PDMS基层状柔性应变敏感导电高分子复合材料的构筑与性能研究
发布时间：2021-09-25 00:40
柔性力敏材料能承受较大应变,并将应变转化为成易于探测的电信号,在可穿戴电子器件、人体运动健康检测、电子皮肤等领域具有重要的应用。针对目前聚合物基柔性力敏导电复合材料中存在填料用量高,导电性、拉伸性、灵敏性等难以兼容等问题,本课题以柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体,采用溶胀渗透、自然沉降与磁场辅助等策略,调控填料在基体表层分布,构筑了低填料用量的层状高柔性力敏导体,深入探究了材料的应变响应机制与传感性能,并应用于人体运动监测,具体如下:（1）首先,以高弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性基体,低维度的纳米CB（nCB）作为导电填料,采用溶胀渗透的方法形成了梯度填料分布的三明治层状柔性力敏材料。nCB通过扩散作用进入到己烷溶胀的PDMS的表面和内部,少数nCB扩散到PDMS的内部区域,而大多数nCB保留在表面层中,形成了梯度nCB分布形态。填料在表面层中富集,确保了良好的导电性,填料含量高的表层对应变比较敏感,有利于提高灵敏度。填料含量随深度增加而降低,总填料含量低,这有利于复合材料的拉伸性。PDMS/nCB柔性力敏材料在仅6.2 wt%CB负载下达到355%的工作应变和343的灵敏...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）鱼鳞状rGO应变传感器的感应机理；（b）传感单元的电阻模型[18]
湖北工业大学硕士学位论文4将式（5）和（6）式代入式（7）可知，电阻随应变的变化关系为111RCAexpR(1-8)其中A=A1+s。在此基础之上，Hu等[25]将相互接触或互相穿透CNTs分开，并设置分开的最短距离为0.47nm，以避免CNTs的连接，研究发现，CNTs之间仍然存在隧穿电阻。其隧穿效应导电网络示意图如图1.2所示。图1.2CNTs隧穿效应电网络示意图[25]。Figure1.2TheschematicdiagramofCNTstunnelingeffectelectricalnetwork[25].1.2.4跃迁效应在较大的应变下，导电团簇遭到破坏，并彼此分离，但其中较大的导电团簇仍然可通过填料之间电子的可变程跃迁（VRH）传递电流，复合材料仍然具有导电性。由Mott和Davis[10,11]从理论上建模得出。对于最简单的状态，电阻为Rb/rexpR0D(1-9)rD是填充物之间跃迁的特征距离，b是取决于激活能的材料特征距离。rD为1631p/drπAD(1-10)其中dA是填料的大小，而p取决于应变，由下式给出22exppp(1-11)
湖北工业大学硕士学位论文6图1.3（a）CNTs薄膜/PDMS复合材料从0%拉伸到60%的一系列光学图像（透射模式）；（b）中国剪纸模拟的裂纹从原始状态到应变状态的变化；（c）不同应变下间隙宽度；（d）传感单元的电阻模型[23]。Figure1.3(a)Aseriesofopticalimages(transmissionmode)ofCNTsfilm/PDMScompositestretchedfrom0%to60%;(b)thechangeofcrackssimulatedbyChinesepapercuttingfromtheoriginalstatetothestrainstate;(c)differentgapwidthunderstrain;(d)resistancemodelofsensingunit[23].1.3柔性力敏材料的结构结构是影响柔性力敏材料性能的重要条件，通过对柔性力敏材料结构的调控和设计，可以得到不同延展性和灵敏度的柔性力敏材料。最常见的就是逾渗导电网络结构，增加导电填料的含量，通过掺杂共混等工艺达到柔性力敏材料的逾渗阈值，从而得到稳定的导电网络。除此之外，还有层状结构的柔性力敏材料（包括单层导电填料功能层、三明治层状结构和层状壳鞘结构等）、二维的网状织物结构以及三维的气凝胶等。同时，也可以对导电填料的结构进一步进行定向设计，得到蛇形[26]、螺旋[27]、屈曲[28]、衍射双条纹阵列[29]、微棱镜阵列[30]等具有微结构的柔性力敏材料，以得到更优性能的柔性力敏材料。1.3.1逾渗导电网络结构逾渗导电网络结构即为导电填料在基体中均匀分散，当填料达到Pc，形成逾渗导电网络，此时复合材料的电阻显著降低。当施加应力时，逾渗网络结构发生
本文编号：3408747
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）鱼鳞状rGO应变传感器的感应机理；（b）传感单元的电阻模型[18]
湖北工业大学硕士学位论文4将式（5）和（6）式代入式（7）可知，电阻随应变的变化关系为111RCAexpR(1-8)其中A=A1+s。在此基础之上，Hu等[25]将相互接触或互相穿透CNTs分开，并设置分开的最短距离为0.47nm，以避免CNTs的连接，研究发现，CNTs之间仍然存在隧穿电阻。其隧穿效应导电网络示意图如图1.2所示。图1.2CNTs隧穿效应电网络示意图[25]。Figure1.2TheschematicdiagramofCNTstunnelingeffectelectricalnetwork[25].1.2.4跃迁效应在较大的应变下，导电团簇遭到破坏，并彼此分离，但其中较大的导电团簇仍然可通过填料之间电子的可变程跃迁（VRH）传递电流，复合材料仍然具有导电性。由Mott和Davis[10,11]从理论上建模得出。对于最简单的状态，电阻为Rb/rexpR0D(1-9)rD是填充物之间跃迁的特征距离，b是取决于激活能的材料特征距离。rD为1631p/drπAD(1-10)其中dA是填料的大小，而p取决于应变，由下式给出22exppp(1-11)
湖北工业大学硕士学位论文6图1.3（a）CNTs薄膜/PDMS复合材料从0%拉伸到60%的一系列光学图像（透射模式）；（b）中国剪纸模拟的裂纹从原始状态到应变状态的变化；（c）不同应变下间隙宽度；（d）传感单元的电阻模型[23]。Figure1.3(a)Aseriesofopticalimages(transmissionmode)ofCNTsfilm/PDMScompositestretchedfrom0%to60%;(b)thechangeofcrackssimulatedbyChinesepapercuttingfromtheoriginalstatetothestrainstate;(c)differentgapwidthunderstrain;(d)resistancemodelofsensingunit[23].1.3柔性力敏材料的结构结构是影响柔性力敏材料性能的重要条件，通过对柔性力敏材料结构的调控和设计，可以得到不同延展性和灵敏度的柔性力敏材料。最常见的就是逾渗导电网络结构，增加导电填料的含量，通过掺杂共混等工艺达到柔性力敏材料的逾渗阈值，从而得到稳定的导电网络。除此之外，还有层状结构的柔性力敏材料（包括单层导电填料功能层、三明治层状结构和层状壳鞘结构等）、二维的网状织物结构以及三维的气凝胶等。同时，也可以对导电填料的结构进一步进行定向设计，得到蛇形[26]、螺旋[27]、屈曲[28]、衍射双条纹阵列[29]、微棱镜阵列[30]等具有微结构的柔性力敏材料，以得到更优性能的柔性力敏材料。1.3.1逾渗导电网络结构逾渗导电网络结构即为导电填料在基体中均匀分散，当填料达到Pc，形成逾渗导电网络，此时复合材料的电阻显著降低。当施加应力时，逾渗网络结构发生
本文编号：3408747
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