电、磁场处理对碳纳米管/聚乙烯和纳米石墨/聚乙烯复合材料的结构及介电性能影响机理研究

本课题将在碳纳米管（CNTs）/聚乙烯（PE）和纳米石墨/PE复合材料的热成型加工过程中分别施加电场和磁场，实验研究电场和磁场的强度及种类（稳恒、交变），PE的熔融粘度，填料的种类（单壁或多壁CNTs、纳米石墨）、特性（CNTs的直径和长径比，纳米石墨的厚度和径厚比）和掺量等对经外场处理复合材料的结构和介电性能的影响。同时，利用COMSOL Multiphysics、Atomistix ToolKit和Materials Explorer软件模拟仿真CNTs和纳米石墨在熔融PE中的受力状态、取向程度及复合材料的介电性能。综合分析实验和仿真结果，研究电场和磁场处理影响CNTs/PE和纳米石墨/PE复合材料结构与介电性能的机理。本课题有望获得电、磁场导致CNTs和纳米石墨取向的机理研究的新突破，研究结果可为应用电、磁场处理技术辅助研制高性能聚合物绝缘材料、改善聚合物基智能材料性能提供理论指导。

本项目在碳纳米管（CNTs）/聚乙烯（PE）和纳米石墨/PE复合材料的热压成型加工过程中分别施加电场或磁场，实验研究了电场、磁场处理对复合材料的结构和介电性能的影响。同时，通过仿真计算研究CNTs和纳米石墨的取向程度对CNTs / PE和纳米石墨/PE复合材料介电性能的影响。结合实验研究和模拟仿真结果，分析电场、磁场处理影响CNTs/PE和纳米石墨/PE复合材料结构与介电性能的机理。研究结果表明：磁场处理使得PE的晶粒增大、结晶度提高；在稳恒强磁场作用下，CNTs中的部分电子会绕其周长旋转，产生较大的磁动量和感应磁矩，从而使CNTs在熔融PE中沿磁场方向取向，CNTs/PE复合材料沿磁场方向的电导率明显增大；纳米石墨微片因存空位缺陷和间隙原子缺陷而具有磁性，稳恒强磁场能使纳米石墨微片的磁性增强，导致其在熔融PE中沿磁场方向的取向程度增大，宏观上表现为纳米石墨/PE复合材料沿磁场方向的电导率增大；仿真计算结果证明了随CNTs和纳米石墨在PE中取向程度增大，复合材料的导电性增强。本项目的研究结果为CNTs和纳米石墨的磁性理论提供了有力证据，也初步证实了利用磁场辅助制备高性能纳米碳复合材料的可行性。