基于PDMS自变形的柔性功能薄膜的研究

作     者：阎久伟 

作者单位：福建工程学院 

学位级别：硕士

导师姓名：郭巧杭

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：柔性电子器件 超疏水 辐射冷却 可拉伸导体 摩擦纳米发电机 

摘      要：柔性电子技术是基于学科高度交叉融合而产生的新兴学科,位列《Science》杂志列出的二十一世纪十大科技成果之一。因其独特的柔性/延展性以及高效、低成本等特点,突破了经典传统电子技术的局限,在驱动器、应变传感器、软体机器人、柔性显示和能量存储等领域均具有广阔的应用。本课题以PDMS为基底,在其表面利用磁控溅射法沉积铝(Al)膜,利用双层材料间的特性,探索其复合柔性多功能薄膜的特性,其中包含超疏水“玫瑰花效应表面、辐射冷却、可拉伸导体和摩擦纳米发电机,主要内容如下:采用预拉伸基底法制备了PDMS/Al双层薄膜。镀膜前对基底施加预应变增强复合膜系统的残余应力,释放后双层膜随预应变增大发生不同程度的卷曲,曲率半径改变。微观尺度上Al层受到弹性模量内可承受的压缩力产生折叠沟壑,沟壑密度随预拉伸比例的增大而增大,受到回弹约束,表面产生微裂纹。通过调控褶皱、折叠沟壑与微裂纹的分布情况,得到从疏水至超疏水同时具备“玫瑰花效应的表面形貌。同时,PDMS具有高波段的强光谱吸收率和Al层具有低波段的强光谱反射率,薄膜辐射冷却的能力也会受到表面形貌改变的影响。利用PDMS的柔性特征,和功能层优异的电导性能相结合,系统地研究了不同Al层厚度,不同预拉伸比例下可拉伸导体在弯曲、40℃反复红外加热、超过自身1200倍重量下负重时的电导能力稳定性,以及预拉伸比例对可拉伸导体工作范围的影响规律。利用PDMS和功能层电负性差异大的特点,并通过预拉伸改变表面形貌提高摩擦纳米发电机的表面电荷密度,将表面产生的形貌空间作为内部空间充电区,有效增强摩擦纳米发电机的输出性能。同时通过实验数据和有限元模拟验证摩擦层的厚度与输出性能具有非线性关系。