聚合物炭黑复合材料PTC特性的理论研究进展.pdf

第15卷第6期高分子材料科学与工程Vo】．I5．No．6

1999年u月POIYMERMATERIAISSCIENCEANDENGINEERINGNov．1999

文章蠕号：1000-7555(1999)06—0025—04
③聚合物／炭黑复合材料PTC特性的理论研究进展
、／／

一席保锋刘辅宜．徐传骧陈凯
-—_———一———————一
【西安交通大学电气学院．西安710049)

摘要关于采l鲁曲／发黑复合材料PTC特性的机理研究．提出了许多理论棰型。主中对几十具有代表性的棰型．印
(1)导电链与熟膨胀模型．(2)琏遣导电模型，(3)嶷拉采集志蛄构变化厦琏移模型．(4)政姆导电机理厦相变棰型等
进行分析争讨论．指出了各种模型的特点与蚨堵，认为进一步研究PTC现皋的机理，完善相应的理论模型．量蕾领
域中一顷长期的工作．

美t调聚台材复台材辩，嵌．I；I，导电机理，PTc聚乎为，rTc’
中圈分类号：0631．2空t标识码：A

l引言一G．Menges等c3]~j量了聚乙烯体积变化与温度
以聚合物材料为母体，加入导电炭黑形成的复的关系，如Fig．1所示。
合材料呈现PTC特性的现象是Frydman口于1945
年首先发现的当时由于其特性不明显，因而未引起
注意。1966年，Kohler口重新发现了这个现象。与
Frydman不同，Kohler得到了非常明显的PTC效
应。此后众多科技工作者投入了对这一现象的研究
和开发，并引起了工业界的极大重视。
关于聚合物复合PTC材料的机理，提出了许多
理论模型，以下舟绍与详述一些具有代表性的理论
模型。

2聚合橱／炭黑复合材料Prc特性的机理

关于聚合物／炭黑复合材料PTC特性的机理，Fj摹一I，·—Tdlagrmofp~lyethyleneathi|hc·。lin窑
提出的理论模型主要有(1)导电链与热膨胀模型，(---一)sndlowIleltlnRrates(1and．1l州l
dlffe~ntprmure
(2)隧道导电模型，(3)炭粒聚集态结构变化及迁移
该曲线形状与一般的PTC曲线非常相似，似乎
模型，(4)欧姆导电机理及相变模型等。
验证了Kohler的模型，但是该模型不能解释下列现
2．1导电链与热膨胀模型
象：(I)将试样拉伸使其尺寸变化与熔融时相一致，
Kohler1966年在他重新发现聚合物材料
但复合材料的电阻只有微小变化；(2)在无定形聚合
PTC现象的专利文献中提出了这个模型，其主要观
物中，温度升高时，电阻却敉有增加；(3)按照该模
点为：开始时，导电粒子在聚合物中形成导电链，当
型，电阻的变化应直接是熔点时体积变化的函数，但
温度升高时，聚合物基体体积膨胀，导电粒予被慢慢
实验得不到这种关系。
分开，电阻增加。在熔点时，聚合物体积突然增大，导
Kohler的模型形象、直观、可在一定范围内说
电链被破坏，电阻也随之突然增大，即复合体系呈现
明聚合物／炭黑复合体的PTC现象，当对PTc现象
PTC现象。

啦精日期，l998一l0一l7
联幕^丑第一作者席保悔．男．3|岁．I孽士

高分子材科科学与工程

进行深人研究时，该模型则显得过于简单。
(2)m(一)卜【十)
2．2端道导电模型
Ohe根据隧道效应电流与电场的关系．计算⋯p[_(2m)t2(]
出聚乙烯／炭黑复合体系的电阻率～电场曲线，结果
式中为炭黑的费米能级；中为炭黑的功能函数
与实验数据符合得很好。因此，Ohe认为聚合物／炭
绝缘体的电子亲和能；e为电子电量；为电子质
黑复合材料的电阻主要是由电子在导电粒子间的隧
量；h为普朗克常数；为间隙宽度；V为施加的电
道电流决定的。
压。根据式(2)．Ohe推导出在低场强时：

nsh"
exp()’(‘3。)’

式中口一(4~'／h)√2m中，在高场时：

E
五面【4j

式中=／4N；E为外加电场强度。
Fig．3示出了Ohe对炭黑石腊一聚乙烯复台体
电阻～场强关系的试验结果及计算结果，两者表现
出很好的一致性。因此，Ohe认为在炭黑／聚合物复
合体系中的导电机理为隧道教

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。
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Fig2Theequivalentcircuit0fpapostor，athreedimen-
sionalnetworkeI代airshownIn(日)andtwodi-【V／era】
mensioutaInetworkIn[b)AnelementresistanceF1窑．3Flelddepeadenceolresislivity
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