發(fā)布時間：2020-08-22 17:35

【摘要】：金屬橡皮是將納米金屬球顆粒離散分布于高彈性聚合物基體內(nèi)制成的柔性導電納米復合材料,其表現(xiàn)出的兼具高彈性和高導電性的優(yōu)異性能也使得該材料具有廣泛的潛在應用,同時在開發(fā)柔彈性電子/光電子產(chǎn)品中起著不可或缺的作用。與傳統(tǒng)導電相不同的是,納米球顆粒更為顯著的表面效應和量子力學效應使得少量的球狀納米導體可在絕緣基體中自主形成非接觸、高效率的導電通路,同時復合材料也更大程度地保留了高彈性基體的優(yōu)異特性。然而,對該類復合材料導電滲濾特性的研究目前僅限于實驗技術上,由于球狀導體顯著不同于一維或二維納米纖維,其構成的納米復合材料的導電滲濾行為與其他復合材料也有很大的區(qū)別,但目前缺乏相應的報道對這種金屬橡皮的導電滲濾行為進行更深入詳細的探究和分析。因此,本文通過考慮納觀下量子隧穿效應和范德華力的作用,采用數(shù)值模擬和理論研究相結合的方法研究了金屬橡皮的導電滲濾行為。首先,本文使用蒙特卡羅方法建立金屬橡皮等效系統(tǒng)模型,結合納米尺度電子接觸模型以及導電回路理論模擬了復合材料的導電滲濾行為,探討了導電滲濾的影響因素和物理機理。然后,在顆粒周圍包覆一層反應量子隧穿效應的中間相,建立了“金屬納米顆粒+中間相”的等效力學模型,并推導出了納米顆粒-聚合物復合材料的等效電導率公式,深入并完整的揭示了復合材料導電滲濾的整個過程。通過模擬和理論的計算,本文獲得了如下結論:(1)金屬橡皮的導電滲濾行為受量子隧穿效應和導電接觸兩種導電機理的控制。在隧穿效應起主導作用的階段,金屬橡皮的電導率主要有基體的隧穿能壘決定,而在導電接觸起主導作用的階段,其電導率則主要受納米顆粒的電阻率控制。因此,復合材料顯著的壓阻效應實際上可以在隧穿效應起主導作用的階段中得到實現(xiàn)。(2)金屬橡皮的滲濾閾值和冪指數(shù)t與納米顆粒和聚合物的電學性能無關,它們完全由納米填充物的幾何特征決定。(3)金屬橡皮具有兩階段導電滲濾行為。其電導率的第一次突增主要是基體中相鄰納米顆粒間通過電子隧穿效應產(chǎn)生電子傳輸進而形成導電回路的結果,第二次跳躍則是導電回路中顆粒間的電子傳輸機理由電子隧穿效應轉變?yōu)閷щ娊佑|的結果。(4)量子隧穿效應對納米顆粒尺寸非常敏感。當納米顆粒半徑超過195nm時,隧穿效應對復合材料滲濾過程的影響基本消失,并且兩階段滲濾行為將合并形成傳統(tǒng)的一階段滲濾行為。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

子智能器件在現(xiàn)代新型高科技發(fā)展中占據(jù)的作用越來越大[1-12]。例如，如圖1.1所示的柔性LED顯示設備[13]、粘貼在生物組織表面的柔性傳感器[4]、軟儲能裝置[9,16]、柔性有機晶體管[21]。而這些柔彈性器件的開發(fā)必然對材料提出了更高的要求，即材料需要兼具優(yōu)良導電性和優(yōu)異的柔彈性性能。然而，由于傳統(tǒng)的導體材料/彈性材料一般只具有單方面的優(yōu)異性能，如純金屬材料雖具有較好的導電性，但其彈性性能較差，它們無法滿足這些新型系統(tǒng)/器件對這一新型功能材料的要求。因此，實現(xiàn)這一新型功能材料的最大挑戰(zhàn)是擺脫傳統(tǒng)材料的限制（如金屬材料的優(yōu)良導電性低拉伸性，彈性材料的低導電性高彈性），實現(xiàn)導體材料的高導電性與柔性絕緣材料的高彈性的結合。為了達到這一目的，人們不斷將導電納米填充物嵌入在彈性聚合物基體中來制備兼具高導電性和柔彈性的新型功能材料即柔彈性導電納米復合材料。尤其是把納米金顆粒分布于高彈性絕緣聚合物內(nèi)形成的金屬橡皮薄膜[1](圖1.2)，不僅表現(xiàn)出了類金屬的導電性(電導率達到104S/cm)

尤其是把納米金顆粒分布于高彈性絕緣聚合物內(nèi)形成的金屬橡皮薄膜[1](圖1.2)，不僅表現(xiàn)出了類金屬的導電性(電導率達到104S/cm)，而且納米尺度的第二相也使該材料繼承了基體低密度、低剛度、高彈性的性能特征(拉伸應變達484%)。這一具有優(yōu)異性能的新型納米復合材料的產(chǎn)生也標志著柔彈性導電納米復合材料的研究達到了一個新的階層。此外，該材料的電導率比其他銀納米線/納米管/

個空的方格（圖 2.1a），然后用點隨機填充格子內(nèi)的方格（圖，在網(wǎng)格內(nèi)存在空的正方形以及點群或團簇。物理學家經(jīng)常將為方格上的“最近鄰點”，而連接同一角落的點被稱為“下一成一個團簇的是最近鄰點的不間斷連續(xù)連接。滲濾理論本質質，數(shù)量和大小的分析細目。它試圖確定是否存在任何足夠大長度或寬度（以及三維格子，高度）。最后隨著填充點的增加界之間由點填充的格子構成了清晰的不間斷路徑（圖 2.1c 紅理論在本研究中則是表現(xiàn)為在三維單元體中隨機嵌入大小均著顆粒數(shù)量增加，相鄰顆粒不斷電子連接最終在單元體中形成，我們把這一狀態(tài)下的顆粒含量稱為滲濾閾值，在此閾值下，濾曲線會出現(xiàn)一個跳躍（電導率數(shù)量級的增加）。子隧穿效應

【參考文獻】

相關期刊論文 前7條

1 CHEN Ying;LU BingWei;OU DaPeng;FENG Xue;;Mechanics of flexible and stretchable piezoelectrics for energy harvesting[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2015年09期

2 杜善義;;納米復合材料研究進展[J];上海大學學報(自然科學版);2014年01期

3 馮雪;陸炳衛(wèi);吳堅;林媛;宋吉舟;宋國鋒;黃永剛;;可延展柔性無機微納電子器件原理與研究進展[J];物理學報;2014年01期

4 李琳;王暄;孫偉峰;雷清泉;;聚乙烯/銀納米顆粒復合物的分子動力學模擬研究[J];物理學報;2013年10期

5 周松;王靜怡;張再昌;王霞;易鋒;;納米SiO_2/竹纖維/環(huán)氧樹脂復合材料性能研究[J];塑料助劑;2009年02期

6 李海東,龐洪寶,程鳳梅,杜春龍;m-LLDPE/nano-SiO_2復合材料的性能和形態(tài)結構研究[J];塑料科技;2005年05期

7 董元彩,孟衛(wèi),魏欣,楊緒杰,陸路德,汪信;環(huán)氧樹脂/二氧化鈦納米復合材料的制備及性能[J];塑料工業(yè);1999年06期

本文編號：2800955