導(dǎo)電高分子復(fù)合材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)調(diào)控及其應(yīng)力響應(yīng)性能研究.pdf

1、導(dǎo)電高分子復(fù)合材料（Conductive polymer composites, CPCs)是由導(dǎo)電填料填充高分子材料基體復(fù)合制備而成。CPCs廣泛用于自控溫加熱材料、傳感器、電磁屏蔽、抗靜電材料等，引起了研究者的廣泛關(guān)注。CPCs在應(yīng)力、溫度、氣體、液體等外場(chǎng)的作用下，表現(xiàn)出豐富的響應(yīng)行為。其中，由于CPCs在拉伸應(yīng)力場(chǎng)中所表現(xiàn)出敏感的響應(yīng)行為，其在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置、可穿戴應(yīng)變傳感器、柔性電子皮膚等領(lǐng)域受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。
　　雖

2、然CPCs基應(yīng)力敏感材料擁有十分優(yōu)異的特性（如易加工、成本低等），但其性能仍有許多不足亟需解決，如CPCs在循環(huán)應(yīng)力場(chǎng)中出現(xiàn)的滯后效應(yīng)以及重復(fù)性差等，這極大的限制了 CPCs的應(yīng)用空間。因此構(gòu)建新型的高分子材料結(jié)構(gòu)對(duì)CPCs的性能進(jìn)行調(diào)控具有十分重要的意義。
　　在柔性應(yīng)變傳感器領(lǐng)域，CPCs的響應(yīng)性能，如靈敏度、重復(fù)性等性能的調(diào)控至關(guān)重要。研究顯示，裂紋式應(yīng)變傳感器具有較高的響應(yīng)性能，但響應(yīng)范圍有限；褶皺式應(yīng)變傳感材料響應(yīng)穩(wěn)定性

3、優(yōu)異，但靈敏度不高。本文設(shè)計(jì)了兼具裂紋-褶皺的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，基于兼具裂紋-褶皺的特殊結(jié)構(gòu)，制備了 GNPs/TPU/PDMS柔性力敏復(fù)合材料。這種新型的裂紋-褶皺結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行壓力拖曳產(chǎn)生。褶皺結(jié)構(gòu)在GNPs層中分布較均勻，裂紋在褶皺結(jié)構(gòu)上有所分布且與褶皺結(jié)構(gòu)取向方向相同。對(duì)應(yīng)變傳感器在拉伸作用下的電學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器的G F可達(dá)到150并在較大的應(yīng)變范圍（0％?20%)內(nèi)保持穩(wěn)定。通過(guò)材料的形貌分析，觀(guān)察到了復(fù)合材料受拉伸作用

4、時(shí)裂紋的變化，基于裂紋擴(kuò)展及回復(fù)機(jī)制探討了裂紋開(kāi)閉對(duì)復(fù)合材料力敏響應(yīng)性能的影響。該傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量小應(yīng)變(應(yīng)變<0.1%)，且響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間<90ms)，重復(fù)性能優(yōu)異（循環(huán)次數(shù)>20000)。同時(shí)，由于兼具裂紋和褶皺的特殊微觀(guān)結(jié)構(gòu)，該應(yīng)變傳感器能有效克服高分子復(fù)合材料的應(yīng)變響應(yīng)性能的滯后效應(yīng)，表現(xiàn)出良好的力敏響應(yīng)穩(wěn)定性。研究了材料在可穿戴電子方面應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該傳感器能夠監(jiān)測(cè)多種人體運(yùn)動(dòng)所造成的寬幅的應(yīng)變變化，如關(guān)節(jié)彎曲、脈搏跳動(dòng)、聲

5、帶振動(dòng)等等。這說(shuō)明該傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)、電子皮膚和人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　另一方面，我們分別將HDPE粉末、UHMWPE粉末和導(dǎo)電填料碳納米管CNTs在乙醇溶劑的輔助下進(jìn)行分散，后熱壓成型制備復(fù)合材料。并通過(guò)此過(guò)程使 CNTs選擇性分布在HDPE和UHMWPE基體的界面，得到了具有隔離結(jié)構(gòu)的CNTs/HDPE/UHMWPE和 CPCs。該制備方法綜合考慮了高分子形態(tài)控制和導(dǎo)電填料分布控制，顯著降低了 CPCs的

6、逾滲值（0.3wt.%)。導(dǎo)電填料的增加有效地提升了復(fù)合材料的電學(xué)和力學(xué)性能。詳細(xì)研究了隔離結(jié)構(gòu)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)及其演化對(duì)CNTs/HDPE/UHMWPE復(fù)合材料應(yīng)變-電阻行為的影響。在進(jìn)行循環(huán)拉伸測(cè)試時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，材料殘余應(yīng)變逐漸增加，而由于CNTs的一維特性影響，在拉伸的過(guò)程中一些CNTs沿拉伸方向重新取向，加之復(fù)合材料的粘彈性行為造成的滯后效應(yīng)的影響，CNTs在沿拉力方向上重新形成了更加完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合材料的響應(yīng)度峰值逐漸降低