应变率效应耦合的填充型导电高聚物压阻效应研究

Piezoresistive effect is one of the important physical-mechanical properties of conductive polymers composite. When the material is given, the resistance of the conducting polymers depends on two aspects, one is the deformation of material, which contains the damage deformation; another is dependence of the movement of molecular chains on loading time. Namely, the piezoresistive effect depends not only on the strain field distribution, it also related to the strain rate. The materials studied in this project is polyamide-based conductive polymer composite filled by stainless steel fibers and carbon nanotubes.The effect of strain rate on resistance of the composite under compression loading will be studied in this project. The strain rates adopt in this experiment, from 0.001/s to 10000/s, are 8 orders of magnitude from quasi-static MTS experiments, SHPB experiment to high strain rate of a light gas gun with compressing and shearing function. The effect of creep and stress relaxation on resistivity will be investigated. On the basis of experiment, according to the two inclusions in an infinite matrix strain field distribution and considering the nucleation of micro-void as a result of interfacial debonding, the theoretical model of the strain rate coupled piezoresistive effect is establish by means of tunnel effect and micromechanics methods for quantitatively investigating the effect of strain rate and micro-damage evolution on the resistivity of composite.

压阻效应是导电高聚物复合材料的重要物理-力学特性之一。在材料给定的条件下，导电高聚物的电阻取决于两个方面，一是材料的变形，其中包含了损伤变形；二是高聚物分子链段运动速度，即它不仅与材料的应变有关，也与应变率相关。本项目所研究的材料，是以不锈钢纤维和碳纳米管作为填料填充聚酰胺基体形成的导电高聚物复合材料。重点考察材料在压缩荷载下应变率对材料电阻的影响。采用从准静态MTS实验、中应变率的SHPB实验、高应变率的一级压剪轻气炮实验技术，压缩应变率从0.001/s～10000/s跨8个数量。通过实验研究压阻现象的应变率相关性；同时研究蠕变效应和应力松弛效应对材料电阻的影响。在实验的基础上，通过细观力学方法，以无限大基体中两夹杂之间的应变场分布为基础，考虑材料由于界面脱粘导致微孔成核的影响，结合隧道效应理论，建立压阻效应理论模型，定量地探讨应变率效应和微损伤演化对材料电阻的影响。

本项目研究了PA6/SSFs/CNTs材料在压缩荷载下应变率对材料电阻的影响。通过实验研究压阻现象的应变率相关性；研究分析了应变率对材料压阻性能的影响规律。加载过程中导电填料之间距离减小，复合材料电阻率降低；同时复合材料中会出现微损伤，导致材料电阻率增大。分析研究结果表明，载荷作用下复合材料电阻率变化由两种竞争机制所决定。一种机制是：在载荷作用下导电填料之间间隙宽度的减小导致电阻率减小；另一种机制是：由材料内部的微损伤演化而引起导电夹杂距离增加而导致电阻率增大。由于基体具有率敏感性，因此相同应变时，应变率增加，材料内部损伤量增加，夹杂间距增加，电阻率增加。在实验基础上，建议了一个应变率耦合的SSFs/CNTs/PA6复合材料体系的应变－电阻效应的理论模型。从拟合结果中可以看出应变率越大，发生隧道效应的势垒越低，满足幂律分布。同时研究蠕变效应和应力松弛效应对材料电阻的影响。在实验的基础上，通过细观力学方法，研究了基于聚力模型的纤维增强高聚物复合材料的界面脱粘。基体材料的本构关系近似为线性粘弹性模型，纤维看作刚体。从能量守恒原理出发，根据Eshelby等效夹杂理论，分析了无限大基体中单根纤维脱粘前后的应力应变变化，导出了界面脱粘临界应力的表达式。通过数值方法计算并讨论了纤维/基体模量比、脱粘角度、纤维半径对临界脱粘应力的影响。研究了该体系导电高聚物热学性能。通过动态力学分析(DMA)研究了不同纤维质量分数复合材料的储能模量和损耗因子随温度的变化，讨论了材料粘性对实验结果的影响，采用热重分析(TGA)方法研究了复合材料体系的热分解过程。为研究材料的结晶过程并分析导电填料对结晶度、熔化和结晶温度的影响，进行了差示扫描量热计(DSC)分析。