基于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)構(gòu)建的納米碳-硅橡膠復(fù)合材料壓阻特性研究.pdf

1、通過(guò)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(wú)毒性、耐久性高和易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)镃PNCs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(jué)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(shí)際應(yīng)用中面臨的一個(gè)主要問(wèn)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(duì)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(diǎn)，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(jī)理，采用非共價(jià)功能化技術(shù)來(lái)對(duì)納米碳填料進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)建，并通過(guò)調(diào)整導(dǎo)電填料在PDMS基體中的含量實(shí)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(duì)相應(yīng)壓阻機(jī)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(diǎn)。采用聚苯基甲基硅氧烷（PPMS）非共價(jià)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(jī)溶劑氯仿（CCl4）中表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)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(jī)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(shí)，即納米復(fù)合材料在ψ=0.75vol.%時(shí)具有高性能的特點(diǎn)，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(duì)較低，這是制約其廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要缺點(diǎn)。通過(guò)乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷（Vi-PDMS）非共價(jià)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(shí)，即V-P-MWCNTs/PDMS復(fù)合材料在ψ=0.20vol.%有高壓阻敏感度的特點(diǎn)，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(gè)方面的問(wèn)題通過(guò)不同長(zhǎng)徑比功能化MWCNTs（如F-ARH或F-ARL）就能同時(shí)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(duì)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(jī)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(shí)，即納米復(fù)