玻璃粉与陶瓷粉添加量对复合材料性能的影响及优化

复合材料是由两种或两种以上不同的材料组成的,具有各自材料所不具备的优良性能。 复合材料的性能不仅取决于组成材料的性质,还取决于它们之间的界面作用。 因此,复合材料的制备工艺对其性能有着重要的影响。

玻璃粉与陶瓷粉是常用的无机填充剂,它们可以提高树脂基复合材料的刚度、强度、耐热性和耐磨性,同时也可以降低树脂基复合材料的收缩率和成本。然而,过多或过少的添加量都会对复合材料的性能产生不利的影响。因此,需要根据不同的应用场合和要求,选择合适的添加量。

力学性能

玻璃粉能均匀地分散到基体树脂中,弥补填料之间的空隙并消除部分缺陷,从而提高拉伸强度。然而,由于玻璃粉的粒径较大,在拉伸过程中阻碍了应力的传递,并且填料的加入增加了其与基体树脂的接触面积,增强了界面作用,导致断裂拉伸应变下降。

从表中可以看出,当陶瓷粉添加量为60 phr时,复合材料的力学性能最优,拉伸强度和断裂拉伸应变分别为7.7 MPa和181.3%。这是因为随着陶瓷粉添加量的增多,分子间相互作用力增强,使复合材料的结构更加致密,从而使拉伸强度和断裂拉伸应变同时增大。

当陶瓷粉添加量进一步增加时,填料与树脂之间的相容性变差,缺陷概率增加,相互作用力减弱,界面效应降低,应力集中点增加。这导致复合材料更容易发生脆性断裂,从而显著降低了拉伸强度和断裂拉伸应变。因此,需要选择适当的添加量,以达到最佳的力学性能。

击穿特性

击穿特性是指材料在电场作用下的击穿行为。材料尺寸参数是指在累积失效概率为63.2%时的击穿场强,用来反映材料的特征击穿场强。而材料的形状参数则反映了击穿场强数据的分散性,数值越小表示击穿场强的分散程度越大。

玻璃粉添加量的增加,复合材料的击穿场强会有所提升,同时数据分散性也增大。玻璃粉添加量较少时,能够均匀分散到基体中,增大了填料与树脂之间的界面区域,增加了深陷阱的数量,从而可以捕获更多的载流子,并且缩短了载流子的平均自由行程,从而使复合材料的击穿场强提高。但随着玻璃粉添加量的增加,玻璃粉的分散性以及与基体的相容性下降,部分填料因分散不均发生团聚,导致界面作用力减弱,从而使击穿场强略有下降。

此外,低熔点玻璃粉或陶瓷粉添加量的增加,陶瓷化聚烯烃复合材料的弹性模量都有不同程度的提高。这是因为随着填料的增多,无机填料形成了刚性结构,增强了复合材料的刚性。弹性模量的提高表示材料的刚性更强,形变更小。

随着陶瓷粉添加量的增加,陶瓷化聚烯烃复合材料的击穿场强增大,电气强度提高,数据分散性减小。其中的原因有两个方面:

01、陶瓷粉与聚烯烃基体相互作用,界面效应增强,使自由电子运动更加困难,有利于阻碍复合材料放电通道的发展延伸;

02、陶瓷粉本身充当了杂质粒子,对载流子有散射作用,引入了更多的深陷阱,从而增大了自由电子被捕获的概率,同时缩短了电子的平均自由行程,导致复合材料的击穿场强提高。

低熔点玻璃粉和陶瓷粉的添加都能提高复合材料的击穿场强,但玻璃粉添加量过多时会导致击穿场强下降。此外,无机填料的添加还能增加复合材料的弹性模量,提高其刚性。

电导特性

低熔点玻璃粉和陶瓷粉对复合材料的电性能有显著影响。通过调节两种填料的用量比例,可以得到不同电性能的复合材料。

01、随着低熔点玻璃粉的添加量增加,陶瓷化聚烯烃复合材料的体积电阻率整体呈现下降趋势。这是因为玻璃粉中含有多种金属氧化物,在复合材料中形成导电网络,增大了载流子的浓度和迁移率,导致电阻率降低。

02、当陶瓷粉添加量增加时,陶瓷化聚烯烃复合材料的体积电阻率呈现先增大后减小的趋势。当陶瓷粉用量较少时,陶瓷粉颗粒能够分散在基体中,提高了复合材料的电阻率。然而,当陶瓷粉用量过大时,部分陶瓷粉团聚形成孔洞和界面缺陷,导致载流子的脱离束缚,使复合材料的电阻率下降。

03、复合材料的介质损耗角正切随着玻璃粉用量的增大呈现先减小后增大的趋势。当玻璃粉用量较少时,能够形成良好的界面状态,限制载流子的移动,导致复合材料的损耗较小。然而,随着玻璃粉用量增大,填料与树脂间相容性差,界面效应增强,导致能量损耗提升,同时电导电流的增加也增加了介质损耗。

04、陶瓷粉用量的增大,复合材料的介电常数和介质损耗角正切都提升。这是因为陶瓷粉过多会增加复合材料的缺陷和极化率,同时界面效应增强,导致电导电流增加和损耗增加。

介电常数

当低熔点玻璃粉用量为50 phr时,介电常数达到最大值。这可能是因为少量玻璃粉引入了杂质离子,提高了材料的离子位移极化效应。但当玻璃粉用量过大时,填料容易团聚,导致复合材料的介电常数下降。

耐火性能

陶瓷粉作为成壳的基本填料,用量较少时无法与其他填料均匀配合,导致复合材料性能下降。当陶瓷粉用量增加时,可以完全包裹整个材料,与助熔剂、阻燃剂等填料共混形成有自支撑结构的残余物。

因此,低熔点玻璃粉和陶瓷粉的添加对复合材料的介电常数和耐火性能有一定影响,适量的添加可以改善材料的性能,但过多或过少的添加会导致性能下降。

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