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《北京化工大学》 2018年
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液态金属/硅橡胶功能性弹性体复合材料的制备及性能研究

赵琪  
【摘要】:柔性电子材料,是一类兼具柔性和电子性能的材料,在可穿戴技术、柔性机器人、换能器等领域具有广阔的应用前景。无论是介电弹性体材料还是柔性导体材料,均属于柔性电子系统。传统方法对上述材料的研究,多是将刚性颗粒引入弹性体基体中以增加材料的电学性能,但由于无机填料的固有刚性与弹性体基体的柔性不匹配,易导致材料内部应力集中,增加体系刚度,降低延展性,同时限制材料在力学响应中的耐久性。对于可拉伸导电材料而言,鲜有高电导率与高机械灵活性并存的材料的研究报道,同样,介电弹性体材料的高介电常数、低弹性模量、低介电损耗很难同时兼顾,使得材料应用受限。本课题采用可流动的液态金属与硅橡胶复合制备功能性的柔性材料,主要研究内容如下:(1)利用室温下可流动的液态金属(Galinstan)填充进三维的聚氨酯海绵(PUS)中,再与硅橡胶(PDMS)复合制备了一种可拉伸高导电弹性体复合材料。PUS的三维开孔泡孔结构能储存支撑液态金属,提供导电网络的骨架,Galinstan的流动性保证了形变过程中导电网络的连续。实验通过抽真空时间来控制液态金属的负载量,探究了液态金属负载量对PUS-Galinstan复合材料导电率的影响:在5~60min的抽真空的时间范围内,时间越长,液态金属负载量越大,导电率呈上升趋势,最高可达2.67×106S/m。同时实验探究了材料的机电稳定性:密度为4.34g/cm3的PUS-Galinstan复合材料,电导率为1.89×106S/m,在拉伸过程中,最大拉伸应变为275%时,材料的电阻变化(ΔR/R0)为433%。PUS-Galinstan与PDMS复合后,材料机械性能得到进一步提高:拉伸强度达l.llMPa,扯断伸长率达419%,弹性模量达0.22MPa。且材料仍具有良好导电性和机电稳定性,电导率为1.87×106S/m,在拉伸过程中,250%应变时,ΔR/R0为453%。(2)首先利用超声技术制备液态金属纳米液滴(LM-NP),基于LM-NP制备柔性硅橡胶介电弹性体复合材料。超声过程中对比了添加3-巯丙基三乙氧基硅烷(KH580)与不添加KH580表面处理剂对液态金属分散的影响。KH580中的巯基与液态金属络合,在其表面形成一层厚度为6nm左右自组装膜,防止分散后的液态金属重新融合,使得液态金属的平均粒径达到193nm,液态金属纳米颗粒粒径在100nm以下的数量高达88.6%,且超声后的液态金属乳液能够静置48h,不发生明显沉降,而未加KH580的液态金属平均粒径在lμm左右,静置3h开始沉降,因而肯定了 KH580对LM-NP的稳定性作用。实验进一步利用超声后的LM-NP与PDMS复合制备了具有高介电常数、低介电损耗、低模量的介电弹性体复合材料。当液态金属的体积分数为63%时,复合材料的介电常数可以到达25,比纯的DC3481硅橡胶的介电常数增加625%,在10-1~106Hz的频率范围内,损耗角正切值均小于0.2,弹性模量为1.87MPa。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33;TQ333.93

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