聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备及力敏特性研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．23(2014)237306碳纳米管／聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备及力敏特性研究术安萍郭浩陈萌赵苗苗杨江涛刘俊十薛晨阳唐军{『中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)(中北大学，电子测试技术国家重点实验室，太原030051)(2014年6月15日收到；2014年8月9日收到修改稿)针对传感器的敏感单元发展需求，提出了一种碳纳米管复合材料．该材料是以碳纳米管作为填充粒子，结合聚二甲基硅氧烷fPDMS1有机基体，采用超声共混方法制备的一种新型传感器敏感元件

2、．详细分析研究了复合材料的制备工艺参数，以及在不同工艺参数下该复合材料的力敏特性．扫描电镜测试表明碳纳米管在PDMS中分散均匀且镶嵌良好．通过对不同体积分数的碳纳米管与PDMS复合材料进行电学性能测试，研究薄膜的“力一电阻”和“力一电容”耦合性能，测试了薄膜结构的力敏效应．计算得到复合薄膜材料的压阻灵敏度因子达到40，压电容灵敏度因子达到70．实验研究表明，通过改变碳纳米管与PDMS的比例，可以很好地调节其电子输运特性以及电阻和电容的应力敏感特性，可以为该类型的力敏材料在不同的力敏传感技术领域提供新的研究思路．关键词：碳纳米管，

3、聚二甲基硅氧烷复合材料，力敏传感，高灵敏度PACS：73．63．Fg，62．23．St，81．07．De，82．35．NpDOh10．7498／aps．63．237306有良好的耐腐蚀、黏性可控特性，为常见的复合薄1引言膜有机基质[，引．结合CNT和PDMS材料的特性，有望开发一种新型的应变片式力敏传感结构．力敏传感技术在航空航天、地质探险、医疗机以CNT和PDMS材料混合制备成的复合薄膜械等生活、生产的各个领域都有着广泛的应用需求．已被验证具有良好的压阻敏感特性【7J_然而，研究力敏传感是通过拉伸或弯曲应变片，对应变片产生中我

4、们发现，该复合薄膜不仅有“力一电阻”敏感特弹性形变来实现对试件表面力学信息采集标定．应性，而且也有“力一电容”敏感特性．结合两种敏感变片通常贴于弹性敏感体上【，]或是粘贴到被测试机理的优点进行同步测量，可以实现两种测试方法件的表面[3】1因此，通常要求应变片具有良好的可的互补，进而提高力敏检测精度．拉伸性、可靠性及粘连性．因此，实验中我们结合CNT和PDMS的材料碳纳米管fCNT)具有优异的力学、电学、热导性能，且结构稳定、韧性强，是一种高灵敏的力学敏特性制备了不同密度的应变片式复合薄膜，研究了感材料，压阻灵敏度因子高达2900

5、[4-6]，是新一代不同浓度下复合薄膜的“力一电阻”和“力一电容”特的力敏传感材料．而聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一性，该结构的压阻灵敏度因子达到40，压电容灵敏种成本低、可拉伸、易制备的高分子聚合物材料，具度因子达到70，具有高的力敏感特性，使得该复合国家自然科学基金国家基础科学人才培养基金(批准号：91123016)、国家自然科学基金(批准号：61171056)、国家自然科学基金青年基金(批准号：51105345)、国家重点基础研究发展计划(批准号：2012CB723404)、国家杰出青年科学基金(批准号：51225504)

6、和山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助的课题．十通讯作者．E—mail：liuj@nuc．edu．cn{通讯作者．E—mail：tarLgJun@nuc．edu．cn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wulixb．hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．23(2014)237306均匀地分散在PDMS基质中，且镶嵌在PDMS中，表现出半导体特性，且该区域复合薄膜的压阻特性制备的复合薄膜材料均匀性良好．图1fa)为CNT最好；当CNT体积分数大于3％时

7、，复合薄膜的电体积分数为0．5％的复合薄膜材料的SEM图像，由导率变化平缓，该区域称为饱和区，复合薄膜表现图1fa)可知，由于CNT体积分数较小，彼此之间为导体特性，电导率最大约为4s．cm时，复合薄并没有互相连接，间距较大，没有形成导电网络．膜内CNT之间形成导电网络，能够导电，因此具有随着CNT体积分数的增加，CNT彼此间的距离导体特性．在减小，如图1(b)所示．继续增大CNT的体积分3．2．2复合薄膜的介电常数数，CNT彼此间的距离进一步减小，发生连接，如介电常数是材料电容量特性的指标，在定温定图1(C)所示，可以观察到C

8、NT在比较集中的区域频条件下，介电常数越大，表明材料的电容量越大．形成大量导电网络，同样在复合薄膜内部也可形成图3为复合薄膜介电常数随CNT体积分数的导电网络．变化．随CNT含量的增加，复合薄膜的介电常数先缓慢变化，然后迅速增大，最后饱和，类似于电3．2复合薄膜