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

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1.11MPa，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1μm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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及项目名称

1．2 可拉伸导电弹性体复合材料

1．2．1 可拉伸导电弹性体复合材料概述

1．2．2 弹性体基体

1．2．3 导电机理

1．2．4 可拉伸导电弹性体复合材料的研究进展

1．3 介电弹性体复合材料

1．3．1 介电弹性体概述

1．3．2 介电弹性体复合材料研究进展

1．4 液态金属／功能性弹性体复合材料

1．4．1 液态金属概述

1．4．2 镓基液态金属性质

1．4．3 液态金属形态调控

1．4．4 液态金属／功能性弹性体复合材料研究进展

1．5 本课题的目的意义、研究内容及创新性

1．5．1 目的意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 创新性

第二章 聚氨酯海绵／液态金属／硅橡胶可拉伸导电复合材料

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验流程

2．2．4 性能测试及表征手段

2．3 结果与讨论

2．3．1 聚氢酯海绵泡孔结构分析

2．3．2 PUS-Galinstan复合材料的结构

2．3．3 PUS-Galinstan复合材料电学性能

2．3．4 封装用硅橡胶的力学性能比较

2．3．5 PUS-Galinstan-PDMS复合材料电学性能

2．3．6 PUS-Galinstan-PDMS复合材料微观结构

2．4 本章小结

第三章 液态金属／硅橡胶介电弹性体复合材料

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原材料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验流程

3．2．4 性能测试及表征手段

3．3 结果与讨论

3．3．1 表面活性剂的作用原理

3．3．2 纳米化液态金属颗粒的稳定性

3．3．3 纳米化液态金属颗粒的粒径大小及分布

3．3．4 纳米化液态金属颗粒的微观形貌

3．3．5 LM-NP／PDMS复合材料的力学性能

3．3．6 LM-NP／PDMS复合材料的介电性能

3．3．7 LM-NP／PDMS复合材料的结构形貌

3．4 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

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