導電高分子復合材料微觀結構調控及其應力響應性能研究.pdf

1、導電高分子復合材料（Conductive polymer composites, CPCs)是由導電填料填充高分子材料基體復合制備而成。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注。CPCs在應力、溫度、氣體、液體等外場的作用下，表現(xiàn)出豐富的響應行為。其中，由于CPCs在拉伸應力場中所表現(xiàn)出敏感的響應行為，其在運動檢測裝置、可穿戴應變傳感器、柔性電子皮膚等領域受到越來越廣泛的關注。
　　雖

2、然CPCs基應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)應力場中出現(xiàn)的滯后效應以及重復性差等，這極大的限制了 CPCs的應用空間。因此構建新型的高分子材料結構對CPCs的性能進行調控具有十分重要的意義。
　　在柔性應變傳感器領域，CPCs的響應性能，如靈敏度、重復性等性能的調控至關重要。研究顯示，裂紋式應變傳感器具有較高的響應性能，但響應范圍有限；褶皺式應變傳感材料響應穩(wěn)定性

3、優(yōu)異，但靈敏度不高。本文設計了兼具裂紋-褶皺的微觀結構，基于兼具裂紋-褶皺的特殊結構，制備了 GNPs/TPU/PDMS柔性力敏復合材料。這種新型的裂紋-褶皺結構通過對材料進行壓力拖曳產(chǎn)生。褶皺結構在GNPs層中分布較均勻，裂紋在褶皺結構上有所分布且與褶皺結構取向方向相同。對應變傳感器在拉伸作用下的電學性能的研究發(fā)現(xiàn)，該傳感器的G F可達到150并在較大的應變范圍（0％?20%)內保持穩(wěn)定。通過材料的形貌分析，觀察到了復合材料受拉伸作用

4、時裂紋的變化，基于裂紋擴展及回復機制探討了裂紋開閉對復合材料力敏響應性能的影響。該傳感器能準確測量小應變(應變<0.1%)，且響應速度快（響應時間<90ms)，重復性能優(yōu)異（循環(huán)次數(shù)>20000)。同時，由于兼具裂紋和褶皺的特殊微觀結構，該應變傳感器能有效克服高分子復合材料的應變響應性能的滯后效應，表現(xiàn)出良好的力敏響應穩(wěn)定性。研究了材料在可穿戴電子方面應用，發(fā)現(xiàn)該傳感器能夠監(jiān)測多種人體運動所造成的寬幅的應變變化，如關節(jié)彎曲、脈搏跳動、聲

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

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