基于導電結構構建的納米碳-硅橡膠復合材料壓阻特性研究.pdf

1、通過將導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電聚合物納米復合材料（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在實際應用中面臨的一個主要問題是其在手指敏感區(qū)間（<100kPa）內的壓阻敏感度（S）較差，而該壓敏區(qū)間對于輕微觸摸和

2、目標操縱非常重要。因此，如何改善CPNCs在0-100kPa敏感區(qū)間內的壓阻敏感度成為CPNCs面臨的關鍵難題。
　　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構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合較弱等難題，導致CPNCs存在壓

3、阻敏感度下降、成本高、柔性差和功耗大等缺點，最終嚴重阻礙了納米碳/硅橡膠納米復合材料壓阻敏感度的進一步提高和工業(yè)化應用。為解決以上難題，本文基于納米碳填料間的滲流理論、隧道效應和納米復合材料內形變誘導導電網(wǎng)絡重構的壓阻機理，采用非共價功能化技術來對納米碳填料進行結構構建，并通過調整導電填料在PDMS基體中的含量實現(xiàn)導電網(wǎng)絡結構構建，研究了納米碳/硅橡膠復合材料導電結構與壓阻特性之間的關系，并對相應壓阻機理進行了分析，具體內容如下：

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復合材料。具有核/殼結構的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合材料的電、機械和壓阻特性。當P-MWCNTs填充量稍微高于其滲流閾值（ψ

5、c=0.74vol.％）時，即納米復合材料在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，電導率σ=1.24×10-4S/m。
　　與其它壓阻材料相比，CPNCs在0-100kPa內的壓阻敏感度相對較低，這是制約其廣泛應用的一個主要缺點。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、結構（V-P-MWCNTs）的新型導電填料。導電填料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）。
　　聚合物基體中導電網(wǎng)絡結構和導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）就能同時調控，最終得到納米復合材料的壓阻敏感可調。由于不同的結構和空間分布，具有低成本性能的F-ARH/PDMS復合材料（ψ低至0.20vol.%）具有可調的壓阻敏感度（S從6.56×10-3到22.16×10-3kPa-1）。而具有低功耗性能的F-ARL/PDMS復合材料（σ低至3.12×10-3S/m）也具有可調的壓阻敏感度（S從8.0

8、9×10-3至69.76×10-3kPa-1）。
　　2D結構的導電填料通常對聚合物基體中導電網(wǎng)絡結構的重構起到重要作用。將PPMS功能化GNPs的導電填料（P-GNPs）填充到PDMS基體中以獲得P-GNPs/PDMS復合材料。具有三明治結構的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，并顯著提高納米復合材料的電、機械和壓阻特性。當P-GNPs填充量稍微高于其滲流閾值（ψc=2.96vol.%）時，即納米復