等离子体协同改性碳纳米管的TPU基导电复合材料应变特性研究

作     者：雷晨 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨国清;湛涛

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：柔性传感 等离子体改性 碳纳米管表面改性 应变性能 

摘      要：导电高分子复合材料具有优异的柔韧性和可加工性,目前已广泛应用于柔性传感监测、电磁屏蔽等领域。但在实际的应用中依然存在应变范围窄和灵敏度低的问题。针对上述问题,本文基于等离子体表面改性技术,制备了碳纳米管(CNTs)和石墨共填充的TPU基导电高分子复合材料,研究了它们在拉伸、弯折应变下和对温度的敏感响应行为,分析了改性方式、填料种类和含量对复合材料电学、力学和响应性能的影响。 采用介质阻挡放电等离子体改性技术对CNTs进行表面处理。通过XPS、FTIR和SEM对改性前后的CNTs进行观测,分析了等离子体不同处理时间对CNTs的改性结果和作用机理。结果表明,CNTs表面氧元素含量与未处理相比最大增加了 12.98%,提高了 CNTs在溶剂中的分散性。 采用溶液共混法将石墨和CNTs填充到TPU基体中,通过对复合材料的体积电阻率、断裂伸长率进行测试,研究了双填料在TPU基体中的填充特性,进一步分析了填料种类和含量对复合材料电学、力学性能的影响。研究表明,改性后复合材料断裂伸长率高于单一石墨填充和未改性的复合材料,体积电阻率相比单一石墨填充降低了 2个数量级。水接触角测试结果显示,改性后的复合材料疏水角提高了 58.4%,疏水性增强。 对复合材料分别进行0～160%的拉伸应变、0～180°弯折应变和30℃～80℃的温度敏感测试,研究了复合材料的应变响应特性,分析了表面改性和双填料填充对复合材料的影响机理。测试分析得到,改性后的复合材料在120%～160%大应变下灵敏度最高为15.975,响应线性度可达0.9939。在120°弯折应变下,灵敏度最大为341.1。并且在30℃～80℃温度范围内,电阻变化量小于0.105,对温度不敏感。 本文研究表明,等离子体协同改性以及碳纳米管和石墨的双填料填充提高了复合材料的导电性能和拉伸断裂极限,在线性拉伸和弯折应变下具有较高的灵敏度和较快的响应速度,并具有较宽的温度工作范围。TPU/CNTs/石墨导电复合材料在柔性应变传感方面具有较好的应用前景。