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镍/聚氨酯复合材料的导电网络在拉伸中的演变

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高分子学报 2020年第5期51卷 559-568页

作者：田可邓华傅强四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室成都610065

一种独特的电性能形变敏感行为-镍/聚氨酯复合材料的电阻率在20%拉伸应变下呈现近6个数量级的降低,导致该行为的填料网络演变机理仍不清晰.针对该现象,本文通过交流阻抗分析考察了2种具有不同拉伸敏感特性的镍/聚氨酯复合材料体系在不... 详细信息

一种独特的电性能形变敏感行为-镍/聚氨酯复合材料的电阻率在20%拉伸应变下呈现近6个数量级的降低,导致该行为的填料网络演变机理仍不清晰.针对该现象,本文通过交流阻抗分析考察了2种具有不同拉伸敏感特性的镍/聚氨酯复合材料体系在不同应变下各种微观参数对频率的依赖性.采用尼奎斯特曲线拟合得到的数据及参数计算了团聚体电阻、团聚体之间电阻在拉伸下的变化,以此推测了2种复合材料体系在拉伸时导电网络不同的变化模式.结果表明,对于27.5 vol%填料含量的复合材料,在拉伸时由于团聚体维度发生变化使得逾渗在拉伸下发生,即拉伸逾渗现象.而25 vol%填料含量的复合材料由于填料含量远低于逾渗区域,即使团聚体维度发生变化也没有连续的导电网络产生.本工作为导电高分子复合材料在拉伸时导电网络的变化提供了新的理解,并为拉伸敏感导电高分子复合材料的网络研究提供新的思路.

关键词：导电网络阻抗分析团聚体电阻团聚体之间电阻拉伸逾渗

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基于银纳米线导电网络的电子纺织品

化学进展 2017年第8期29卷 892-901页

作者：丁晨赵兵祁宁苏州大学纺织与服装工程学院现代丝绸国家工程实验室苏州215000

随着现代电子产品向微型化、集成化和柔性化的方向发展,以及人们对功能性、智能化和可穿戴纺织品需求的不断提高,电子纺织品(E-textiles)成为研究热点。银纳米线(AgNWs)具有高比表面积、导热、导电、透光、延展性、机械强度和柔性等优... 详细信息

随着现代电子产品向微型化、集成化和柔性化的方向发展,以及人们对功能性、智能化和可穿戴纺织品需求的不断提高,电子纺织品(E-textiles)成为研究热点。银纳米线(AgNWs)具有高比表面积、导热、导电、透光、延展性、机械强度和柔性等优异性能,将AgNWs与纺织品结合具有制备步骤简单、易于集成、基本不影响织物的穿着舒适性、耐用性好、成本低、获得抗菌和防紫外功能等优势,是制备E-textiles的理想方法之一。本文首先介绍了共混法和后整理法这两种AgNWs导电纺织品的制备方法,然后介绍了近年来AgNWs在保暖纺织品、电热纺织品、柔性电子传感器、超弹性导电复合纤维、自供能纺织品等领域的研究进展。最后指出AgNWs在E-textiles领域存在的不足和未来的研究方向,以期为E-textiles的研究提供参考和借鉴。

关键词：电子纺织品导电网络银纳米线可穿戴柔性

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硅橡胶导电网络的研究进展

有机硅材料 2024年第1期38卷 55-65页

作者：韩继源周传健龙腾山东大学机电与信息工程学院山东威海264209 山东大学材料科学与工程学院济南250061

导电硅橡胶作为导电高分子材料的一个重要分支,其不仅保留了硅橡胶独特的易加工、高回弹性、高耐候性等特性,还可以通过加入导电材料使其自身获得所需的导电性能。本文介绍了导电硅橡胶的分类、导电机理以及导电网络的制备工艺和填料(... 详细信息

导电硅橡胶作为导电高分子材料的一个重要分支,其不仅保留了硅橡胶独特的易加工、高回弹性、高耐候性等特性,还可以通过加入导电材料使其自身获得所需的导电性能。本文介绍了导电硅橡胶的分类、导电机理以及导电网络的制备工艺和填料(金属系填料、碳系填料)构筑体系,综述了硅橡胶导电网络构筑的研究进展。

关键词：导电硅橡胶导电网络金属系填料碳系填料

分子动力学模拟研究填料尺寸和形状对聚合物纳米复合材料导电网络的影响

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分子动力学模拟研究填料尺寸和形状对聚合物纳米复合材料导电网络...

作者：聂韵北京化工大学

学位级别：硕士

聚合物纳米复合材料（PNCs）在材料领域具有十分重要的地位,它不仅具有传统聚合物材料的力学性能,还通过构建纳米填料导电网络获得了优异的电学性能。纳米颗粒在复合材料中的分散和聚集状态直接影响导电网络的形成,并最终影响其导电性... 详细信息

聚合物纳米复合材料（PNCs）在材料领域具有十分重要的地位,它不仅具有传统聚合物材料的力学性能,还通过构建纳米填料导电网络获得了优异的电学性能。纳米颗粒在复合材料中的分散和聚集状态直接影响导电网络的形成,并最终影响其导电性能。但是,利用传统高分子表征手段难以直接从分子角度聚合物纳米复合材料的微观结构并快速建立其结构与导电性能的关系。因此,本课题采用分子动力学模拟研究了填料尺寸与形状对聚合物纳米复合材料导电网络形成及导电性能的影响,主要研究内容如下:（1）纳米填料尺寸对聚合物纳米复合材料导电网络的影响模拟研究经常忽略实验中填料（NPs）的尺寸是多分散的,论文通过在聚合物基体中加入不同尺寸的球形纳米粒子（NPs）,研究了填料的尺寸、填料的体积分数、填料的多分散性以及剪切场对复合材料导电网络的影响。在静止状态下,相比于小球形纳米粒子,大球形纳米粒子不利于导电网络的形成,随着大纳米粒子体积占总填料体积的比例从0增大到1,逾渗阈值从5.04%增大到27.27%;为了更好的解释这个现象,我们利用与逾渗阈值变化相一致的填料分散状态、最大团簇大小和团簇数目来表征导电网络;固定纳米填料的体积分数,大、小纳米粒子之间表现出微弱的拮抗作用,单分散体系的逾渗阈值低于多分散体系;剪切场有助于填料发生一定程度的聚集,形成直接接触的导电网络结构,提高复合材料的导电性能;剪切速率从0增大到0.5时,混合填料α=0.75体系的逾渗阈值从13.0%降低到 1 1.3%。（2）纳米填料形状对聚合物纳米复合材料导电网络的影响通过将导电纳米填料（杆状填料和片状填料）以一定比例分散在聚合物基体中,构建导电网络,研究了填料的体积分数、形状以及剪切场对复合材料导电性能的影响。在混合填料填充的PNCs体系中,相比于片状填料,杆状填料更有利于导电网络的形成;随着杆状填料体积占总填料体积的比例从0增大到1,复合材料的导电逾渗阈值从6.45%降低到4.06%;通过计算填料周围分布概率和最大团簇尺寸等导电网络结构参数,我们发现,杆状填料对导电网络的形成贡献更大;在剪切场中,杆状填料和片状填料都发生取向,导电网络被破坏,复合材料的导电性能降低;剪切场对杆状填料形成的导电网络破坏较为严重,而对片状填料形成的导电网络影响较小;当剪切速率从0增大到0.5时,混合填料构成的导电网络的导通率先下降,随后趋于平稳;特别地,杆状填料和片状填料在静止状态下没有出现协同作用,而在剪切场中,两种填料出现微弱的协同作用。

关键词：聚合物纳米复合材料导电网络分子动力学模拟剪切场

填料功能化对弹性体复合材料导电网络形成影响的分子动力学模拟研究

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填料功能化对弹性体复合材料导电网络形成影响的分子动力学模拟研...

作者：李畑畑北京化工大学

学位级别：硕士

弹性体基纳米复合材料导电能力的改善,有助于拓宽其应用范围。而导电填料(纳米颗粒和纳米杆)功能化改性是一种可有效改善其与弹性体基体相容性的方法,这将有利于复合体系中导电网络的形成。本课题运用粗粒度分子动力学模拟,分别建立了... 详细信息

弹性体基纳米复合材料导电能力的改善,有助于拓宽其应用范围。而导电填料(纳米颗粒和纳米杆)功能化改性是一种可有效改善其与弹性体基体相容性的方法,这将有利于复合体系中导电网络的形成。本课题运用粗粒度分子动力学模拟,分别建立了功能化纳米颗粒(NP)和功能化纳米杆(NR)填充体系,主要研究填料功能化对静态以及动态(剪切场)下导电网络形成的影响,具体工作如下:(1)纳米颗粒NP功能化对纳米复合材料导电网络形成的影响建立各功能化NPs填充体系,并对NPs分散状态、体系导电概率以及导电网络形成情况进行表征。可以发现,随着NP功能化程度α的增加,NPs由最初的接触聚集逐渐向均匀分散以及桥接聚集结构发生转变。相对应的渗滤阈值φc降低,导电网络的主团簇尺寸Cn增大,这说明NPs的桥接聚集结构能够形成连续有效的导电网络。此外,各功能化剪切体系(α≥0.2)中填料NPs分散状态不同,但连接方式和导电概率均相近,所以导电网络不仅与填料分散状态有关,还受填料连接方式的影响。(2)纳米杆NR功能化对纳米复合材料导电网络形成的影响通过改变NR功能化程度λ以及εPA(聚合物珠子与A类功能化NR珠子间相互作用强度)来确定导电性能最佳的体系。随着λ的增加,NRs直接聚集和局部取向结构被破坏,φc与λ之间呈反N型变化。而随着εpA的增大,φc先降后升,故λ=0.1且εpA=3.0的体系中导电能力最强。此外,由于剪切场改变了 NRs的分散状态并使其高度取向,所以剪切前后的φc发生了很大变化。特别地,即使NRs分散状态不同,φc仍相近且不受λ的影响,即导电网络与NRs分散状态不完全相关。

关键词：填料功能化导电网络剪切场分子动力学模拟

PDMS交联网络中碳纳米管连接增强的导电网络构建

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PDMS交联网络中碳纳米管连接增强的导电网络构建

作者：董鸣西南大学

学位级别：硕士

传统意义上,导电橡胶复合材料的交联网络会阻碍导电填料在其内部的均匀分散,甚至还会导致相分离。在交联网络中构建导电填料能稳定分散的导电网络结构是解决此共性科学问题的关键。本研究基于纳米1维填料在交联网络中的连接概率计算,建... 详细信息

传统意义上,导电橡胶复合材料的交联网络会阻碍导电填料在其内部的均匀分散,甚至还会导致相分离。在交联网络中构建导电填料能稳定分散的导电网络结构是解决此共性科学问题的关键。本研究基于纳米1维填料在交联网络中的连接概率计算,建立了可增强导电填料连接性的交联/导电双网络理论模型。在该模型中,导电网络是在交联网络的内部构建的。此交联网络可以将1维纳米填料的连接点固定在特定大小的交联网格中,以促进1维的导电填料的相互连接,并进一步形成高逾渗指数的导电网络。双网络模型中,当填料的尺寸和交联密度达到一定范围时,逾渗阈值会大于100%。这预示着在该范围,交联网络内部不能构建交联网络。这一结果与常规交联网络会限制导电网络构建的实验结果相符。同时,该模型显示,当相邻交联点之间的平均长度大于交联高分子的链段长度时,体系的导电性将与线性高分子导电复合体系一致。通过以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为交联高分子基体,碳纳米管(CNT)为导电填料的实验验证,PDMS/CNT纳米复合材料的逾渗阈值随着PDMS交联密度的变化而变化。其规律在一定交联密度和CNT尺寸范围内,与理论预测的趋势高度匹配。在交联密度为182 mol/m时,复合材料的逾渗阈值达到最低(0.03 vol%),这个值也是目前所报道的文献中PDMS/CNT纳米复合材料逾渗阈值的最低值。而当交联密度小于一定值时,PDMS/CNT复合材料的逾渗阈值将基要保持不变,这与双网络模型的结论相符。通过对PDMS/CNT纳米复合材料的热稳定性和力学稳定性的表征,发现PDMS/CNT具有很高的热稳定性,并且在20次的往复拉伸中,力学性能没有下降。通过调节碳纳米管的型号发现,一维纳米填料碳纳米管的尺寸以其表面的化学结构对这种促进导电网络连接形成的双网络有很大影响。通过对几种不同尺寸和不同表面缺陷程度的碳纳米管与PDMS复合制备的PDMS/CNT复合材料导电性能的比较发现,直径较大的TNSM3碳纳米管的PDMS/TNSM3无法构建均匀导电网络。只有当一维纳米填料的直径在几个纳米的范围内时,这种交联网络与导电网络的双网络模型才能构建。这与双网络结构中,大直径1维填料逾渗阈值易超过100%相符。通过表面缺陷程度的对比发现,TNSM2型碳纳米管表面的大量缺陷也会影响双网络模型的构建。通过循环伏安法的测试证实,缺陷较多的TNSM2与PDMS基体会发生电化学反应。这会影响PDMS交联网络的化学结构,从而影响碳纳米管导电网络的形成。综上所述,交联/导电双网络模型符合导电橡胶复合材料的实验结果,并能有效地降低交联复合材料逾渗阈值。而在证明交联网络在特定条件上能促进导电网络形成的同时,本研究也表明在PDMS交联体系中构建CNT导电网络的条件很严格。它需要CNT的直径尽量小于10 nm且表面缺陷较少。因此,本工作为交联网络中构建导电网络提供了新思路,也为降低交联体系逾渗阈值提供了新方法。

关键词：导电网络交联网络橡胶聚二甲基硅氧烷碳纳米管

TPU/PMVS共混体系导电网络调控及结构性能研究

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TPU/PMVS共混体系导电网络调控及结构性能研究

作者：宋晨晓北京化工大学

学位级别：硕士

目前,导电高分子复合材料的研究重点是制备兼具高导电性能和低填料用量的材料。前人研究发现设计导电填料填充不相容聚合物共混物体系的双逾渗导电网络结构能够降低填料用量同时提高导电性能。这种双逾渗导电网络多应用于塑料领域,而在... 详细信息

目前,导电高分子复合材料的研究重点是制备兼具高导电性能和低填料用量的材料。前人研究发现设计导电填料填充不相容聚合物共混物体系的双逾渗导电网络结构能够降低填料用量同时提高导电性能。这种双逾渗导电网络多应用于塑料领域,而在弹性体中的应用极少。本课题主要采用甲基乙烯基硅橡胶（PMVS）和聚氨酯弹性体（TPU）两种极性相差较大的弹性体共混物作为基体,以石墨烯（G）、炭黑（CB）为填料制备了导电填料填充聚合物共混物体系的导电复合材料,将双逾渗理论应用于弹性体领域,在提高导电性能的同时降低了渗流阈值。首先,本论文分别设计了三个关键比例TPU:PMVS=30:70、TPU:PMVS=50:50、TPU:PMVS=70:30的共混物基体研究导电复合材料中TPU/PMVS共混物的相形态结构对G/TPU/PMVS复合材料导电性能产生的影响。结果表明,相同石墨烯用量下,TPU:PMVS=50:50时形成双连续相结构而TPU:PMVS=30:70和TPU:PMVS=70:30时形成海-岛结构;TPU:PMVS=50:50时,复合材料的导电率要高于TPU:PMVS=30:70和TPU:PMVS=70:30时的导电率,证明共混物基体的相形态结构是影响复合材料导电率的因素之一。此外,通过理论预测与实验验证,证明石墨烯选择性地分散在TPU相。进一步制备了单组分TPU作为基体的G/TPU复合材料,单组分PMVS作为基体的G/PMVS复合材料以及共混物作为基体的G/TPU/PMVS（TPU:PMVS=50:50）复合材料,研究了 G的用量对三类复合材料的导电性能和机械性能的影响。实验结果表明,相同导电填料用量下,G/TPU/PMVS（TPU:PMVS=50:50）复合材料的导电率要高于G/TPU复合材料和G/PMVS复合材料的导电率;弹性性能介于G/TPU复合材料和G/PMVS复合材料之间;而力学性能比G/TPU复合材料和G/PMVS复合材料稍差。当固定共混物基体比例为TPU:PMVS=50:50时,分别制备了G/TPU/PMVS 复合材料、CB/TPU/PMVS 复合材料以及 G/CB/TPU/PMVS复合材料,研究了导电填料用量对复合材料导电率的影响。结果发现,对于添加同一种填料的复合材料,填料用量越多导电率越高,并且填料用量达到一定临界值时导电率上升的速率趋于平稳。当导电填料为石墨烯时,G/TPU/PMVS复合材料的渗流阈值为1.25 wt%,此时,复合材料的导电率上升了 6个数量级,表明导电网络已形成。当导电填料为炭黑时,CB/TPU/PMVS复合材料的渗流阈值为2.23 wt%,此时,复合材料的导电率上升了 5个数量级,表明导电网络已形成。最后,当炭黑和石墨烯并用时,固定石墨烯和炭黑比例为1:1时,复合材料的渗流阈值为1.72 wt%。这表明采用石墨烯和炭黑并用,复合材料的导电性能优于同等炭黑用量的复合材料。

关键词：导电高分子复合材料导电网络相形态结构渗流阈值

导电高分子复合材料的导电网络结构调控及外场响应性能研究

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导电高分子复合材料的导电网络结构调控及外场响应性能研究

作者：李国杰郑州大学

学位级别：硕士

导电高分子复合材料（CPCs）是由导电填料（如炭黑、碳纳米管、石墨烯和金属粒子等）和高分子基体复合制备而成,近年来其结构及性能研究受到了学术界和工业界的广泛关注。CPCs不仅具有优异的电学性能和可加工性,而且作为一种功能性高分... 详细信息

导电高分子复合材料（CPCs）是由导电填料（如炭黑、碳纳米管、石墨烯和金属粒子等）和高分子基体复合制备而成,近年来其结构及性能研究受到了学术界和工业界的广泛关注。CPCs不仅具有优异的电学性能和可加工性,而且作为一种功能性高分子材料,其对应力、应变、气体、温度和湿度等外界刺激表现出丰富的响应行为。这些特性不仅为探索CPCs的微观结构演变提供了研究素材,还为其在敏感器件领域的应用提供了理论基础。本文中,我们通过对CPCs中导电网络的设计和调控,制备了具有不同微观结构的CPCs,探索了CPCs对外场刺激的响应行为,分析了CPCs结构调控与性能的关系。具体如下:1、还原氧化石墨烯（RGO）/热塑性聚氨酯（TPU）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）导电复合材料制备及其性能研究1)本文首先通过静电纺丝技术制备了具有取向结构的TPU纤维膜,随后利用超声法制备出RGO/TPU取向和非取向导电纤维网络,之后分别基于这两种导电纤维网络制备了具有“三明治”结构的RGO/TPU/PDMS导电复合材料。2)研究了基于取向纤维和非取向纤维导电网络制备的复合材料的应力-应变和应变-电阻响应行为。前者呈现出高的力学强度和响应强度,这主要是导电网络中取向纤维结点的存在和RGO在纤维上呈现出“鱼鳞片”状的结构,使得它们在动态拉伸过程中导电网络结构呈现不同的演化过程造成的。3)基于取向纤维导电网络制备出的RGO/TPU/PDMS导电复合材料具有非常大的应变范围（150%应变）、极高的灵敏度（高达593）、良好的耐用性（＞500次）、快的响应时间（＜160 ms）以及良好的耐湿度和耐高温等特点,满足了其作为柔性可穿戴应变传感器的应用需求。4)将该柔性复合材料固定在人体的不同部位,通过电信号的响应监测了人体的运动规律,展现出该材料在柔性可穿戴电子设备和智能机器等领域广泛的应用前景。2、碳纳米管（CNTs）/TPU/PDMS导电复合材料制备及其应变敏感性能的研究1)我们首先通过静电纺丝技术和超声方法制备出CNTs/TPU取向导电纤维网络,随后通过浇筑成型法制备了CNTs/TPU/PDMS导电复合材料。2)为了探索导电复合材料在拉伸过程中内部导电网络的演变过程,我们研究了CNTs/TPU/PDMS导电复合材料在不同应变和不同速率下的相对电阻变化行为。结果复合材料内部导电网络的破坏与重组的竞争使材料的响应行为出现了肩峰现象;大应变促使材料表现出大的响应度;大的拉伸速率也使材料表现出更高的响应度,这归因于在循环拉伸过程中复合材料要经受更大的应力,引起导电网络的更大破坏。3)该材料可用于人体运动的在线监测,本材料的结构及性能调控方法为制备柔性可穿戴应变传感器提供了新思路。3、CNTs/聚丙烯（PP）导电复合材料制备及其温度敏感性能的研究1)本文通过溶解破碎法和直接粉碎法制备了不同粒径的PP粒子,然后采用机械研磨-热压成型法制备了具有隔离导电网络结构的CNTs/PP复合材料,大大降低了复合材料的导电逾渗值。2)通过使用不同粒径的PP颗粒,调控了材料隔离结构的导电网络,制备出了具有可调控正温度系数（PTC）特性的CPCs,实现了PTC强度从102到106的转变。随着PP粒子粒径的增加,复合材料的逾渗值降低,呈现出负相关性。此外,本文还制备出超高PTC强度的CNTs/PP复合材料。3)这种可调控PTC效应的导电高分子复合材料对制备可调控的温度传感器提供了新思路。

关键词：导电高分子复合材料导电网络隔离结构应变敏感行为温度敏感行为取向纤维超声

Ti_(3)C_(2)T_(x)杂化物:基于导电网络调控的高效电磁屏蔽材料和器件

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黑龙江大学自然科学学报 2021年第4期38卷 421-432页

作者：方永盛曹茂盛北京理工大学材料学院北京100081

二碳化三钛(Ti_(3)C_(2)T_(x))是新型二维(2D)过渡金属碳/氮化物(MXenes)家族的重要成员。Ti_(3)C_(2)T_(x)具有优良的电导率、可裁剪的原子层以及可修饰的活性表面,已经在电磁干扰屏蔽领域引起广泛关注。本文介绍了导电网络调控对改善T... 详细信息

二碳化三钛(Ti_(3)C_(2)T_(x))是新型二维(2D)过渡金属碳/氮化物(MXenes)家族的重要成员。Ti_(3)C_(2)T_(x)具有优良的电导率、可裁剪的原子层以及可修饰的活性表面,已经在电磁干扰屏蔽领域引起广泛关注。本文介绍了导电网络调控对改善Ti_(3)C_(2)T_(x)基材料在电磁干扰屏蔽方面的重要作用,总结了典型Ti_(3)C_(2)T_(x)基杂化物的电磁干扰屏蔽性能,并系统介绍了其在多功能电磁屏蔽材料与器件的应用。最后,客观描述了Ti_(3)C_(2)T_(x)基杂化物在电磁干扰屏蔽领域的发展现状,展望了Ti_(3)C_(2)T_(x)基杂化物作为先进电磁干扰屏蔽材料的应用前景。

关键词： Ti_(3)C_(2)T_(x) MXenes 杂化物导电网络电磁干扰屏蔽