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片状石墨纳米片-碳纳米管复合材料的压缩传感研究

碳纳米材料,例如碳纳米管(CNT),炭黑(CB),石墨和石墨烯,表现出出色的电性能,并且在外力作用下可以轻松地在各种非导电聚合物材料中形成导电网络。碳纳米材料的这些独特特性已被用于响应外力(压缩,拉力等)的敏感应变传感器的开发。

碳纳米材料,例如碳纳米管(CNT),炭黑(CB),石墨和石墨烯,表现出出色的电性能,并且在外力作用下可以轻松地在各种非导电聚合物材料中形成导电网络。碳纳米材料的这些独特特性已被用于响应外力(压缩,拉力等)的敏感应变传感器的开发。

为实现碳纳米材料在传感设备开发中的实际应用,目前已经开发出由基质和碳纳米填料组成的碳纳米复合材料。同时,还进行了各种努力来使碳纳米填料官能化以增强其机电性能。碳填充剂(例如CNT),官能化的CNT,炭黑(CB),石墨和石墨烯已用于制造用于传感的纳米复合材料设备。

纳米填料在基体中的分散性及其性能和传感能力可以通过控制加工条件、原料特性、纳米填料质量分数(wt%)、纳米填料电导率和聚合物基体的阻隔高度来优化。相关研究已通过隧穿效应研究验证了碳纳米材料在非导电聚合物中的电性能,以表征聚合物基质中随机分布的碳纳米颗粒的传感能力。这些杂化纳米复合材料比由聚合物中的单一碳纳米材料组成的纳米复合材料显示出更好的机械性能,光能密度和压阻。然而,这些纳米复合材料的材料性质由于其在压缩下的柔韧性和敏感性而限制了其实际应用。

在蔚山国立科学技术学院Changyoon Jeong和Young-Bin Park的一项研究中,使用在聚二甲基硅氧烷(PDMS)矩阵中由一维多壁CNT(MWCNT)和二维剥离石墨纳米片(xGnPs)组成的混合纳米复合材料制造了压缩应变传感器。同时还研究了复合传感器的压阻效应以及MWCNTs和xGnPs对杂化纳米复合材料电学和机械性能的协同作用。

在研究中,他们制造了具有纳米填料wt%,两种尺寸不同的xGnP和各种xGnP:MWCNT比的柔性压阻压缩传感器(表1)。加工后的样品因其柔韧性而易于压缩变形,并显示出压阻效应。通过控制碳纳米填料在基体中的分散和分布,优化了纳米复合材料的电性能(方案1)。

片状石墨纳米片-碳纳米管复合材料的压缩传感研究

方案1.杂化纳米复合材料的制备工艺

片状石墨纳米片-碳纳米管复合材料的压缩传感研究

表1.杂化纳米复合材料机电性能随xGnP尺寸、填料质量分数及xGnP:MWCNT比值

研究表明xGnPs,MWCNTs和PDMS聚合物组成的杂化纳米复合材料在压缩状态下的电学和力学性能存在如下特点:

1)纳米填料质量分数的增加提高复合材料的压缩模量并降低其规格系数。这表明填料的重量分数影响复合材料的机械性能,而其压缩敏感性则受压缩过程中其他导电网络形成的影响。

2)xGnP的大小会影响杂化纳米复合材料的电气和机械性能。具有M5 xGnPs的纳米复合材料比具有M15 xGnPs的纳米复合材料具有更好的机械性能。

3)复合材料的电性能取决于纳米填料的尺寸和质量分数。除这些因素,杂化纳米复合材料的机械和电学性质与xGnP:MWCNT的比例密切相关,而与纳米填料的大小和质量分数无关。

4)纳米复合材料的压缩模量随xGnP:MWCNT比的降低而增加。随着xGnP:MWCNT比的增加,纳米复合材料的尺寸因数增加,xGnP:MWCNT的比率和纳米填料的质量分数影响纳米复合材料在压缩下的压缩模量和敏感性。MWCNT比率与纳米填料的尺寸和质量分数无关。

相关文献链接:https://doi.org/10.1021/acsomega.9b03012

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