1 / 8
文档名称:

复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响.pdf

格式:pdf   大小:5,413KB   页数:8页
下载后只包含 1 个 PDF 格式的文档,没有任何的图纸或源代码,查看文件列表

如果您已付费下载过本站文档,您可以点这里二次下载

分享

预览

复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响.pdf

上传人:一主三仆 2022/9/30 文件大小:5.29 MB

下载得到文件列表

复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响.pdf

相关文档

文档介绍

文档介绍:该【复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响 】是由【一主三仆】上传分享,文档一共【8】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。
高等学校化学学报
202192953~2960
年月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES

:
复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列
传感器性能的影响
赵凌云,黄汉雄,罗杜宇,苏逢春
,
(华南理工大学,广东省高分子先进制造技术及装备重点实验室
/,510640
微纳成型与流变学研究室广州)
2//(TPU/SCFCNT)
摘要采用模压成型方法制备了种柔软性不同的热塑性聚氨酯短切碳纤维碳纳米管-复合
,,SCFCNT.
材料复制物其表面上具有倒金字塔微结构阵列内部有与共同构成的导电通路将复合材料复制物
.,
和相应的复合材料平整片封装成柔性传感器结果表明压力作用下传感器内复制物和平整片之间的接触电
.,,
阻因倒金字塔底棱的形变而显著降低对使用柔软性较高的复合材料封装的传感器虽然其相对迟滞稍大但
,,0~
压力作用下倒金字塔底棱形变量较大且复制物和平整片内导电通路增加量较大因此其在的线性
().2,500s(1580)
区内具有较高的灵敏度‒1制备的种传感器均具有快速响应特性且能在约次的循环压
/(3kPa).,
缩释放测试峰值压力约中保持较稳定的电阻响应研究表明利用模压成型的表面倒金字塔结构复合
.
材料复制物封装成的柔性压力传感器具有良好的传感性能
//
关键词聚氨酯短切碳纤维碳纳米管复合材料;模压成型;倒金字塔微结构阵列;柔性传感器;灵敏度
0631A
中图分类号文献标志码
1~3.
近年来,柔性压力传感器由于可应用于可穿戴设备和电子皮肤等方面而得到较快的发展[]不同
于采用硅片和金属应变片制备的传统传感器,柔性压力传感器采用柔性基底制备,因此,能在实现器
4~6.
件传感性能的同时兼具柔性特性[]根据工作原理的不同,柔性压力传感器可分为压阻型、电容型、
47.
压电型和摩擦起电型种[]压阻型传感器的工作原理是将所受压力的变化转变为器件本身电阻的变
.
化,其结构简单、灵敏度较高、响应时间较短,成为近年来被广泛研究的对象
8910111213
通常,在柔性聚合物中加入碳纤维[,]和碳纳米管[,]等碳系填料或金纳米线[]和银纳米线[]等金
.
属填料制备的导电复合材料具有压阻效应,可被用作传感材料传感器如采用表面具有微结构的传感
.
基片,微结构受压时产生形变可改变传感基片之间的接触电阻,进而提高传感器的灵敏度等性能目
141516~
前,柔性压力传感器所采用的微结构主要有波浪形[,]、金字塔形[]和仿生微结构[,]等等[]制
备了传感基片表面具有波浪结构的传感器,由于压力引起的波浪结构形变可显著降低传感器的接触电
.
阻,因此其具有‒1的灵敏度和的响应时间金字塔独特的尖锥结构使其具有优异的形
.Qiu16
变能力,受压时能显著改变传感器内部传感基片之间的接触面积等[]对比分析了微金字塔、微半
球和微圆柱的形变能力,研究发现,与后两种结构相比,微金字塔结构受压时具有更大的接触面积变
.Zhu18
化,因而具有微金字塔结构的传感器具有较高的灵敏度等[]制备了传感基片表面具有不同尺寸
金字塔结构的传感器,研究发现,相同作用力下小尺寸金字塔的形变量大,传感基片之间的接触面积
.3D
变化大,因而传感器的灵敏度较高不过,成型微结构所用模板大多采用光刻、离子刻蚀或打印等
21.
方法制备,设备要求高、工艺复杂,成本高[],且所制备的微结构一般为凸结构迄今,尚未见传感基
.
片表面有倒金字塔结构的传感器的相关研究报道
2//
本文采用单螺杆混炼挤出方法制备了种柔软性不同的热塑性聚氨酯短切碳纤维碳纳米管
.
收稿日期:--网络出版日期:--
(:52073096)(:2020ZDZX2069).
基金项目:国家自然科学基金批准号和广东省普通高校重点领域专项批准号资助
,,,,.Email:******@
联系人简介:黄汉雄男博士教授主要从事高分子材料加工设备与工程研究-

高等学校化学学报
TPU/SCFCNT
(-)复合材料;考虑到模压成型方法可较高精度、低成本地在聚合物表面成型微结构,本
文采用这种方法成型复合材料复制物,其表面上分布有倒金字塔微结构阵列;将制备的复合材料复制
物封装成倒金字塔微结构传感器,研究了复合材料的柔软性对传感器的灵敏度、线性响应区和迟滞性
.
等性能的影响
1实验部分


(牌号,记为,硬度,密度3;牌号,记为,硬
~15nm30~50μm
度,密度3),烟台万华有限公司;(牌号,直径,长度),
SCF7μm30~56μm
南京先丰纳米材料科技公司;(直径,长度),深圳中森领航科技有限公司;γ-氨丙
KH550≥98%.
基三乙氧基硅烷(,分析纯,纯度),南京创世化工有限公司
25mm25/1QBL
单螺杆挤出机,螺杆直径为,长径比为,由本课题组研制;型模压机,无锡第一橡
.
胶机械有限公司

℃120r/min
使用对表面进行改性,过程如下将置于***中,在、
2h100℃24hSCFKH550
条件下搅拌,洗涤、过滤后在下干燥;将得到的置于预先配制好的溶液(在
℃120r/min1h
无水乙醇和去离子水中加入)中,在、条件下搅拌,洗涤、
100℃24hSCF.
过滤后在下干燥,得到改性的
TPUSCFCNT4h87103
将粒料、改性粉末和粉末干燥,以质量比∶∶进行混合,之后加入挤出机中
TPU/SCFCNT190200200200195℃
进行混炼挤出,制备-复合材料粒料,机筒各段温度设置为----,螺杆
40r/.
转速为以和为基体制备的复合材料分别记为-和-

Scheme1A
将表面具有微金字塔结构的铍铜合金模板[()]固定在模压成型模具型腔表面,该模板
.200℃15min
采用精密铣削制备将复合材料粒料放入模具型腔,在下加热,使复合材料熔融,在
15MPa5minScheme1B.
模压压力下保持[()]冷却、脱模后得到表面具有倒金字塔微结构阵列的复制
30mm×30mm×1mmScheme1C.
物[外形尺寸为,()]在与复制物模压的参数相同但模腔上固定表面抛
.
光的铍铜块的条件下,成型相同尺寸的复合材料平整片
10mm×10mm×1mm
从模压成型的复合材料复制物和平整片中各裁出尺寸为的片材,用于制备倒
.Scheme1DPE
金字塔微结构传感器传感器的结构如()所示,各层分别为聚乙烯()保护膜-铜箔(电
PI
极)-复合材料平整片-复合材料复制物-铜箔(电极)-聚酰亚***()基底膜,采用复制物和平整片面对面
.TPU1/
的形式进行封装,铜箔的作用是与复制物和平整片建立电连接并传递电阻信号利用复合材料
SCTPU2/SCSensor1Sensor2.
-和-制备的传感器分别记为-和-
Scheme1Schematicsoffabricationprocessforflexiblesensors

4hSEMPhenomPurePhenom
将复制物置于液氮中浸泡后脆断,采用扫描电子显微镜(;型,荷兰公
.
司)分别观察铍铜合金模板表面和喷金后的复制物表面、脆断面的形貌
Rheograph25Göttfert
采用毛细管流变仪(型,德国公司)测试复合材料的剪切黏度,剪切速率范围

赵凌云等:复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响
10~10s200℃.
为4‒1,测试温度为

通过种方式表征复合材料的柔软性()使用电动拉压力试验机(-型,东莞智取精密仪
10%~50%/
器有限公司)对复合材料进行应变的单循环压缩测试,压缩卸载速度为;()使

用电动拉压力试验机对复合材料进行加载测试,加载速度为,对获得的应力-应变曲线的弹
50%.
性应变区进行拟合,得到复合材料的压缩模量,取应变时对应的应力值为压缩强度测试所使用
5mm×5mm×.
的样品从模压制备的平整片上裁制,尺寸为测试个样品,结果取平均值
MT6514SKeithley.
使用静电计(型,美国公司)测量复合材料的体积电阻测量所使用的样品从模
10mm×10mm×1mm..
压制备的平整片上裁制,尺寸为测量时,将样品夹在两片铜电极之间电导率
S/cm=/Ωcmcm
(s,)使用下式计算:sLRA,其中,R()为平整片的体积电阻;L()和A(2)分别为平整片的厚
.5.
度和其与单个铜电极的接触面积测试个样品,结果取平均值

使用电动拉压力试验机以的速度对传感器施加压力,使用静电计测量传感器在不同压
100S/s.
力作用下的电阻响应,电阻测量采样率为静电计和电动拉压力试验机与一台计算机相连,以
.
记录传感器的电阻响应和所受到的作用力
2结果与讨论
、弹性和电导率
.
图为种复合材料脆断面的照片可见,和较均匀地分布在基体中基体中
SCFCNTCNT
较分散,难以相互搭接构成导电通路,而之间相互搭接构成导电通路的概率较大,且可
-C(A)andTPU2/S-C(B)composites
InsethighlightSCFsurfaces.
:
SCF
起到“桥梁”作用,将相邻连接起来,共
.1SEM
同构成导电通路从图的局部放大照片
1TPUSCF
(图中插图)可见,黏附在表面,两者
KH550SCF
之间没有空隙,这是因为对表面的
SCFTPU22.
改性提高了与基体之间的相容性[]
TPU1/SC
此外,-复合材料内部填料的分布要均
匀些,这与挤出过程中复合材料的剪切黏度有
.22
关图为种复合材料的剪切黏度随剪切速
.TPU1/SC
率的变化曲线可见,-复合材料的剪
切黏度较高,
.twocomposites
高,从而可促进填料的均匀分布
3AB210%~50%.
图()和()为种复合材料在应变下单循环压缩过程中的应力-应变曲线图中加载
2.
曲线与卸载曲线呈现不重合的现象,表明这种复合材料存在迟滞性这是因为:一方面,聚合物的黏
TPU
弹性导致其应变的变化会滞后于应力的变化;另一方面,填料阻碍了分子链的运动,使复合材料

高等学校化学学报
.
的形变恢复较慢单循环压缩过程中的相对迟滞可用来表征材料的柔软性,相对迟滞定义为加载与卸

载曲线包围的面积与加载曲线下方的面积之比[]对图()和()的应力-应变曲线进行积分,计算得
23C.
到种复合材料的相对迟滞[图()]可见,相对迟滞随应变的提高而增加,这是由应变提高使材料

能耗损失增加所致[]在相同应变下,复合材料-的相对迟滞较大,表明其柔软性较好,受压
.3D23E
时易发生形变图()为种复合材料加载过程中的应力-应变曲线,图()为根据该曲线得到的复
.TPU2/
合材料的压缩模量和压缩强度结果可见,-的压缩模量和压缩强度(和)
TPU1/
明显比-(和)的低,进一步表明-的柔软性较好图()示出了
.2SCFCNT
复合材料的电导率可见,种复合材料均表现出较高的导电性,这是因为和具有优异的导电
.TPU1/SC
性,且在复合材料内部搭接构成导电通路此外,-的电导率较高,这可能是因为其内部填料
1A.
分布较均匀[图()]
(A,B),relativehysteresis-straincurves(C),compressionstress-strain
curves(D),compressionmoduliandstrengths(E)andconductivities(F)ofTPU1/S-CandTPU2/
S-Ccomposites
(A)TPU1/S-C;(B)TPU2/S-C.

4ASEM..4B
图()是铍铜合金模板的表面照片可见,模板表面的金字塔排列整齐、尺寸均匀图()
TPU1/SCSEMSEM.
为-复合材料复制物的表面照片,插图为复制物的脆断面照片可见,模压成型较准
-copperalloytemplate(A)andTPU1-1/S-Creplica(B)surfaces
Insetof(B)isSEMimageofcryofracturedreplicasurface.

赵凌云等:复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响
57μm
确地在复合材料表面成型了分布和尺寸均匀的倒金字塔结构,单个倒金字塔的底边长约,顶角
60°.


5A2.
图()为种传感器的电阻随所受压力的变化曲线可见,随着压力的提高,传感器的电阻先明

显降低,然后缓慢降低这是因为传感器的电阻变化来源于复制物和平整片之间的接触电阻(Rc,)和
Ω.
复合材料体电阻(Rb,)的变化对传感器施加压力后,倒金字塔底棱发生形变,传感器内部复制物和
平整片之间由近似线接触转变为面接触,Rc明显降低,并且受压后复合材料的压阻效应使其Rb减小,
故较低压力范围下传感器的电阻随压力提高明显降低;随着压力继续提高,倒金字塔形变趋于饱和,
此时电阻的变化主要由Rb变化所贡献,其变化量较小,故较高压力范围下传感器电阻随压力而降低的
.
幅度较小
(A),relativeresistancechange(B)andrelativeresistancechangeinacompression
cycle(C)versuspressurecurvesfortwoflexiblesensors
灵敏度是传感器的一种重要性能,传感器相对电阻变化量随压力变化曲线的线性区的斜率即为其
kPa‒
灵敏度(S,)[]图()为种传感器的相对电阻变化量随压力的变化曲线,对曲线的线性区进行
~~
拟合,得到-和-的S分别为‒(1)和‒(1)尽管-
Sensor1.
的线性区要比-的窄一些,但其S明显较高
传感器的迟滞性是指压力卸载后其电信号不能恢复到未受压时电信号的现象,一般通过外力加
.
载-卸载循环测试进行表征以的速度对传感器施加逐步提高的压力,每个压力保持,

压力提高到后,以相同的速度相应地降低压力种传感器在一个循环测试中的相对电阻变化

量随压力的变化曲线如图()所示可见,种传感器均存在迟滞现象,这是因为:压力卸载后,倒金
字塔底棱形变恢复和复合材料内部导电网络重构需要一定时间,使形变恢复阶段传感器的Rc和Rb与之
.%
前加载阶段中相同应力时的值相比存在差值一般可用迟滞性系数(γH,)对传感器的迟滞性进行
26
表征[]:
=Δ/×100%(1)
γHLmaxYFS
Δ
式中:Lmax为循环测试中相同应力下传感器相对电阻变化量的最大差值;YFS为循环测试中传感器相对
.5C1Sensor1Sensor2
电阻变化量的最大值根据图()的数据,由式()计算得到传感器-和-的γH分别为
%%.

100ms.
柔性电子设备用传感器要满足快速响应的需求(响应时间<)对传感器施加瞬时载荷以测
.30mm/min220kPa10s
试其响应时间以的加载速度,对种传感器施加的作用力,保持后以相同的速
/
度释放,所得电阻响应曲线如图()和()所示局部放大图显示传感器-和-的响应
70/120ms90/
松弛时间分别为和可见,本文所制备的种传感器都具有快速响应的特性,能满
.
足实际应用的需求
柔性压力传感器在长时间或循环使用下保持输出信号的稳定也是其满足应用需求的重要条件之
.23kPa500s1580/
一对种传感器在峰值压力约下进行(约次)的循环压缩释放测试,得到的相对电阻

高等学校化学学报
(A,B)andrelativeresistance(C,D)versustimecurvesforSensor-1(A,C)
andSensor-2(B,D)

随时间的变化曲线如图()和()所示可见,种传感器相对电阻随时间的变化曲线重复性较好,表
.
现出良好的循环响应稳定性和耐久性

Sensor1Sensor20~
尽管与传感器-相比,-的线性区较窄()、迟滞性系数稍大,但灵敏度明显
.
较高(‒1)下面结合倒金字塔微结构阵列在所受压力下的形变和复合材料的柔软性对此进行
.
解释
7.
图为传感器受压时复制物表面倒金字塔形变的示意图可见,对传感器施加压力前,复制物表
面倒金字塔的底棱与平整片接触,其接触近似为线接触,接触面积较小;施加压力后,从平整片传递到
接触区域的作用力集中在倒金字塔底棱上,底棱发生形变,复制物和平整片之间的接触转变为面接
.
触,接触面积增加,接触电阻显著降低
TPU2/SCTPU1/SC3CESensor2
-复合材料的柔软性较-的高[图()和()],对传感器施加压力时,-的
Sensor2
复制物表面倒金字塔底棱的形变量较大,且复制物和平整片内导电通路增加量较大,因此-的


赵凌云等:复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响
接触电阻和复合材料体电阻的变化量较大,相对电阻变化量随压力的变化较明显,从而呈现较高的灵
.Sensor2
敏度由于-的复制物表面倒金字塔在压力作用下较易发生形变,因此其形变达到饱和时所受
.TPU2/SCSensor2
作用力较小,故其线性区较窄-较高的柔软性使压力卸载后-的接触电阻和复合材料
Sensor2.
体电阻与加载阶段中相同应力时的相比存在较大差值,因此-的迟滞性系数稍大
3结论
2TPU/SCFCNT
采用单螺杆混炼挤出方法制备了种柔软性不同的-复合材料,采用模压成型方法成
型复合材料复制物,其表面上分布有尺寸均匀的倒金字塔微结构阵列;对复合材料复制物和相应的平

整片封装后制备了种柔性压力传感器其中使用-复合材料(柔软性较低)制备的传感器
~%
-的灵敏度较低(‒1),但具有较宽的线性区()、较小的迟滞性系数();使
TPU2/SCSensor20~
用-复合材料(柔软性较高)制备的传感器-虽然线性区较窄()、迟滞性系数稍
%
大(),但其灵敏度明显较高(‒1),这是由于其复制物表面倒金字塔底棱的形变量较大,
.2
且复制物和平整片内导电通路增加量较大,相对电阻变化量随压力的变化较明显种传感器均具有
100ms500s1580/3kPa
快速响应的特性(响应时间<),且能在(约次)循环压缩释放测试(峰值压力约)
中保持较稳定的电阻响应,这是因为倒金字塔底棱在压力作用下的形变可引起传感器内部复制物和平
.
整片之间接触电阻的快速变化复合材料的柔软性会影响倒金字塔底棱的形变,进而影响传感器的灵
.
敏度等性能,这可为调控传感器的性能提供一定的指导
参考文献
—37
[],,,,.,2017,115(),

[],,,2021,42(),(姬少博,陈晓东高等学校化学学报,2021,42(),
1074—1092
)
--
[],,,,,,Sensors,2021,21(),
—331
[],,,2014,17(),
—4488
[],,,,,,.,2016,28(),
.
[],,,,,,,,,,,,,
—10135
,,.,2017,9(),

[],,,,,,SmallMethods,2021,

[],,,:Adv.,2021,263(),
—32813
[],,,,,,ACSOmega,2020,5(),

[],,,,,,,,Sensors,2020,20(),
—5497
[],,,,,,,.,2021,13(),
.
[],,,,,,,,,,.,2019,
3229014—29021
11(),
—6215
[],,,,,,,,,,Nanoscale,2015,7(),

[],,,,,,,,.,2017,9(),
26324
—2276
[],,,,ACSSens.,2019,4(),
.
[],,,,,,,,,,,,NanoEnergy,2020,
1105337
78(),

[],,,,,,,.,2013,4(),
—3631
[],,,,,,,,,,Small,2014,10(),
—5048
[],,,,,,,,,Small,2016,12(),

[],,,,,.,2015,1(),

[],,,.,2019,31(),(熊耀旭,胡友根,朱朋莉化学进展,2019,31(),
800—810
)
—554
[],,,,,,,,.,2019,486(),
—82041
[],,,,RSCAdv.,2015,5(),

[],,,,,,,,.,2020,199(),
.
[],,,,,,,,,.,
10859—864
2010,9(),
—3304
[],,,,ThinSolidFilms,2008,516(),

高等学校化学学报
EffectofFlexibilityofCompositesonPerformancesofSensorswith
Micro-structuredInvertedPyramidArrays†
ZHAOLingyunHUANGHanxiongLUODuyuSUFengchun
,*,,
(LabforMicro/NanoMolding&PolymerRheology,GuangdongProvincialKeyLaboratoryofTechniqueand
EquipmentforMacromolecularAdvancedManufacturing,SouthChinaUniversityofTechnology,
510640
Guangzhou,China)
Twokindsofthermoplasticpolyurethane/shortcarbonfiber/carbonnanotubeTPU/SCFCNTcom-
Abstract(-)

,
withmicrostructuredinvertedpyramidarraysonthesurfacesweremoldedfromthetwocompositeswiththe
-

最近更新

2023幼儿亲子阅读活动方案范本5篇 14页

word模板:可爱卡通小学生旅游小报手抄报Word.. 2页

【水利经济】水利工程对于区域经济发展影响 4页

人事部门七月份工作总结 2页

数值代数方程的求解方法研究 24页

工艺参数优化的方法与实践 30页

塑料制品生产工艺研究 29页

高分子膜基预铺防水卷材 10页

全球化背景下的供应链协同机制研究 31页

拯救地球环境建议书 12页

供应链数据分析与决策优化 29页

优秀写人作文300字 4页

风险收益再匹配下的债市定价新中枢:城投化债.. 9页

五年级下册数学期末测试卷(基础题) 14页

传导过程中的温度均匀性分布规律研究分析 27页

经济师《金融专业》考试题(含答案) 10页

新人教版九年级下册《道德与法治》期末考试卷.. 10页

山西省晋中市榆次区第一中学高一数学文期末试.. 6页

传导型污染物排放与扩散规律的研究与分析 29页

北京市大兴区2022-2023学年毕业升学考试模拟卷.. 17页

人教版数学七年级下册期末测试卷(能力提升) 15页

专业技术人员素质提升与职业能力塑造试题1-5及.. 23页

学校学雷锋月活动情况总结 11页

《体育世界》写字教学反思 25页

《铁矿石行业分析》课件 27页

数字治理与科技创新生态 31页

装饰品中的跨文化美学 32页

云计算与电子支付服务模式的变革 31页

液压凿岩台车培训资料ppt课件 34页

消防维保标准 7页