金属橡皮导电渗滤的影响因素及机理研究

发布时间：2020-08-22 17:35

【摘要】：金属橡皮是将纳米金属球颗粒离散分布于高弹性聚合物基体内制成的柔性导电纳米复合材料,其表现出的兼具高弹性和高导电性的优异性能也使得该材料具有广泛的潜在应用,同时在开发柔弹性电子/光电子产品中起着不可或缺的作用。与传统导电相不同的是,纳米球颗粒更为显著的表面效应和量子力学效应使得少量的球状纳米导体可在绝缘基体中自主形成非接触、高效率的导电通路,同时复合材料也更大程度地保留了高弹性基体的优异特性。然而,对该类复合材料导电渗滤特性的研究目前仅限于实验技术上,由于球状导体显著不同于一维或二维纳米纤维,其构成的纳米复合材料的导电渗滤行为与其他复合材料也有很大的区别,但目前缺乏相应的报道对这种金属橡皮的导电渗滤行为进行更深入详细的探究和分析。因此,本文通过考虑纳观下量子隧穿效应和范德华力的作用,采用数值模拟和理论研究相结合的方法研究了金属橡皮的导电渗滤行为。首先,本文使用蒙特卡罗方法建立金属橡皮等效系统模型,结合纳米尺度电子接触模型以及导电回路理论模拟了复合材料的导电渗滤行为,探讨了导电渗滤的影响因素和物理机理。然后,在颗粒周围包覆一层反应量子隧穿效应的中间相,建立了“金属纳米颗粒+中间相”的等效力学模型,并推导出了纳米颗粒-聚合物复合材料的等效电导率公式,深入并完整的揭示了复合材料导电渗滤的整个过程。通过模拟和理论的计算,本文获得了如下结论:(1)金属橡皮的导电渗滤行为受量子隧穿效应和导电接触两种导电机理的控制。在隧穿效应起主导作用的阶段,金属橡皮的电导率主要有基体的隧穿能垒决定,而在导电接触起主导作用的阶段,其电导率则主要受纳米颗粒的电阻率控制。因此,复合材料显著的压阻效应实际上可以在隧穿效应起主导作用的阶段中得到实现。(2)金属橡皮的渗滤阈值和幂指数t与纳米颗粒和聚合物的电学性能无关,它们完全由纳米填充物的几何特征决定。(3)金属橡皮具有两阶段导电渗滤行为。其电导率的第一次突增主要是基体中相邻纳米颗粒间通过电子隧穿效应产生电子传输进而形成导电回路的结果,第二次跳跃则是导电回路中颗粒间的电子传输机理由电子隧穿效应转变为导电接触的结果。(4)量子隧穿效应对纳米颗粒尺寸非常敏感。当纳米颗粒半径超过195nm时,隧穿效应对复合材料渗滤过程的影响基本消失,并且两阶段渗滤行为将合并形成传统的一阶段渗滤行为。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

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子智能器件在现代新型高科技发展中占据的作用越来越大[1-12]。例如，如图1.1所示的柔性LED显示设备[13]、粘贴在生物组织表面的柔性传感器[4]、软储能装置[9,16]、柔性有机晶体管[21]。而这些柔弹性器件的开发必然对材料提出了更高的要求，即材料需要兼具优良导电性和优异的柔弹性性能。然而，由于传统的导体材料/弹性材料一般只具有单方面的优异性能，如纯金属材料虽具有较好的导电性，但其弹性性能较差，它们无法满足这些新型系统/器件对这一新型功能材料的要求。因此，实现这一新型功能材料的最大挑战是摆脱传统材料的限制（如金属材料的优良导电性低拉伸性，弹性材料的低导电性高弹性），实现导体材料的高导电性与柔性绝缘材料的高弹性的结合。为了达到这一目的，人们不断将导电纳米填充物嵌入在弹性聚合物基体中来制备兼具高导电性和柔弹性的新型功能材料即柔弹性导电纳米复合材料。尤其是把纳米金颗粒分布于高弹性绝缘聚合物内形成的金属橡皮薄膜[1](图1.2)，不仅表现出了类金属的导电性(电导率达到104S/cm)

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尤其是把纳米金颗粒分布于高弹性绝缘聚合物内形成的金属橡皮薄膜[1](图1.2)，不仅表现出了类金属的导电性(电导率达到104S/cm)，而且纳米尺度的第二相也使该材料继承了基体低密度、低刚度、高弹性的性能特征(拉伸应变达484%)。这一具有优异性能的新型纳米复合材料的产生也标志着柔弹性导电纳米复合材料的研究达到了一个新的阶层。此外，该材料的电导率比其他银纳米线/纳米管/

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个空的方格（图 2.1a），然后用点随机填充格子内的方格（图，在网格内存在空的正方形以及点群或团簇。物理学家经常将为方格上的“最近邻点”，而连接同一角落的点被称为“下一成一个团簇的是最近邻点的不间断连续连接。渗滤理论本质质，数量和大小的分析细目。它试图确定是否存在任何足够大长度或宽度（以及三维格子，高度）。最后随着填充点的增加界之间由点填充的格子构成了清晰的不间断路径（图 2.1c 红理论在本研究中则是表现为在三维单元体中随机嵌入大小均着颗粒数量增加，相邻颗粒不断电子连接最终在单元体中形成，我们把这一状态下的颗粒含量称为渗滤阈值，在此阈值下，滤曲线会出现一个跳跃（电导率数量级的增加）。子隧穿效应

【参考文献】