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循环拉伸-松弛处理对聚二甲基硅氧烷/碳纳米管/碳纤维柔性力敏材料性能影响规律

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高分子材料科学与工程 2020年第8期36卷 93-97,103页

作者：胡海龙许星烨应程陈海徐成成付旭东刘清亭胡圣飞张荣湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室湖北武汉430068 华东理工大学材料科学与工程学院上海200137 安徽集虹材料科技有限公司安徽合肥232001

为了探究循环拉伸-松弛后处理对聚合物基柔性力敏材料性能的影响规律,文中以聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纳米管(CNTs)/碳纤维(CF)柔性力敏材料为对象,测试其在循环拉伸-松弛处理期间及循环拉伸-松弛处理后电阻值随应变的变化,并从导电填料... 详细信息

为了探究循环拉伸-松弛后处理对聚合物基柔性力敏材料性能的影响规律,文中以聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纳米管(CNTs)/碳纤维(CF)柔性力敏材料为对象,测试其在循环拉伸-松弛处理期间及循环拉伸-松弛处理后电阻值随应变的变化,并从导电填料的局部重新分布的角度进行阐释。结果发现,循环拉伸-松弛处理后复合材料的电阻率降低可达到45%,且应变敏感性提高近4倍。这归因于循环拉伸-松弛处理过程中PDMS分子链段对导电填料的剪切作用使得导电填料经历局部重排,且循环拉伸-松弛过程所施加的应变越大,PDMS分子链段的剪切作用的影响越大,局部重排的效果会越明显。

关键词：柔性力敏材料循环拉伸-松弛剪切作用

基于取向结构的聚合物基柔性力敏材料的研究进展

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高分子材料科学与工程 2019年第12期35卷 155-164页

作者：张荣胡海龙应程刘清亭付旭东胡圣飞湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室

柔性力敏材料是可穿戴材料领域的重要基础材料。与未取向的复合材料相比,具有取向结构的柔性力敏材料拥有更加优异的电学、力敏性及力学性能。文中从制备方法的角度归纳了具有取向结构聚合物基柔性力敏材料的研究进展,包括阵列结构与柔... 详细信息

柔性力敏材料是可穿戴材料领域的重要基础材料。与未取向的复合材料相比,具有取向结构的柔性力敏材料拥有更加优异的电学、力敏性及力学性能。文中从制备方法的角度归纳了具有取向结构聚合物基柔性力敏材料的研究进展,包括阵列结构与柔性聚合物复合、静电纺丝法、定向冷冻法及电场取向等,并从形态、结构及电学、灵敏性和力学性能方面对取向结构进行了表征,最后展望了具有取向结构的柔性力敏材料的发展趋势。

关键词：取向结构聚合物柔性力敏材料

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基于石墨烯/聚合物的柔性力敏材料研究进展

高分子材料科学与工程 2019年第11期35卷 181-190页

作者：张荣应程胡海龙刘颖刘清亭付旭东胡圣飞湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室

石墨烯(G)作为一种性能优异的二维纳米材料,其高电导率、灵活性为柔性力敏材料的发展打下了坚实基础,G/聚合物复合材料可用作高弹性和高灵敏度的柔性传感器。文中从材料结构角度归纳G/聚合物柔性力敏材料的研究进展,总结了逾渗导电网络... 详细信息

石墨烯(G)作为一种性能优异的二维纳米材料,其高电导率、灵活性为柔性力敏材料的发展打下了坚实基础,G/聚合物复合材料可用作高弹性和高灵敏度的柔性传感器。文中从材料结构角度归纳G/聚合物柔性力敏材料的研究进展,总结了逾渗导电网络结构、层状结构、网状G填充柔性基体和G填充于网状聚氨酯海绵结构等多种不同结构类型的柔性力敏材料,并对材料结构与形态、机电性能及应用进行了相应的表征和分析,最后展望了G/聚合物柔性力敏材料领域的挑战与发展趋势。

关键词：石墨烯聚合物高弹性柔性力敏材料

循环拉伸及局部应变放大对聚合物基柔性导电复合材料力敏性能的影响

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循环拉伸及局部应变放大对聚合物基柔性导电复合材料力敏性能的影...

作者：胡海龙湖北工业大学

学位级别：硕士

柔性力敏材料是柔性电子器件的重要组成部分,其可将应力/应变转变为电学信号实现传感。灵敏性是柔性力敏材料重要的性能之一,通过应变对导电网络的破坏程度来表现。本研究分别通过循环拉伸-松弛和利用材料模量差异构筑局部应变放大效应... 详细信息

柔性力敏材料是柔性电子器件的重要组成部分,其可将应力/应变转变为电学信号实现传感。灵敏性是柔性力敏材料重要的性能之一,通过应变对导电网络的破坏程度来表现。本研究分别通过循环拉伸-松弛和利用材料模量差异构筑局部应变放大效应提高材料的灵敏度,具体如下:(1)通过循环拉伸-松弛改善聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纳米管(CNTs)/碳纤维(CF)复合材料力敏性。采用溶液共混的方法制备PDMS/CNTs/CF复合材料,常温下对复合材料施加1000次循环拉伸-松弛作用,调整循环松弛应变的大小,利用PDMS分子链运动减弱导电粒子的团聚程度,构建灵敏响应的导电通路。循环拉伸-松弛处理后,复合材料初始电阻降低,同时灵敏因子(GF)提升了近300%。(2)探究模压温度、炭黑(CB)含量、热塑性聚氨酯(TPU)模量和塑化剂用量对TPU/CB复合材料(TC)模量、电阻及力敏性能影响规律。以TPU为基体,CB为导电填料,采用熔融共混的方式制备TC。提高模压温度、CB含量、TPU模量和减少塑化剂的用量均能提高TC的模量;提高模压温度、CB含量、基体模量及减少塑化剂的使用量能降低TC的电阻;CB含量的提高会使TC的GF值先减小后增大,TPU模量的减小和塑化剂的使用会提高TC的GF值。(3)利用组分模量差异构筑局部应变放大效应调控TC灵敏性。利用CB含量、TPU模量和塑化剂用量调控材料的模量,随后将不同模量的材料按相同长度比例,以头尾相接串联的形式,构筑非均质材料,并沿着串联方向拉伸。结果表明,CB含量、基体模量和塑化剂用量差异引起模量差异对串联后的材料均构成了局部应变放大效应,即低模量部分的实际应变大于高模量部分的实际应变,进而提升了材料的灵敏性,且灵敏度随着组分模量差异的增大而升高。首先选用CB含量为15 wt%的材料(TC15)为低模量组分,将CB含量20～40 wt%的材料为高模量的第二组分进行串联,得到复合材料;其中随着第二组分中CB含量增加,两组分的模量差异增大,同时串联后材料的灵敏度明显提升;当TC15与TC40串联组装时,二者模量差异达到67.08 MPa,TC1540在0～20%应变下的GF达到286;与TC15相比提高了4355%。当CB含量为15 wt%时,通过选用不同模量的基体和添加塑化剂来改变复合材料的模量进一步研究,得到相似的规律。通过统计和计算这种串联的非均质材料拉伸时的应变发现,在拉伸过中低模量部分的实际应变远高于高模量部分,构成局部应变放大效应,进而引起材料灵敏性显著提高。(4)探究组分长度比例对TC局部应变放大效应和灵敏度的影响。通过调节两串联组分的比例发现:低模量的组分比例越小,局部应变放大效应越显著,材料灵敏度越高,TC15与TC30按照1:5的比例串联时,最大GF值为166,与同组分同比串联的TC相比提高了375%。此外,这种材料具有良好的循环稳定性,并能用于人体运动的实时监测。

关键词：柔性力敏材料灵敏度循环拉伸-松弛局部应变放大

基于渗流网络的聚合物基柔性应变传感复合材料研究进展

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高分子材料科学与工程 2021年第4期37卷 182-190页

作者：张荣李思琦胡海龙应程刘清亭付旭东胡圣飞湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室湖北武汉430068

基于渗流网络的柔性导电高分子复合材料具有制备简便、加工性良好、成本低、电学与应变传感性能可调等优点,是构筑柔性应变传感材料的重要方式,也是目前研究的热点。文中首先介绍柔性力敏材料的渗流网络、导电机理、性能参数及相关数值... 详细信息

基于渗流网络的柔性导电高分子复合材料具有制备简便、加工性良好、成本低、电学与应变传感性能可调等优点,是构筑柔性应变传感材料的重要方式,也是目前研究的热点。文中首先介绍柔性力敏材料的渗流网络、导电机理、性能参数及相关数值模拟,并详细介绍了逾渗曲线,然后总结了导电填料含量、形貌与维数、导电填料协同作用、填料与基体间的相互作用以及网络形态结构等因素对力敏性能的影响规律,最后展望了基于渗流网络的聚合物基柔性力敏材料的发展趋势。

关键词：渗流网络复合材料柔性力敏材料

PDMS基层状柔性应变敏感导电高分子复合材料的构筑与性能研究

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PDMS基层状柔性应变敏感导电高分子复合材料的构筑与性能研究

作者：应程湖北工业大学

学位级别：硕士

柔性力敏材料能承受较大应变,并将应变转化为成易于探测的电信号,在可穿戴电子器件、人体运动健康检测、电子皮肤等领域具有重要的应用。针对目前聚合物基柔性力敏导电复合材料中存在填料用量高,导电性、拉伸性、灵敏性等难以兼容等问题... 详细信息

柔性力敏材料能承受较大应变,并将应变转化为成易于探测的电信号,在可穿戴电子器件、人体运动健康检测、电子皮肤等领域具有重要的应用。针对目前聚合物基柔性力敏导电复合材料中存在填料用量高,导电性、拉伸性、灵敏性等难以兼容等问题,本课题以柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体,采用溶胀渗透、自然沉降与磁场辅助等策略,调控填料在基体表层分布,构筑了低填料用量的层状高柔性力敏导体,深入探究了材料的应变响应机制与传感性能,并应用于人体运动监测,具体如下:(1)首先,以高弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基体,低维度的纳米CB(nCB)作为导电填料,采用溶胀渗透的方法形成了梯度填料分布的三明治层状柔性力敏材料。nCB通过扩散作用进入到己烷溶胀的PDMS的表面和内部,少数nCB扩散到PDMS的内部区域,而大多数nCB保留在表面层中,形成了梯度nCB分布形态。填料在表面层中富集,确保了良好的导电性,填料含量高的表层对应变比较敏感,有利于提高灵敏度。填料含量随深度增加而降低,总填料含量低,这有利于复合材料的拉伸性。PDMS/nCB柔性力敏材料在仅6.2 wt%CB负载下达到355%的工作应变和343的灵敏度(GF),即使在200%的高应变下,复合材料也显示出良好的循环行为。另外,由于表面粗糙,PDMS/nCB的表面表现出超疏水性。(2)为了提高柔性力敏材料的导电性,引入了导电性能更好的镍包石墨(NCG)。通过采用一种简便的填料一步沉降法来制备基于层状结构PDMS的柔性力敏材料。高密度的NCG在低粘度的PDMS溶液中进行沉降并堆积,在PDMS/NCG柔性力敏材料底部呈现出二维导电网络,其逾渗阈值(P)仅为2.52vol%,在NCG为11.11 vol%时,导电率高达148 S/m。在施加应力的情况下,复合材料电阻从80Ω增加到4×10Ω,GF高达5.6×10。在10%应变下的机电循环中表现出优异的循环性能,在人体应用测试也表现出出色的结果。(3)为了进一步增加PDMS/NCG的可工作应变,通过橡胶磁纸诱导形成取向结构的层状PDMS/NCG柔性力敏材料。橡胶磁纸为宽度约为2 mm的磁性橡胶条与1 mm的不含磁性的橡胶交替组成,其中磁性橡胶条依次呈现N、S、N、S、N、S···分布。在橡胶磁纸作用下,NCG呈现两种不同结构的分布状态。NCG在磁条上方沿磁感线形成水平取向的网状搭接,在不含磁性的橡胶上方形成垂直取向的离散的NCG岛屿。形成的这种高质量的NCG导电网络能显著提高PDMS/NCG的工作应变范围。当NCG含量为0.04 g/cm时,电导率为23.10 S/m,应变检测范围为196%,GF值为1.04×10,有望应用于柔性力敏器件中。

关键词：柔性力敏材料层状结构高灵敏度高导电高拉伸性