收藏本站
《扬州大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高介电常数复合弹性体的制备及其在柔性传感器领域的应用

王根林  
【摘要】:随着机器人产业的快速发展和对护理机器人的深入研究,驱动器和触觉传感器在机器人器件中的作用得到了研究者们的广泛关注,并有望进一步拓宽机器人的感知能力和运动能力。其核心部件为高性能的介电弹性体,它不仅具有超大变形量、超快响应速度、高机电转化效率、良好的负载匹配性、超强的环境适用性、高疲劳寿命以及优异的仿生性能等特点,同时,还可以作为力学传感器应用于包括机器人触觉皮肤在内的众多新兴研究领域,已成为国内外学者关注的热点之一。本文采用钛酸铜钙、聚苯胺包裹钛酸铜钙等高介电常数的无机颗粒、高极性的聚丙二醇二乙酯柔性聚合物、三聚茚和聚乙炔等具有共轭结构的物质、碳纳米管和聚苯胺等导电材料作为高效填料,制备了一系列的介电弹性体复合材料,具有良好的电致形变效果,并制备了伸缩型电容传感器,研究了拉伸与电容输出的关系,进一步拓展了介电弹性体的应用领域。本论文主要开展的工作有以下七个方面:(1)通过直接热处理法和熔盐法,设计并制备了具有不同形貌的亚微米和微米钛酸铜钙(CCTO)颗粒。然后,将自制的CCTO颗粒填充至硅橡胶弹性体中,所得的复合材料具有高介电常数、低介电损耗和高电致形变效果。相对于纯硅橡胶弹性体的介电常数为2.15,在50 Hz的电场频率下,亚微米和微米钛酸铜钙/硅橡胶复合材料的介电常数分别提升至4.37和4.18。而复合材料的介电损耗依然保持在低值(小于0.06)。亚微米和微米钛酸铜钙/硅橡胶复合材料的弹性模量略有增加,仍保持良好的柔韧性。在低电场5 V/μm作用下,相比纯有机硅弹性体的2.25%形变量,亚微米和微米钛酸铜钙/硅橡胶复合材料的电致形变量分别为7.69%和9.83%。(2)在盐酸溶液中,使用简单的苯胺原位聚合法合成了核-壳结构的钛酸钙铜(@聚苯胺(CCTO@PANI)颗粒。然后,将自制CCTO@PANI颗粒填充至硅橡胶弹性体中,所得复合材料具有高的介电常数、低介电损耗和在低电场下具有更好的电致形变效果。同时,CCTO@PANI/PDMS复合材料的弹性模量略微增加,依然保持良好的柔韧性。在低电场10 V/μm 作用下,与纯硅弹性体(8.94%)相比,CCTO/PDMS 和 CCTO@PANI/PDMS(CCTO和苯胺的重量比为10)复合材料表现出更大的电致形变,分别为10.95%和13.24%。这项研究提供了一个简单而有效的介电弹性体制备方法,即通过添加CCTO@PANI颗粒制备复合弹性体,由于高性能填料具有超电子极化和强极化离域,进而改善了介电弹性体在低电场下的电致形变效果,扩大了介电材料的广泛应用。(3)通过聚丙二醇(PPG)和醋酸酐的酯化反应,制备了不同分子量的聚丙二醇二乙酯(简称PPGDA)。它能够有效减少原料PPG中的残留水分和降低其亲水性。然后,在聚二甲基硅氧烷硅橡胶(简称PDMS)中加入5%的不同分子量的PPGDA,制备了PPGDA/PDMS复合材料。该复合材料在低电场中具有较高的介电常数(k)和电致形变效果。PPGDA分子结构中由于具有较多的极性氧原子,可以提高分子的极性并且形成较多的酯键。PPGDA/PDMS复合材料介电常数的大幅度增加可以明显提高其机电耦合系数(β)。当PPGDA的分子量为4000时,所得的PPGDA/PDMS复合材料的电致形变量最大。在10.5 V/um的低电场中,纯PPGDA的驱动应变为8.94%,而PPGDA/PDMS复合材料的驱动应变为17.31%,提高约1.91倍。(4)通过简单共溶法制备了仅含有0.5 wt%的ππ-共轭三聚茚小分子的有机硅介电弹性体(简称PDMS)复合材料。由于三聚茚具有规则的刚性结构,特殊的ππ-共轭结构和单分散性质,所制备的三聚茚/PDMS复合材料具有高的介电常数(k),其可以在驱动电场作用下,形成大量并联的微电容器。此外,三聚茚/PDMS复合材料的弹性模量仅稍微增加,保持着良好的柔性。在5.5 V/μm的低电场下,纯PDMS的电致形变量为4.52%,三聚茚/PDMS复合材料的电致形变量是11.56%,约提升了 2.56倍。(5)通过PVC(聚氯乙烯/PDMS的原位脱氯化氢反应,在较高温度(180 ℃)下,获得部分共轭聚合物/硅橡胶介电弹性体复合材料(PCP/PDMS)。所制备的PCP/PDMS复合材料具有高的介电常数(k),低介电损耗和在低电场下具有更好的电致形变量。PCP/PDMS复合材料的高介电常数和低弹性模量增加了其机电耦合系数((β)。因此,与纯硅橡胶弹性体相比,仅填充1 wt%PVC的硅橡胶弹性体通过热处理所得的PCP/PDMS复合材料在50 Hz电场频率下其β增加2.81倍,在低电场(10 V/μm)作用下,其电致形变量增加了 1.96倍。(6)将多壁碳纳米管经过纳米分散机多次循环剪切,制备了长径比更小的碳纳米管。在50 Hz电场频率下,纯硅橡胶弹性体的介电常数为2.15,仅填充0.0125wt%的剪切后碳纳米管的改性硅橡胶弹性体的介电常数提升至4.38。由于碳纳米管添加量较少,对复合弹性体的模量影响不大。在低电场(9 V/μm)作用下,其电致形变量为17.61%,增加了 2.07倍,有望在生物医学领域得到实际应用。(7)以十二烷基苯磺酸为掺杂有机酸和乳化剂,甲苯为溶剂,通过乳液氧化聚合法合成了可溶性聚苯胺导电材料。然后,将其与SEBS弹性体混合成均相,再挥发溶剂成型,通过调整聚苯胺的不同用量,分别制备了介电弹性体和柔性电极,由于两者为同质材料,相容性强,非常容易粘贴。以2 wt%填充量的PANI/SEBS为介电层,25 wt%填充量的PANI/SEBS为导电层,制备了伸缩电容传感器,并采用精密LCR数字电桥测试了电容,初步研究了拉伸-电容之间的关系,测试信号稳定,符合经典电容理论。
【关键词】:介电弹性体 力学性能 介电性能 电致形变性能 伸缩型电容传感器
【学位授予单位】:扬州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB332;TP212
【目录】:
  • 摘要2-4
  • Abstract4-7
  • 符号说明7-13
  • 第一章 前言13-40
  • 1.1 介电弹性体13-19
  • 1.1.1 介电弹性体结构与驱动机理14-17
  • 1.1.2 介电弹性体制备工艺17-18
  • 1.1.3 介电弹性体材料18-19
  • 1.2 相容性电极材料19-22
  • 1.3 介电弹性体应用22-26
  • 1.4 论文设想及主要研究内容26-29
  • 1.5 论文的创新点29
  • 1.6 参考文献29-40
  • 第二章 自制钛酸铜钙颗粒/硅橡胶介电弹性体的制备及其性能研究40-53
  • 2.1 引言40-41
  • 2.2 实验部分41-42
  • 2.2.1 试剂来源及准备41
  • 2.2.2 测定仪器41-42
  • 2.2.3 共沉淀法合成钛酸铜钙的前驱体42
  • 2.2.4 直接热处理法合成钛酸铜钙亚微米颗粒42
  • 2.2.5 熔盐法合成钛酸铜钙微米颗粒42
  • 2.2.6 CCTO/PDMS复合材料的制备42
  • 2.3 结果与讨论42-51
  • 2.3.1 钛酸铜钙前驱体的TGA表征42-43
  • 2.3.2 钛酸铜钙的XRD表征43-45
  • 2.3.3 CCTO及CCTO/PDMS复合材料的FESEM表征45-46
  • 2.3.4 CCTO/PDMS复合材料的DSC表征46-47
  • 2.3.5 CCTO/PDMS复合材料的力学性能研究47-48
  • 2.3.6 CCTO/PDMS复合材料的介电性能研究48-50
  • 2.3.7 CCTO/PDMS复合材料的电致应变表征50-51
  • 2.4 结论51
  • 2.5 参考文献51-53
  • 第三章 核-壳结构的钙钛酸铜@聚苯胺/硅橡胶介电弹性体的制备及其性能研究53-64
  • 3.1 引言53
  • 3.2 实验部分53-55
  • 3.2.1 试剂来源及准备53-54
  • 3.2.2 测定仪器54
  • 3.2.3 原位聚合法合成CCTO@PANI复合材料54-55
  • 3.2.4 CCTO/PDMS复合材料的制备55
  • 3.3 结果与讨论55-62
  • 3.3.1 CCTO颗粒和CCTO@PANI复合材料的FESEM表征55-56
  • 3.3.2 CCTO@PANI复合材料的STEM和Mapping表征56
  • 3.3.3 CCTO和CCTO@PANI的FTIR分析56-57
  • 3.3.4 FESEM表征57-58
  • 3.3.5 DMA表征58-59
  • 3.3.6 复合材料的介电性能研究59-61
  • 3.3.7 电致应变表征61-62
  • 3.4 结论62
  • 3.5 参考文献62-64
  • 第四章 不同分子量的聚丙二醇二乙酯/硅橡胶介电弹性体的制备及其性能研究64-76
  • 4.1 引言64
  • 4.2 实验部分64-66
  • 4.2.1 试剂来源及准备64-65
  • 4.2.2 测定仪器65
  • 4.2.3 酯化反应合成聚丙二醇二乙酯65-66
  • 4.2.4 PPGDA/PDMS复合材料的制备66
  • 4.3 结果与讨论66-73
  • 4.3.1 PPG和不同分子量的PPGDA的红外光谱表征66-67
  • 4.3.2 PPG和不同分子量的PPGDA的核磁共振表征67-68
  • 4.3.3 PPG和PPGDA的含水分析68
  • 4.3.4 PPG/PDMS和PPGDA/PDMS复合材料的电阻率研究68-69
  • 4.3.5 PPGDA/PDMS复合材料的力学性能研究69-70
  • 4.3.6 PPGDA/PDMS复合材料的介电性能研究70-72
  • 4.3.7 PPGDA/PDMS复合材料的电致应变表征72-73
  • 4.4 结论73
  • 4.5 参考文献73-76
  • 第五章 低电场下具有大驱动应变的π-共轭三聚茚/硅橡胶介电弹性体的制备76-83
  • 5.1 引言76
  • 5.2 实验部分76-77
  • 5.2.1 试剂来源76
  • 5.2.2 测定仪器76-77
  • 5.2.3 三聚茚的合成77
  • 5.2.4 三聚茚/PDMS复合材料的制备77
  • 5.3 结果与讨论77-81
  • 5.3.1 三聚茚/PDMS复合材料的力学性能研究77-79
  • 5.3.2 三聚茚/PDM复合材料的介电性能研究79-81
  • 5.3.3 三聚茚/PDMS复合材料的电致应变研究81
  • 5.4 结论81-82
  • 5.5 参考文献82-83
  • 第六章 原位热降解聚氯乙烯制备部分共轭的聚乙炔/硅橡胶介电弹性体及其性能研究83-94
  • 6.1 引言83-84
  • 6.2 实验部分84-85
  • 6.2.1 原料来源84
  • 6.2.2 测定仪器84
  • 6.2.3 PCP/PDMS复合材料的制备84-85
  • 6.3 结果与讨论85-91
  • 6.3.1 PVC/PDMS复合材料的TGA分析85-86
  • 6.3.2 PCP/PDMS复合材料的XPS研究86-87
  • 6.3.3 PCP/PDMS复合材料的力学性能研究87-88
  • 6.3.4 PCP/PDMS复合材料的介电性能研究88-90
  • 6.3.5 PCP/PDMS复合材料的电致应变研究90-91
  • 6.4 结论91
  • 6.5 参考文献91-94
  • 第七章 经剪切后碳纳米管改性硅橡胶及其性能研究94-101
  • 7.1 引言94
  • 7.2 实验部分94-95
  • 7.2.1 试剂来源94
  • 7.2.2 测定仪器94-95
  • 7.2.3 制备方法95
  • 7.3 结果与讨论95-98
  • 7.3.1 微观形貌分析95-96
  • 7.3.2 介电性能的表征96
  • 7.3.3 电致形变表征96-98
  • 7.4 结论98-99
  • 7.5 参考文献99-101
  • 第八章 可溶性聚苯胺改性弹性体及其性能研究101-121
  • 8.1 引言101
  • 8.2 实验部分101-103
  • 8.2.1 试剂来源101-102
  • 8.2.2 测定仪器102
  • 8.2.3 制备方法102-103
  • 8.2.3.1 十二烷基苯磺酸掺杂聚苯胺甲苯溶液的制备102-103
  • 8.2.3.2 氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物甲苯液的制备103
  • 8.2.3.3 介电层材料的制备103
  • 8.2.3.4 导电层材料的制备103
  • 8.2.3.5 伸缩型电容传感器的制备103
  • 8.3 结果与讨论103-118
  • 8.3.1 力学性能103-104
  • 8.3.2 TGA测试104-106
  • 8.3.3 导电弹性体表征106-110
  • 8.3.4 介电弹性体表征110-111
  • 8.3.5 介电性能的表征111-112
  • 8.3.6 电容测试112-118
  • 8.4 结论118
  • 8.5 参考文献118-121
  • 结论及展望121-123
  • 博士期间取得的成果123-125
  • 致谢125-126

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘新建,李青山;功能橡胶与功能弹性体的研究进展[J];特种橡胶制品;2004年06期
2 ;高性能氟类弹性体——カルレッツ[J];橡胶参考资料;2004年04期
3 Kennard A.Reynard;Selwyn H.Rose;刘润清;;氟化磷腈弹性体制品性质和可能的用途(摘要)[J];橡胶参考资料;1975年08期
4 傅维椿;阎一工;;弹性体材料的疲劳损伤与疲劳失效[J];试验机与材料试验;1985年06期
5 竹村泰彦;赵瑞时;;赋予弹性体复合材料的功能及其现状[J];橡胶参考资料;1989年06期
6 关锐峰;霍玉云;;感压导电弹性体的研究 第一报 感压导电弹性体的感压特性[J];特种橡胶制品;1990年04期
7 金鹰泰;;功能弹性体[J];弹性体;1993年01期
8 ;低应力松驰的弹性体材料[J];橡胶参考资料;2001年09期
9 杨护国;;能源部门用弹性体的使用寿命预测[J];橡胶参考资料;2002年06期
10 刘先生;弹性体地板及延伸产品[J];中小企业科技;2003年09期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张立群;;先进弹性体基功能材料的设计制备与性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
2 丁涛;刘全勇;石锐;田明;张立群;;一种新型的可生物降解弹性体的合成与性能研究[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年
3 王志强;蔡天聪;高文正;房晓敏;徐元清;丁涛;;基于乳酸的生物可降解弹性体的合成与性能研究[A];中国化学会第26届学术年会功能高分子科学前沿分会场论文集[C];2008年
4 周占玉;王晓明;叶巍;耿越;王秀芬;;阻燃耐高温磷腈弹性体合成与制备研究[A];2014年全国阻燃学术年会会议论文集[C];2014年
5 杨新改;王秀芬;;氟化聚磷腈弹性体的合成与应用[A];2012年中国阻燃学术年会论文集[C];2012年
6 张震;刘立武;刘彦菊;冷劲松;;介电弹性体卷形驱动器的设计制造及性能测试[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
7 陈罘杲;;织物复合双透效应弹性体的研究与应用[A];铜牛杯第九届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2009年
8 张明;周兰香;李幼荣;邱关明;井上真一;冈本弘;;用水玻璃为原料制备无机/有机复合弹性体[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
9 侯勇;;导致钢制传感器弹性体腐蚀失效的环境因素探析[A];首届全国称重技术研讨会论文集[C];1999年
10 刘立武;张震;刘彦菊;冷劲松;;介电弹性体薄膜驱动器的驱动性能研究[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 孙杰;弹性体材料市场占大头[N];中国化工报;2004年
2 黄茂松 贾润萍;聚氨酯弹性体迎来春天[N];中国石化报;2011年
3 周言;德国公司研制TPU复合性材料[N];中国化工报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 钱锵;电子束辐射法制备温敏/光敏性液晶弹性体及其性能研究[D];上海大学;2015年
2 刘苏亭;碳系填料介电弹性体复合材料的结构调控及电力学性能研究[D];北京化工大学;2016年
3 Christophe Renard;基于热塑性聚氨酯共混物的高性能介电弹性体驱动器的研究[D];北京科技大学;2017年
4 王根林;高介电常数复合弹性体的制备及其在柔性传感器领域的应用[D];扬州大学;2017年
5 朱黎辉;电活性介电弹性体膜型材料电致应变特性的研究[D];吉林大学;2011年
6 杨丹;新颖介电弹性体复合材料的设计、制备及性能[D];北京化工大学;2014年
7 范艳层;顺丁橡胶基磁流变弹性体的研制及其阻尼性能研究[D];中国科学技术大学;2013年
8 秦秀敏;聚醚型聚氨酯(脲)弹性体的改性、形态结构及性能研究[D];上海交通大学;2006年
9 朱向群;称重传感器弹性体材料关键技术研究及应用[D];江苏大学;2010年
10 石振东;聚氟硅氧烷—聚氨酯(脲)嵌段共聚物弹性体的制备、形态结构及性能研究[D];上海交通大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王巍巍;热可逆自修复弹性体的制备、结构与性能研究[D];华南理工大学;2015年
2 王彩峰;稀土改性热塑性聚氨酯弹性体制备及其性能研究[D];上海应用技术学院;2015年
3 龚莉杰;一种新型多维力传感器及其标定方法的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
4 叶巍;聚磷腈弹性体的分子设计、制备与机理研究[D];北京化工大学;2015年
5 李永鑫;杜仲胶加氢改性研究[D];北京化工大学;2015年
6 李栋栋;低模量高介电常数介电弹性体的合成及性能[D];北京化工大学;2015年
7 张静;石墨烯核壳杂化粒子/硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能研究[D];北京化工大学;2015年
8 王志飞;纳米纤维素基功能弹性体的制备及性能研究[D];北京化工大学;2015年
9 姚洋;低电压下大电致形变聚氨酯介电弹性体的设计与制备[D];北京化工大学;2015年
10 杨宁;EPDM基遇水膨胀弹性体的制备及性能研究[D];青岛科技大学;2015年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026