基于层层自组装法制备CNT薄膜及其压阻传感性能研究

发布时间：2019-09-12 08:33

【摘要】：基于传感器网络、能自动、连续、实时的结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)系统成为当今土木工程领域的新兴研究方向和热点方向,而建立这种系统的基础是大量传感器组成的传感网络。对粘贴表面没有严格要求并能适应外界复杂环境的传感器成为发展的趋势。其中具有优异性能CNT传感器受到人们的广泛关注。国内外对CNT传感器的研究要么是作为导电增强相掺入宏观水泥、砂浆、陶瓷基体中,并发展成一种嵌入式传感器;要么是沉积或组装在硅片、玻璃等刚性基底上,发展成一种外粘式薄膜传感器。本文首先对CNT进行带负电功能修饰,然后利用层层自组装方法制作一种以韧性PET为基底的CNT薄膜,接着对薄膜的压阻传感性能进行了探讨,最后对CNT薄膜的位移响应性能和传感稳定性进行了系统研究。为了制备分散良好、带有羧基的多壁CNT溶液,对CNT进行混酸处理,对处理后CNT进行SEM表面形貌表征,并利用红外和热重分析仪对羧基CNT分别进行定性和定量分析。利用层层自组装方法,把带有羧基的CNT和带有正电的聚阳离子聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)组装,在臭氧处理过的PET基底上制备了CNT薄膜。并对其进行SEM形貌表征,测试了薄膜的透光率、电阻性能。实验表明,薄膜的透光性能好,四种不同的CNT薄膜对于500~900nm波段不同波长的透光率皆大于70%。有良好的电导性,12层CNT薄膜的表面电阻率达7.98kΩ.cm,CNT薄膜的电阻随着层数的增加呈指数态下降。该传感器通过输出薄膜电阻变化研究了薄膜对拉伸和压缩位移的不同响应情况。结果显示,9层薄膜对位移呈现出较好的线性度(3.22%)、灵敏度(0.12684/mm)、重复性(3.06%)和较低的滞后性(2.16%)。研究了几种加载速率对薄膜压阻性能的影响,实验表明加载速率对薄膜的响应没有太大影响。研究了湿度和工程结构常所处温度对薄膜的影响,实验表明添加保护封装层对提高薄膜稳定性的重要性,要慎重的选择材质较好的保护层材料。综上,该薄膜具有良好的柔韧性,不难预计可用作交通桥梁等结构监测用柔性传感器。
【图文】：

结构示意图,石墨片,富勒,碳环

内外传感器研究者的偏爱，使得 CNT 近几年的研究、开发、应用取得飞跃式的发展。CNT 是富勒碳家族的一个重要成员，是晶型碳的另一种同素异性体，从石墨，金刚石到富勒碳，再到 CNT，晶型碳的结构日趋完美(从零维到三维)。CNT 根据层数的不同，可以分为两类：单壁 CNT（SWNT）和多壁 CNT（MWNT）。两种CNT 结构如图 1-2 所示[9]。从图中可以看出两种类型的结构相同点是：石墨片围绕中心轴蜷曲而成，每一个片层中都是 1 个 C 原子与周围 3 个 C 原子通过 C-C 键连接形成六边形平面而组成圆柱面结构。不同是：石墨片的层数不一样，且 SWNT圆柱侧面是六边形组成的碳环，两端是五边形碳环封顶，形成一个封闭的空间，结构具有较好的对称性和单一性。MWNT 是多层石墨片按一定的间距一层接一层围绕同一个中心轴圈绕而成。不同的结构意味着具有不同的性质，比如 SWNT 管径一般为 10~20nm，，长度可达数十微米，甚至长达 20cm[10]。MWNT 典型的直径和长度分别为 2~30nm 和 0.1~50um[11]。

示意图,层层自组装,技术,示意图

操作起来简单，不需要耗费过多的人力、财力，成本投入低，工厂的大规模生产。层自组装技术的优点：（1）对基体几何形状要求低。可以在形状复杂的沉积薄膜，可以降低基体表面形状对组装膜的特殊性能以及膜内部组织响；（2）投入成本低，可以实现大规模生产；不需要复杂的仪器设备，没有特殊要求，操作简单。（3）制备薄膜的速度快，环境污染少。把酸基体交替沉积到带有相反电荷的溶液中，根据需要设定沉积的时间，制。薄膜是在正负电荷的吸附下制备的，不需要复杂的化学反应，不需要试剂，而且是在水溶液中进行，对环境的污染相对较少；（4）制备工艺控性强。可以根据需要更换实验材料，通过控制溶液 PH、溶液浓度、沉电离程度、沉积层数等，使薄膜的厚度、特殊性质、内部结构等按照不进行调节。随着对纳米材料的深入研究，分散 CNT 的技术不断提高，在T 薄膜的众多方法中，层层自组装技术逐渐成为一个简单而实用的方法[43
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TP212

【参考文献】