多壁碳纳米管/高分子基纳米复合材料应变传感特性研究

摘要

由高分子聚合物基体和纳米颗粒组成的导电复合材料因其优良的力学，热学及电学特性被广泛应用于航空航天，电子，汽车及医疗等领域。碳纳米管（CNT）具有高长径比，高电子迁移率和高强度的特点，其在聚合物基体中形成的导电网络在外力的作用下会发生重构，有望为设计高灵敏度的柔性传感器件提供新的思路。本研究系统分析了多壁碳纳米管（MWCNT）/聚偏氟乙烯（PVDF）复合材料在直流电下的压阻特性，并建立了 RLC等效电路模型，对材料在交流电下的力-电耦合特性进行了探讨。 首先，论文采用溶液流延的方式，经过超声分散和行星搅拌，制作了一种多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯（MWCNT/PVDF）薄膜。对薄膜进行打磨和切片处理，用涂抹导电银浆的方式添加电极，制成规格统一的应变片。SEM形貌分析表明，MWCNT在聚合物基体中的分散性良好，无明显的团聚现象，能相互搭接形成三维导电网络。 其次，搭建了小型测试平台，对应变片在直流和交流电下的应变传感特性进行了分析。结果发现：（1）应变片可以承受 20%的应变而不断裂。（2）在直流电路中应变片具有压阻特性，但是其应变-电阻之间的关系表现出明显的非线性。（3）在交流电路中，当应变为零时，其介电损耗角正切（tanδ）与测试频率和MWCNT含量有关，但与测试电压无关。（4）应变不为零时，tanδ随应变的变化而变化，且 tanδ变化率和应变呈线性变化关系，但是其斜率会受测试频率的影响。 最后，考虑 CNT的电阻，电容和电感特性，建立了基于 CNT复合材料的RLC等效电路模型。实验结果表明该模型能很好地预测频率对交流电下材料灵敏度的影响。同时，分别制作了多壁碳纳米管/环氧树脂（MWCNT/EP），多壁碳纳米管/硅橡胶（MWCNT/PDMS）和MWCNT/PVDF三种不同类别的复合材料。RLC模型能预测这三类材料在不同频率下的tanδ，并有望应用到无线应变传感器的设计当中。

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