基于SEBS和低维纳米材料的柔性应变传感器制备及特性研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wanwan1985
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随着柔性应变传感器的高速发展,越来越多的人开始对柔性传感器特别是高弹性的应变传感器提出了更多的要求。对于柔性应变传感器,提高传感器的检测范围通常有改变敏感单元材料、提高基底的可拉伸性能以及改变传感器外形几何结构等方法。本文旨在扩大传感器的可拉伸范围,并在大范围拉伸条件下提高传感器的应变系数。鉴于热塑性弹性体styrene ethylene butylene styrene(SEBS)是一种弹性大以及环保等特点,本工作采用SEBS与液体石蜡共混加热的方式进行制备弹性基底。并通过改变反应物质量比制备出7个柔性基底样品,应力应变性能测试结果表明质量比1:3得到的弹性体韧性与一致性较好,且通过实验证明了该基底对敏感材料良好的粘附性。采用碳纳米管(CNT)、石墨烯(Graphene)和富勒烯(Fullerene)的混合物作敏感单元材料,制备了CNT/graphene/fullerene-SEBS柔性应变传感器。为了进一步提高传感器的拉伸性及一致性,采用共混加热的方式,将敏感单元材料CNT/Ag flakes与SEBS和液体石蜡相混合,通过改变反应容器实现了可塑形传感器的制备。具体研究内容如下:(1)通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察到CNT/graphene/fullerene-SEBS柔性应变传感器敏感单元材料紧密排列,且敏感单元材料与柔性基底紧密粘合。伏安特性结果表明基于CNT、CNT/graphene和CNT/graphene/fullerene的柔性传感器电导率分别为1.684 S/m、2.932 S/m和、5.179 S/m,结果说明了graphene的良好电导性和Fullerene的电桥作用。基于CNT传感器的拉伸范围可达120%,应变系数(Gauge Factor,GF)为86。当Graphene加入到敏感单元材料体系中,基于CNT/graphene传感器拉伸范围保持在120%的情况下应变系数上升到148,体现了Graphene良好的层间滑动特性和裂缝传播机制。当Fullerene添加到CNT/graphene中时,Fullerene的润滑特性缓解了Graphene的裂缝扩张,导致基于CNT/graphene/fullerene传感器在应变系数降为15的情况下传感范围提升到203%以及136%(R2=0.998)的线性范围,因此三种碳材料的共同作用可以导致敏感单元材料在发生大的应变条件下不发生断裂。通过对传感器进行不同速率、不同应变拉伸条件下的对比,证明出传感器在不同速率不同应变条件下的可重复特性以及长期的抗疲劳特性。(2)通过能谱分析(EDS)mapping以及SEM的表征,确定了CNT/Ag flakes&SEBS柔性应变传感器的组成成分、敏感材料分散性。对基于CNT/Ag 2:1,CNT/Ag 4:1,CNT/Ag1:0 and CNT/graphene 4:1四组成分的传感器进行应变特性测试,由于碳纳米管导电通路作用和银纳米片片状结构以及较小填充体积的特点,实现结果表明基于CNT/Ag 4:1传感器体现出较优异的传感特性,实现了范围为540%,应变系数为5.197的应变检测。3mm/s、5 mm/s和7 mm/s三个速率下柔性传感器在50%、100%和150%应变条件下的循环测试结果说明传感器表现较好地重复性,并且随着应变的提高电阻变化率随之增长,体现出良好的速率适应特性和应变电阻依赖关系。通过3600s时长下的循环测试证明了传感器保持几乎相同的电阻变化规律,即传感器表现出良好的抗疲劳特性。利用该方法制备出环形应变传感器,实现实时测量不同应用场景的电阻变化,如横截面测量、手腕弯曲测量、密封圈测量以及气球充气等,实验结果说明该传感器具有潜在的应用价值。
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