介质模量对柔性导电复合材料电阻-应变行为的影响及性能调控
发布时间：2021-01-05 01:36
柔性导电复合材料在力敏/压阻传感器、可拉伸电极、可伸缩电路等新型柔性电子领域具有广阔的应用前景和巨大的商用价值。其中,电阻-应变行为是评估柔性电子用导电复合材料性能及决定其用途的核心指标。通常,按电阻-应变响应行为可分为灵敏与非灵敏两种。当前,研究人员主要采用导电网络设计、复合材料结构设计等方法对电阻-应变响应性能进行调控,却鲜有研究关注导电介质的本征模量对其的影响;特别是在共形变时由于导电介质与柔性基体模量的差异,引起介质微观形貌变化、导电网络/结构不可逆的破坏等对电阻-应变行为的影响,这已成为制备高精度、高弹性柔性电子用导电复合材料的技术瓶颈。为此,本研究主要从高模量介质与基体的模量差异、低模量介质的应用及其与基体的界面作用力、低模量介质物相改变对电阻-应变行为的影响及其性能调控等方面展开研究。以高杨氏模量(E,1011 Pa)的金为导电介质,以三维（3D）多孔高弹性聚氨酯（PU,E,106 Pa）为骨架,采用原子溅射法,构筑了三维（3D）弹性导电网络结构的Au@PU。利用金膜与PU的模量差异（约为105 Pa）,采...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
线性粘弹性固体的微扰隧道模型
1.3.1 高模量导电介质导电介质是导电复合材料的必备组分之一，它的选择直接影响到最终复合材料的物理性能、机械力学、电性能等，尤其是电阻-应变特性[44–48]。常用的包括金属系和碳系导电介质，两者的杨氏模量范围都在 109Pa 以上，均属于高模量导电材料（如图 1-2 所示）。其中，金属介质包括银 (Ag)、 金(Au)、 铜(Cu)、 镍(Ni)等；碳系介质有石墨烯(GE)、碳纳米管(CNT)、炭黑(CB)等。根据导电填料的尺寸和形状，又可以分为，零维（0 D）材料、，一维（1D）材料、二维（2D）材料。由于纳米技术的发展与普及，纳米级的导电介质，尤其是一维结构介质，被广泛用于制备高性能的导电复合材料。这类介质最大的特点容易形成有效的导电网络、从而实现同等含量下复合材料具有较高的电导率。因此，广泛应用于柔性可伸缩电子材料领域，如力敏传感器、透明导电薄膜、形状记忆材料、脑机接口等[1,11,49,50]。1.3 高模量导电介质复合材料
图 1-3 柔性复合材料中介质的应变多裂纹、单裂纹裂纹建模分析示意图[58]Figure 1-3 Schematic of the multiple‐crack and single‐crack growth type of crack‐configuration modeling analysis上述模型表明，导电介质与弹性体的延伸刚度比，决定了介质的应变裂纹形态。当介质的刚度大大低于弹性基体刚度时，出现多裂纹扩展；相反，则出现单裂纹扩展类型。如图 1-4 所示[58]，当比值为分别为 0.03 和 0.07 时，分别在 10%，30%和 50%的应变下裂纹的形态为多裂纹扩展。当刚度比值为 0.35 时，分别在 10%，30 %和 50%的应变下裂纹的形态为单裂纹扩展。Batra 等人[47]揭示了应变拉伸下石墨烯薄片单面裂纹扩展与应变速率有关，而张等人则通过理论模型发现了石墨烯，在应力下的断裂机制。对于被广泛使用的金导电介质，金纳米线的应变拉伸断裂现象，也被 Spolenak 等人[59]证实。Michaux 等人[44]揭示了界面强度对应变裂纹的影响机制，界面作用越强产生裂纹所需的应变越大。此外，孟等人发现应变裂纹与导电介质的厚度越大延展性越差。
本文编号：2957758
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
线性粘弹性固体的微扰隧道模型
1.3.1 高模量导电介质导电介质是导电复合材料的必备组分之一，它的选择直接影响到最终复合材料的物理性能、机械力学、电性能等，尤其是电阻-应变特性[44–48]。常用的包括金属系和碳系导电介质，两者的杨氏模量范围都在 109Pa 以上，均属于高模量导电材料（如图 1-2 所示）。其中，金属介质包括银 (Ag)、 金(Au)、 铜(Cu)、 镍(Ni)等；碳系介质有石墨烯(GE)、碳纳米管(CNT)、炭黑(CB)等。根据导电填料的尺寸和形状，又可以分为，零维（0 D）材料、，一维（1D）材料、二维（2D）材料。由于纳米技术的发展与普及，纳米级的导电介质，尤其是一维结构介质，被广泛用于制备高性能的导电复合材料。这类介质最大的特点容易形成有效的导电网络、从而实现同等含量下复合材料具有较高的电导率。因此，广泛应用于柔性可伸缩电子材料领域，如力敏传感器、透明导电薄膜、形状记忆材料、脑机接口等[1,11,49,50]。1.3 高模量导电介质复合材料
图 1-3 柔性复合材料中介质的应变多裂纹、单裂纹裂纹建模分析示意图[58]Figure 1-3 Schematic of the multiple‐crack and single‐crack growth type of crack‐configuration modeling analysis上述模型表明，导电介质与弹性体的延伸刚度比，决定了介质的应变裂纹形态。当介质的刚度大大低于弹性基体刚度时，出现多裂纹扩展；相反，则出现单裂纹扩展类型。如图 1-4 所示[58]，当比值为分别为 0.03 和 0.07 时，分别在 10%，30%和 50%的应变下裂纹的形态为多裂纹扩展。当刚度比值为 0.35 时，分别在 10%，30 %和 50%的应变下裂纹的形态为单裂纹扩展。Batra 等人[47]揭示了应变拉伸下石墨烯薄片单面裂纹扩展与应变速率有关，而张等人则通过理论模型发现了石墨烯，在应力下的断裂机制。对于被广泛使用的金导电介质，金纳米线的应变拉伸断裂现象，也被 Spolenak 等人[59]证实。Michaux 等人[44]揭示了界面强度对应变裂纹的影响机制，界面作用越强产生裂纹所需的应变越大。此外，孟等人发现应变裂纹与导电介质的厚度越大延展性越差。
本文编号：2957758
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