纳米材料与聚合物复合力敏弹性体的制备与性能研究

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柔性易弯曲导电材料可用于应力应变传感器制备因而被广泛关注,所以发现一款具有大压阻敏感性,高可重复性,低弛豫性,高耐用柔性易弯曲导电材料非常重要。通过比较不同碳系填料制得的导电橡胶的压阻特性,TEM和SEM照片,渗流曲线图以及对实验结果的分析,结果表明导电相的形貌对弹性体复合材料的压阻特性有很大影响。测量还表明一定质量分数的长、短碳纳米管混合后制得的复合硅橡胶具有更高的压阻重复性,其在高体积分数下的高压阻敏感性、高补强作用及高压阻重复性使得该材料能用于柔性力敏传感器。  采用一种新颖的、有效的技术设计合成由碳纳米管经辐射接枝制成的导电橡胶。应用拉曼光谱、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了接枝的碳纳米管化学结构和形态。碳纳米管经四甲基四乙烯基环四硅氧烷辐射改性后与聚甲基乙烯基硅氧烷(PVMS)混合硫化后,碳纳米管与基体聚合物交联,增强了导电橡胶的稳定性。然后测量电阻和纳米复合材料的变形响应,经多个抗压测试发现压电电阻可重复性增强。经组分优化的复合材料既扩大了压力敏感范围(0-1MPa)又增强了压电电阻可重复性。研究接枝纳米复合材料受到机械负荷的机电响应。发现在弹性形变范围内纳米复合材料表现出独特的电阻与压力行为,这一现象与普遍认可的导电复合材料电荷载体传输机制相一致。经力学性能检测,辐射接枝后的碳纳米管橡胶力学性能也有所增强。  使用MEMS相关技术制备硅腔阵列模具,采用硅腔模具热压印法制备具有周期性金字塔结构排列的热塑性聚氨酯(TPU)。具有周期性金字塔结构排列的热塑性聚氨酯的表面经直流磁控溅射覆盖上一层导电铟锡氧化物(ITO),导电ITO上由模转换法覆盖石墨烯层,沉积法覆盖上碳纳米管。为补偿ITO层断裂损失电导率而覆盖的石墨烯层和碳纳米管没有损失透明度,且经导电增强后的金字塔阵列压缩变形从10KPa到1MPa的电容变化显示高灵敏度。数值模拟采用ABAQUS有限限元法给出的局部变形和应力-应变与实验结果相一致。16×16数组连接到电路通过电容变化可知整个阵列上单个载荷分布,测量精度可达100μm2左右。
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