阻率大幅度下降；PTC轉(zhuǎn)變前電阻率變化趨于平緩。PTC轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度系數(shù)隨著碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而單調(diào)上升；PTC強(qiáng)度在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)5處出現(xiàn)最大值。 因?yàn)槿獜?fù)合材料中存在著兩種填料的導(dǎo)電機(jī)理。碳黑提供近程導(dǎo)電，還對(duì)相鄰碳纖維起來(lái)“橋接”作用。碳纖維提供遠(yuǎn)程導(dǎo)電。三元復(fù)合材料的電阻率隨一個(gè)溫度全循環(huán)的變化情況，見(jiàn)圖5-14。隨著碳纖維含量的增

16、加，PTC轉(zhuǎn)變溫度提高；回滯圈寬度減小。六 非線性機(jī)-電耦合行為的同步、原位測(cè)量：電阻-比體積溫度耦合作用七 高聚物的PTC性質(zhì)及PTC材料的電阻-比體積-溫度-力聯(lián)測(cè)熔態(tài)行為：NTC現(xiàn)象與馳豫現(xiàn)象8.1 復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的PTC-NTC轉(zhuǎn)變前敘PTC-NTC轉(zhuǎn)變現(xiàn)象：（1）GEM方程只能預(yù)測(cè)PTC，電阻率將趨向無(wú)窮大，不出現(xiàn)PTC-NTC轉(zhuǎn)變。（2） PTC-NTC轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)與HDPE晶體完全熔融點(diǎn)、晶體熔融非線性大膨脹向熔體線性低膨脹的拐點(diǎn)一致。（3）電子束輻照交聯(lián)能夠抑制NTC現(xiàn)象，甚至能誘導(dǎo)PTC-PTC 。因此說(shuō)明，復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)及其變化在PTC-NTC轉(zhuǎn)變點(diǎn)上扮演著及其重要的角

17、色。微結(jié)構(gòu)的變化不僅與溫度有關(guān)，還受到溫度變化速率的影響。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)。啟動(dòng)一個(gè)完整的加溫冷卻循環(huán)，分別在升溫的PTC躍升段、NTC降阻段、和降溫的逆PTC電阻突降階段做等溫試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)的體積溫度響應(yīng)關(guān)系不完全一樣。升溫的PTC躍升段，體積和電阻幾乎無(wú)變化升溫的NTC降阻段，電阻下降、體積不變降溫的逆PTC電阻突降階段，體積和電阻均下降PTC-NTC轉(zhuǎn)變溫度前，微結(jié)構(gòu)模型是：碳黑/聚乙烯晶體/聚乙烯非晶態(tài)三相復(fù)合體系。 PTC-NTC轉(zhuǎn)變溫度后，微結(jié)構(gòu)模型是：碳黑/熔態(tài)聚乙烯兩相復(fù)合體系。8.2 熔態(tài)條件下的電阻馳豫現(xiàn)象及其數(shù)學(xué)描述分析電阻率隨時(shí)間的馳豫變化，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律可以用以下方程描述：

18、其中，的大小表征了復(fù)合材料熔體中碳黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)自團(tuán)聚重構(gòu)的速度。 依賴于溫度和結(jié)構(gòu)，服從Arrhenius熱活化規(guī)律。根據(jù)電阻率馳豫熱活化運(yùn)動(dòng)的特征，加熱速率對(duì)電阻率衰減行為具有影響。8.3 碳黑濃度的影響與飽和濃度隨著碳黑濃度的增加，室溫電阻下降、PTC升阻比下降、電阻峰值下降。隨著碳黑濃度的增加，電阻率衰減速度變慢、幅度也減小。說(shuō)明隨著碳黑濃度的增加，通過(guò)自團(tuán)聚運(yùn)動(dòng)完善導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的余地也越來(lái)越小。暗示存在飽和臨界值。R0-曲線與R-曲線外推，交點(diǎn)約在=33%處。因此可以認(rèn)為，這個(gè)碳黑濃度值就是該HDPE/CB復(fù)合材料體系的臨界飽和值。8.4 溫度體積膨脹電阻馳豫的關(guān)系在PTC躍升段和NTC降阻

19、段，體積不變，說(shuō)明電阻馳豫是由于碳黑的自團(tuán)聚引起的。在逆PTC 區(qū)，碳黑的自團(tuán)聚伴隨著聚乙烯的結(jié)晶與體積收縮，強(qiáng)制性地把碳黑排擠出結(jié)晶區(qū)，所以電阻減小的幅度更大、下降速度更快。交聯(lián)試樣在保溫過(guò)程中也存在電阻隨時(shí)間下降的現(xiàn)象，在逆PTC 區(qū)，電阻和體積也均隨時(shí)間衰減。說(shuō)明輻照交聯(lián)并不能完全阻止碳黑的自團(tuán)聚，但與未輻照相比，衰減幅度相對(duì)較小。8.5 電阻弛豫的微結(jié)構(gòu)模型微結(jié)構(gòu)三個(gè)階段遠(yuǎn)低于開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度前，復(fù)合材料呈全固態(tài)三相狀態(tài)，電阻率弛豫基本被凍結(jié)，材料的電阻基本不變。熔態(tài)行為的再討論：選擇性吸附與自團(tuán)聚9.1 特殊相間的相互作用及其特殊導(dǎo)電行為VGCF/PMMA-HDPE體系特殊的VGCF-高

20、聚物相互作用，會(huì)明顯降低體系的導(dǎo)電滲流閾值，并且特殊的熱處理還會(huì)把滲流閾值推向更低。15HDPE在連續(xù)的PMMA連續(xù)相基體中為一個(gè)個(gè)孤立的粒子，這些HDPE粒子主要分布在VGCF纖維的端頭位置，并且依靠這種選擇性分散及其特殊的團(tuán)聚作用，將原先分散的VGCF結(jié)成一張空間的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)骨架。本證絕緣的HDPE粒子扮演了一個(gè)“機(jī)械夾頭”的作用。邏輯推理，如果這種HDPE “機(jī)械夾頭”在其熔點(diǎn)附近大膨脹，使機(jī)械連接的VGCF端頭脫離接觸，則會(huì)出現(xiàn)大PTC現(xiàn)象。9.2 特殊表面結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)滲流現(xiàn)象形成這種導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)的機(jī)理與條件機(jī)理：VGCF的端頭與線干段表面的“幾何結(jié)構(gòu)異?！薄VD氣相生長(zhǎng)方法，使VGCF的

21、端頭裸露著大量的碳晶粒，與碳黑粒子類(lèi)似，選擇性地富集在HDPE中；加上極性的PMMA選擇性吸附VGCF的線干段；HDPE與PMMA熱力學(xué)的分相。三者的共同作用。條件：充分的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：較短的共混時(shí)間，等溫?zé)崽幚?。出現(xiàn)類(lèi)滲流的動(dòng)態(tài)導(dǎo)電行為。且隨熱處理溫度的提高，出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的時(shí)間將縮短。十 電熱行為：結(jié)構(gòu)模型、環(huán)境因素與材料技術(shù)10.1 無(wú)源自限溫材料的應(yīng)用技術(shù)具有PTC效應(yīng)的HDPE/CB復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的最成功的應(yīng)用是制備無(wú)源的自限溫加熱電纜和過(guò)流保護(hù)元件等。自限溫加熱電纜的主要特點(diǎn)是能夠自動(dòng)限制工作溫度，能隨環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，加熱速度快且節(jié)約能源等。因此被廣泛應(yīng)用于需要防凍保溫的

22、化工管道、石油輸送管，儀表及農(nóng)副產(chǎn)品加工如孵化、養(yǎng)殖等。美國(guó)Raychem公司在國(guó)際范圍率先實(shí)現(xiàn)了自限溫加熱電纜的產(chǎn)業(yè)化。設(shè)計(jì)和使用自限溫加熱電纜時(shí)所要考慮的最主要因素之一是自限溫加熱電纜的功率特性，及其與被控物體的環(huán)境等。三種環(huán)境：工況條件；靜止空氣；絕熱條件10.2 啟動(dòng)態(tài)電熱特性將不同溫度和電壓下的電流時(shí)間特性曲線擬合，得到數(shù)據(jù)列于表10-1。相同電壓下，溫度升高導(dǎo)致啟動(dòng)電流I0減小，而弛豫時(shí)間增大。這是因?yàn)镠DPE的熱膨脹導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)受到部分破壞，使得等效電阻和等效電容均增大，所以I0=U/R0減小，而=R0R C/(R0 +R)增大。相同溫度下，電壓升高導(dǎo)致啟動(dòng)電流I0增大，而弛豫時(shí)

23、間減小。這是因?yàn)楫?dāng)溫度不變而電壓增大時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由于隧道效應(yīng)等導(dǎo)致等效電阻和等效電容均減小。啟動(dòng)態(tài)的電流電壓特性曲線如圖10-4所示。對(duì)數(shù)電流與電壓成線性關(guān)系，但斜率大于1。I=AUB其中A反映材料的導(dǎo)電能力；B反映材料的導(dǎo)電性質(zhì)，B=1說(shuō)明符合歐姆定律。隨著溫度的升高，A減小，即導(dǎo)電能力降低。B上升，即非歐姆性質(zhì)越來(lái)越明顯。因?yàn)殡S著溫度升高，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更不完善，R0隨著電壓升高而減小的速度變快， I0=U/R0 增大的速度也加快，I-U關(guān)系偏離線性的程度也就更大了。10.3 平衡態(tài)電熱特性由圖10-5可見(jiàn)，隨著被控溫度升高，功率會(huì)自動(dòng)下降，說(shuō)明當(dāng)被控物體溫度較低時(shí)自限溫加熱電纜功率大，可以補(bǔ)償

24、被控物體的熱損耗，使被控物體溫度不致降低；而當(dāng)被控物體溫度升高時(shí)，自限溫加熱電纜功率會(huì)自動(dòng)下降。熱平衡時(shí)，加熱功率等于耗散熱量：P發(fā)熱=U2/R=P耗散=(T-T0)將圖中的P-T0線外推至橫坐標(biāo)，即可得自限溫加熱電纜的自身工作溫度。由上式可知， P-T0線的斜率就是傳熱系數(shù)。所以工況條件下的傳熱系數(shù)大于靜止空氣下的。且由b圖可見(jiàn)，由于傳熱系數(shù)沒(méi)有變化，工況條件下不同電壓的P-T0線幾乎平行。工況條件下，隨著電壓升高，功率增大；靜止空氣中，功率也隨電壓升高而增大，但增大的幅度明顯下降；絕熱條件下，低電壓時(shí)功率隨電壓升高略有增加，但電壓大于120V時(shí)，功率幾乎不隨電壓升高而增加。熱處理后，HDPE結(jié)晶度，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更完善，電阻變小，所以發(fā)熱功率增加。十一 連續(xù)1-3型復(fù)合：結(jié)構(gòu)模型、導(dǎo)電行為與應(yīng)用技術(shù)11.1 連續(xù)1-3型導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電模型連續(xù)碳纖維增強(qiáng)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料。其中連續(xù)碳纖維的核心作用是增強(qiáng)，很少涉及其導(dǎo)電功能。在力學(xué)受載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)率的變化。縱向電阻符合電阻定理：RL =L/A = L/WH橫向電阻：其中：R0為每條路徑的電阻；n為每根纖維上的搭接點(diǎn)數(shù)目；k為導(dǎo)電層數(shù)；r為纖維半徑；Vf為纖維體積含量；N為單位面積上纖維的搭接點(diǎn)數(shù)目