發(fā)布時間：2018-01-16 03:09

  本文關(guān)鍵詞：高介電常數(shù)復(fù)合彈性體的制備及其在柔性傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用　出處：《揚州大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 介電彈性體 力學(xué)性能 介電性能 電致形變性能 伸縮型電容傳感器

【摘要】：隨著機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和對護理機器人的深入研究,驅(qū)動器和觸覺傳感器在機器人器件中的作用得到了研究者們的廣泛關(guān)注,并有望進一步拓寬機器人的感知能力和運動能力。其核心部件為高性能的介電彈性體,它不僅具有超大變形量、超快響應(yīng)速度、高機電轉(zhuǎn)化效率、良好的負(fù)載匹配性、超強的環(huán)境適用性、高疲勞壽命以及優(yōu)異的仿生性能等特點,同時,還可以作為力學(xué)傳感器應(yīng)用于包括機器人觸覺皮膚在內(nèi)的眾多新興研究領(lǐng)域,已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點之一。本文采用鈦酸銅鈣、聚苯胺包裹鈦酸銅鈣等高介電常數(shù)的無機顆粒、高極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軛結(jié)構(gòu)的物質(zhì)、碳納米管和聚苯胺等導(dǎo)電材料作為高效填料,制備了一系列的介電彈性體復(fù)合材料,具有良好的電致形變效果,并制備了伸縮型電容傳感器,研究了拉伸與電容輸出的關(guān)系,進一步拓展了介電彈性體的應(yīng)用領(lǐng)域。本論文主要開展的工作有以下七個方面:(1)通過直接熱處理法和熔鹽法,設(shè)計并制備了具有不同形貌的亞微米和微米鈦酸銅鈣(CCTO)顆粒。然后,將自制的CCTO顆粒填充至硅橡膠彈性體中,所得的復(fù)合材料具有高介電常數(shù)、低介電損耗和高電致形變效果。相對于純硅橡膠彈性體的介電常數(shù)為2.15,在50 Hz的電場頻率下,亞微米和微米鈦酸銅鈣/硅橡膠復(fù)合材料的介電常數(shù)分別提升至4.37和4.18。而復(fù)合材料的介電損耗依然保持在低值(小于0.06)。亞微米和微米鈦酸銅鈣/硅橡膠復(fù)合材料的彈性模量略有增加,仍保持良好的柔韌性。在低電場5 V/μm作用下,相比純有機硅彈性體的2.25%形變量,亞微米和微米鈦酸銅鈣/硅橡膠復(fù)合材料的電致形變量分別為7.69%和9.83%。(2)在鹽酸溶液中,使用簡單的苯胺原位聚合法合成了核-殼結(jié)構(gòu)的鈦酸鈣銅(@聚苯胺(CCTO@PANI)顆粒。然后,將自制CCTO@PANI顆粒填充至硅橡膠彈性體中,所得復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)、低介電損耗和在低電場下具有更好的電致形變效果。同時,CCTO@PANI/PDMS復(fù)合材料的彈性模量略微增加,依然保持良好的柔韌性。在低電場10 V/μm 作用下,與純硅彈性體(8.94%)相比,CCTO/PDMS 和 CCTO@PANI/PDMS(CCTO和苯胺的重量比為10)復(fù)合材料表現(xiàn)出更大的電致形變,分別為10.95%和13.24%。這項研究提供了一個簡單而有效的介電彈性體制備方法,即通過添加CCTO@PANI顆粒制備復(fù)合彈性體,由于高性能填料具有超電子極化和強極化離域,進而改善了介電彈性體在低電場下的電致形變效果,擴大了介電材料的廣泛應(yīng)用。(3)通過聚丙二醇(PPG)和醋酸酐的酯化反應(yīng),制備了不同分子量的聚丙二醇二乙酯(簡稱PPGDA)。它能夠有效減少原料PPG中的殘留水分和降低其親水性。然后,在聚二甲基硅氧烷硅橡膠(簡稱PDMS)中加入5%的不同分子量的PPGDA,制備了PPGDA/PDMS復(fù)合材料。該復(fù)合材料在低電場中具有較高的介電常數(shù)(k)和電致形變效果。PPGDA分子結(jié)構(gòu)中由于具有較多的極性氧原子,可以提高分子的極性并且形成較多的酯鍵。PPGDA/PDMS復(fù)合材料介電常數(shù)的大幅度增加可以明顯提高其機電耦合系數(shù)(β)。當(dāng)PPGDA的分子量為4000時,所得的PPGDA/PDMS復(fù)合材料的電致形變量最大。在10.5 V/um的低電場中,純PPGDA的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.94%,而PPGDA/PDMS復(fù)合材料的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?7.31%,提高約1.91倍。(4)通過簡單共溶法制備了僅含有0.5 wt%的ππ-共軛三聚茚小分子的有機硅介電彈性體(簡稱PDMS)復(fù)合材料。由于三聚茚具有規(guī)則的剛性結(jié)構(gòu),特殊的ππ-共軛結(jié)構(gòu)和單分散性質(zhì),所制備的三聚茚/PDMS復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)(k),其可以在驅(qū)動電場作用下,形成大量并聯(lián)的微電容器。此外,三聚茚/PDMS復(fù)合材料的彈性模量僅稍微增加,保持著良好的柔性。在5.5 V/μm的低電場下,純PDMS的電致形變量為4.52%,三聚茚/PDMS復(fù)合材料的電致形變量是11.56%,約提升了 2.56倍。(5)通過PVC(聚氯乙烯/PDMS的原位脫氯化氫反應(yīng),在較高溫度(180 ℃)下,獲得部分共軛聚合物/硅橡膠介電彈性體復(fù)合材料(PCP/PDMS)。所制備的PCP/PDMS復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)(k),低介電損耗和在低電場下具有更好的電致形變量。PCP/PDMS復(fù)合材料的高介電常數(shù)和低彈性模量增加了其機電耦合系數(shù)((β)。因此,與純硅橡膠彈性體相比,僅填充1 wt%PVC的硅橡膠彈性體通過熱處理所得的PCP/PDMS復(fù)合材料在50 Hz電場頻率下其β增加2.81倍,在低電場(10 V/μm)作用下,其電致形變量增加了 1.96倍。(6)將多壁碳納米管經(jīng)過納米分散機多次循環(huán)剪切,制備了長徑比更小的碳納米管。在50 Hz電場頻率下,純硅橡膠彈性體的介電常數(shù)為2.15,僅填充0.0125wt%的剪切后碳納米管的改性硅橡膠彈性體的介電常數(shù)提升至4.38。由于碳納米管添加量較少,對復(fù)合彈性體的模量影響不大。在低電場(9 V/μm)作用下,其電致形變量為17.61%,增加了 2.07倍,有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。(7)以十二烷基苯磺酸為摻雜有機酸和乳化劑,甲苯為溶劑,通過乳液氧化聚合法合成了可溶性聚苯胺導(dǎo)電材料。然后,將其與SEBS彈性體混合成均相,再揮發(fā)溶劑成型,通過調(diào)整聚苯胺的不同用量,分別制備了介電彈性體和柔性電極,由于兩者為同質(zhì)材料,相容性強,非常容易粘貼。以2 wt%填充量的PANI/SEBS為介電層,25 wt%填充量的PANI/SEBS為導(dǎo)電層,制備了伸縮電容傳感器,并采用精密LCR數(shù)字電橋測試了電容,初步研究了拉伸-電容之間的關(guān)系,測試信號穩(wěn)定,符合經(jīng)典電容理論。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：揚州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB332;TP212

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