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作者：虞东霖北京化工大学

学位级别：硕士

柔性电极是一类具备导电性和一定弹性形变能力,且在形变状态下仍然能够稳定传递电能的功能材料。其呈现形式多种多样,可根据所需的变形程度、灵敏度、能量密度等参数设计不同的形态,应用于相应的领域。柔性电极的两个重要组成部分为导... 详细信息

柔性电极是一类具备导电性和一定弹性形变能力,且在形变状态下仍然能够稳定传递电能的功能材料。其呈现形式多种多样,可根据所需的变形程度、灵敏度、能量密度等参数设计不同的形态,应用于相应的领域。柔性电极的两个重要组成部分为导电相和柔性基底。导电相分散在柔性基底中(或被柔性基底浸润)形成的导电网络提供导电性能,高分子柔性基底形成的交联网络承担主要的机械作用。制备出的柔性电极可在医用传感、能量转换、航空航天等诸多领域有广泛应用。本课题的主要工作是以硅橡胶为柔性基体,加以导电填料,设计并制备与硅橡胶基介电弹性体相配合的柔性电极。所组成的介电弹性体发电机(DEG)工作单元,用于实现人体的机械能与电能之间的转换。在此基础上研究各类电极在力学、电学等性能呈现的规律。要求材料具有高导电性、高导电稳定性、高形变能力以及与DE基体的高结合强度。工作围绕着以下三个方面展开:(1)以液态的双组份高温硫化硅橡胶(HTV)为基体,以超导电炭黑为填料,设计并制备了低模量“三明治”式的DEG工作单元。剖析了生胶产品两个组份的物理参数以及成分和化学结构,并针对其形态和固化方式设计了溶液共混法的具体流程。分析了催化剂的失效机理,并对催化剂采取了保护措施。研究了超导电炭黑添加份数对硫化胶性能的影响。结果显示:渗滤阈值出现在体积分数0.6%～2.4%(约合质量份数1～4份)的区间内。添加4phr超导电炭黑的样品,电导率达到了17 S/m。在经受200%应变后,电导率变化率达到了30%。制备的DEG在0～100%的应变范围内测量的最大电容误差不超过0.02 n F。(2)以半固态甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)为基体,以碳系的零维、一维填料、金属基二维填料为导电载体,制备了多维填料复合硅橡胶电极材料。研究了导电填料的不同添加阶段,材料所呈现的力学、电学性能。第一阶段下,得到了超导电炭黑在MVQ中的逾渗区间为体积分数3.33%～4.92%(约合质量份数8～12份)。首先在添加12phr超导电炭黑的样品形成了导电通路。第二阶段下,添加片状微米银,使导电性能达到了1×10 S/m的数量级。第三阶段下,添加2phr高导电碳纳米管的样品,经50%应变回复后的电导率变化率恢复到了18%,经200%应变释放后,材料的电导率为7.5×10 S/m。(3)以半固态的Si O/MVQ母炼胶为基体,以片状微米银为导电填料,制备的高导电/稳定性电极材料。找到了微米银片的最优添加量和最佳分散状态,制备的样品满足了项目要求的所有指标。添加120phr片状微米银的样品,200%拉伸应变后的电导率变化率仅为17.1%,电导率为1.5×10 S/m。与DE基体的粘结强度达到了63 N/cm。在此基础上对配方进行了优化,最终确定,A151(乙烯基三乙氧基硅烷)硅烷偶联剂改性的微米银片所制备的样品,在高/低应变回复后的滞后损失最小,分别为46.6%和67.2%,综合性能最佳。

关键词：柔性电极导电稳定性介电弹性体渗滤阈值超导电炭黑片状微米银导电通路母炼胶

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硅橡胶基高导电复合材料的制备及其性能研究

引用

橡胶工业 2023年第7期70卷 483-489页

作者：虞东霖邹华宁南英北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室北京100029

以导电炭黑、片状微米银、碳纳米管为填料制备甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)基高导电复合材料并研究其性能。结果表明:导电炭黑在MVQ中的逾渗阈值为8~12份(对应体积分数为3.33%~4.92%),导电炭黑用量为12份时导电炭黑/MVQ复合材料的交联网络最稳... 详细信息

以导电炭黑、片状微米银、碳纳米管为填料制备甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)基高导电复合材料并研究其性能。结果表明:导电炭黑在MVQ中的逾渗阈值为8~12份(对应体积分数为3.33%~4.92%),导电炭黑用量为12份时导电炭黑/MVQ复合材料的交联网络最稳定;在添加12份导电炭黑的基础上添加150份片状微米银时,导电炭黑/片状微米银/MVQ复合材料在50%应变下的导电网络恢复程度最大;导电炭黑/片状微米银/碳纳米管/MVQ复合材料在50%应变下的电导率为1.2×10^(4)S·m^(-1),电导率变化率为18%。

关键词：甲基乙烯基硅橡胶导电复合材料导电炭黑片状微米银碳纳米管电导率

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