基于PDMS微结构调控构筑的导电高分子复合材料及其应变敏感性能研究

来源 :郑州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dzluzd2009
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导电高分子复合材料(CPCs)是由导电填料和高分子基体复合制备而成,其结构和功能的多样性引起研究者的高度关注。功能化导电高分子复合材料在外场刺激下,能够表现出丰富的响应行为而被广泛应用。柔性可拉伸应变传感器作为CPCs的重要方面,在人体健康监测、病情诊断、柔性机器人等方面具有广泛的应用前景。本文通过对柔性CPCs表面结构的构筑和调控,制备了具有不同微观形貌的CPCs,探究了CPCs对应力外场的响应行为。具体研究内容和成果如下:  1、褶皱结构碳纳米管(CNTs)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)导电复合材料和“三明治”结构PDMS/CNTs/PDMS 导电复合材料的制备及性能研究。  通过对制备出双层膜结构的P DM S 薄膜进行拉伸和释放,制备出褶皱结构的柔性PDMS薄膜。再用喷涂法,制备出褶皱结构的CNTs/PDMS透明导电复合材料。对纯PDMS膜、酸化和喷涂CNTs的薄膜透明度进行研究,并对CNTs在褶皱表面的分布进行了分析。发现喷涂在PDMS薄膜上的CNTs分布均匀,无团聚现象且 CNTs/PDMS薄膜透明度高。探究了酸化后和未处理的PDMS 薄膜疏水性。酸化后的PDMS薄膜和未处理的PDMS薄膜相比断裂伸长率有一定的下降。CNTs/PDMS薄膜对应变有较高响应且循环拉伸后阻值能够回到初始值,但应变-电阻稳定性差。为提高 CNTs/PDMS 薄膜微结构及导电网络的稳定性,我们制备出“三明治”夹层结构的PDMS/CNTs/PDMS CPCs。探究了“三明治”结构导电薄膜喷涂次数与透明度及阻值间的关系。该导电薄膜透明度高且响应速率(265 ms)与无结构CNTs/PDMS薄膜(400ms)相比有大幅提升,与褶皱结构CNTs/PDMS薄膜(260 ms)相当。“三明治”结构导电薄膜在大应变下亦具有很好的响应,这与褶皱结构可提供拉伸空间来延缓拉伸作用对导电网络的破坏有很大关系。研究发现2000个加载-卸载循环后薄膜仍有很好的稳定性。即该结构设计显著提高了P DM S柔性应变复合材料的敏感稳定性。  2、裂缝结构的导电油墨(CI)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)导电复合材料的制备及应变敏感性研究。  通过酸氧化法制备出双层膜结构 P DM S 薄膜,经机械拉伸、喷涂导电油墨制备出具有裂缝结构的柔性可拉伸应变传感器。对不同酸化时间形成的裂缝的形态进行了详细表征,对裂缝的宽度进行了统计。探究了在拉伸和未拉伸状态下喷涂导电油墨的分布情况,并对两种工艺制备得到的试样的拉伸响应行为进行了对比。拉伸响应研究发现该复合膜具有非常高的灵敏度,响应时间只有 90 ms,且其应变响应范围能够到达100%以上。材料对不同应变有显著的响应,在10000次循环拉伸后,阻值仍可回到初始值,说明其具有优异的耐久性以及稳定性。对不同弯曲方向(内弯和外弯)可表现出相反的响应行为。基于此材料组装的应变传感器可对人体运动进行在线监测,比如关节的弯曲、声音、面部表情、脉搏等。并可通过对所采集的图形(如波形和振幅)进行分析,判断人体所做运动的类型和次数。这说明该材料具有应用在人体健康监测以及智能电子设备的潜力,这种材料的结构及性能调控方法为制备柔性可穿戴应变传感器提供了新思路。
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