基于液态合金的复合薄膜和传感器制备及其性能表征

发布时间：2020-04-10 19:41

【摘要】：聚合物材料由于其良好的延展性被广泛应用于柔性电子中,但由于聚合物材料本身的电学性能不能满足要求,故常常会通过向聚合物材料中掺杂导电性材料以提升电学性能。镓铟合金作为一种高导电性,室温下即为流体的无毒合金,是一种理想的掺杂材料。本课题通过利用液态镓铟合金的独特的导电性和流动性,将液态镓铟合金应用到聚合物复合薄膜的制备以及应力传感上。本文通过将液态合金与三种不同的硅胶聚合物(Ecoflex,Vytaflex,PDMS)充分混合后加热固化,制备出具有独特机械和电学性能的复合薄膜。通过对复合薄膜中液态合金的截面金相进行观察,得到了不同液态合金含量以及不同聚合物基体内部的合金液滴分布情况。对不同复合薄膜的机械性能进行分析,得出液态合金的掺杂对聚合物基体的延展性无负面影响,且多数情况延展性会随着合金含量的增加而提升。提出了液态合金分布对复合薄膜机械性能影响的理论模型,得出复合材料的机械性能主要取决于液态合金的表面张力、平均粒径分布及体积分数。分析了复合薄膜的导电性能,发现不受应力时复合薄膜基本不导电,且导电特性与液态合金含量无关。复合薄膜在受到拉伸应变时的电阻变化规律与一般导体不同,部分薄膜会出现电阻下降或保持不变的现象;对垂直应力下的复合薄膜进行探究,得到了不同聚合物基体的复合薄膜对垂直应力的响应的不同响应。制备了复合薄膜作为介电层的平行板电容器,提出了有效介质理论,对平行板电容值与复合薄膜中液态合金含量的关系进行了理论分析与验证。发现在垂直应力作用下平行板电容器的电容值基本都会上升,同时在水平拉力作用下平行板的电容值保持不变。对平行板电容器中的复合薄膜受力情况进行有限元分析,并对模拟电容值与实际值进行了对比验证。设计并制备了能感应垂直应力与水平拉力的三维应力传感器结构,分别选用聚合物复合薄膜的电阻值响应作为垂直方向的传感核心,平行的液态合金的电容响应作为水平方向的传感核心。提出了传感器的不同应用情景下不同传感模块的选择,并给出了水平应力感应的理论模型。设计了提升传感器水平应力响应灵敏度的不同结构,并对不同结构下的理论电容变化进行了预测与分析。
【图文】：

镓铟合金的俄歇电子能谱

酸性溶液改变PDMS表面合金液滴形状过程图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TP212

【参考文献】

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1 曹桂华;;薄膜电容器损耗的频率特性[J];电子质量;2009年08期

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本文编号：2622635