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文檔簡介
1、通過將導(dǎo)電填料添加到絕緣聚合物基體中,就能得到具有壓阻特性的導(dǎo)電聚合物納米復(fù)合材料(CPNCs)。其具有柔性好、成本低廉、無毒性、耐久性高和易于加工成型等優(yōu)點。因為CPNCs在人工電子皮膚、人工智能系統(tǒng)和可穿戴醫(yī)療保健等各種柔性觸覺傳感器中具有廣闊應(yīng)用前景,所以該類型壓阻材料已經(jīng)成為熱門的研究課題。然而,傳統(tǒng)的CPNCs在實際應(yīng)用中面臨的一個主要問題是其在手指敏感區(qū)間(<100kPa)內(nèi)的壓阻敏感度(S)較差,而該壓敏區(qū)間對于輕微觸摸和
2、目標(biāo)操縱非常重要。因此,如何改善CPNCs在0-100kPa敏感區(qū)間內(nèi)的壓阻敏感度成為CPNCs面臨的關(guān)鍵難題。
研究表明,在聚二甲基硅氧烷(PDMS)這樣一種典型柔性硅橡膠基體中添加少量多壁碳納米管(MWCNTs)或石墨烯納米片(GNPs)等納米碳填料將使得CPNCs具有高壓阻敏感特性。然而,由于納米碳填料本身的結(jié)構(gòu)和物理特性使得其在溶劑中存在兼容性差、在PDMS基體中存在分散不均勻且界面結(jié)合較弱等難題,導(dǎo)致CPNCs存在壓
3、阻敏感度下降、成本高、柔性差和功耗大等缺點,最終嚴(yán)重阻礙了納米碳/硅橡膠納米復(fù)合材料壓阻敏感度的進(jìn)一步提高和工業(yè)化應(yīng)用。為解決以上難題,本文基于納米碳填料間的滲流理論、隧道效應(yīng)和納米復(fù)合材料內(nèi)形變誘導(dǎo)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的壓阻機理,采用非共價功能化技術(shù)來對納米碳填料進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)建,并通過調(diào)整導(dǎo)電填料在PDMS基體中的含量實現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建,研究了納米碳/硅橡膠復(fù)合材料導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與壓阻特性之間的關(guān)系,并對相應(yīng)壓阻機理進(jìn)行了分析,具體內(nèi)容如下:
4、> 高性能的壓阻材料具有高壓阻敏感、低楊氏模量和高電導(dǎo)率的特點。采用聚苯基甲基硅氧烷(PPMS)非共價功能化MWCNTs(P-MWCNTs),并按一定填充量添加到PDMS基體中以獲得具有高性能的P-MWCNTs/PDMS復(fù)合材料。具有核/殼結(jié)構(gòu)的P-MWCNTs在有機溶劑氯仿(CCl4)中表現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性,并且在PDMS基體中能均勻分散,其顯著改善了納米復(fù)合材料的電、機械和壓阻特性。當(dāng)P-MWCNTs填充量稍微高于其滲流閾值(ψ
5、c=0.74vol.%)時,即納米復(fù)合材料在ψ=0.75vol.%時具有高性能的特點,其壓阻敏感度S=8.09×10-3kPa-1(0-100kPa),楊氏模量E=489.50kPa,電導(dǎo)率σ=1.24×10-4S/m。
與其它壓阻材料相比,CPNCs在0-100kPa內(nèi)的壓阻敏感度相對較低,這是制約其廣泛應(yīng)用的一個主要缺點。通過乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(Vi-PDMS)非共價功能化纏繞在P-MWCNTs表面制備具有核-雙殼
6、結(jié)構(gòu)(V-P-MWCNTs)的新型導(dǎo)電填料。導(dǎo)電填料V-P-MWCNTs在PDMS基體中表現(xiàn)出均勻的分散性以及良好的界面相互作用。當(dāng)V-P-MWCNTs填充量稍微高于其滲流閾值(ψc=0.19vol.%)時,即V-P-MWCNTs/PDMS復(fù)合材料在ψ=0.20vol.%有高壓阻敏感度的特點,其壓阻敏感度S=22.16×10-3kPa-1(0-100kPa)。
聚合物基體中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電填料空間分布在決定CPNCs的壓阻特
7、性方面起到重要作用。以上兩個方面的問題通過不同長徑比功能化MWCNTs(如F-ARH或F-ARL)就能同時調(diào)控,最終得到納米復(fù)合材料的壓阻敏感可調(diào)。由于不同的結(jié)構(gòu)和空間分布,具有低成本性能的F-ARH/PDMS復(fù)合材料(ψ低至0.20vol.%)具有可調(diào)的壓阻敏感度(S從6.56×10-3到22.16×10-3kPa-1)。而具有低功耗性能的F-ARL/PDMS復(fù)合材料(σ低至3.12×10-3S/m)也具有可調(diào)的壓阻敏感度(S從8.0
8、9×10-3至69.76×10-3kPa-1)。
2D結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電填料通常對聚合物基體中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)起到重要作用。將PPMS功能化GNPs的導(dǎo)電填料(P-GNPs)填充到PDMS基體中以獲得P-GNPs/PDMS復(fù)合材料。具有三明治結(jié)構(gòu)的P-GNPs在PDMS基體中表現(xiàn)出均勻的分散性和優(yōu)異的界面相容性,并顯著提高納米復(fù)合材料的電、機械和壓阻特性。當(dāng)P-GNPs填充量稍微高于其滲流閾值(ψc=2.96vol.%)時,即納米復(fù)
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