石墨烯/熱塑性聚氨酯(TPU)導電複合材料的力-電行為研究

《石墨烯/熱塑性聚氨酯（TPU）導電複合材料的力-電行為研究》是依託鄭州大學，由劉春太擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯/熱塑性聚氨酯(TPU)導電複合材料的力-電行為研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉春太
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

由於易製造和套用廣，導電高分子複合材料(Conductive Polymer Composites，CPCs)作為一種功能材料吸引了越來越多研究者的關注，碳納米管（CNTs）和石墨烯(graphene)，由於具有大比表面積和高導電性，是製備CPCs最適宜的導電填料。本項目以熱塑性聚氨酯（TPU）彈性體做為高分子基體，石墨烯(graphene)、石墨烯/CNTs等做為導電填料，製備柔性力敏性的導電高分子複合材料（CPCs），重點研究石墨烯/TPU導電複合材料力學性能和電學性能；單軸拉伸/壓縮、循環拉伸下力-電回響機理和電性能的演化行為；拉伸/壓縮過程中，導電網路變形、破壞與重構行為、數理模型和數值計算理論；CNTs與石墨烯的協同效應對石墨烯/CNTs/TPU導電納米複合材料力學性能和力-電回響行為的影響等。本研究將為製備高性能石墨烯/TPU力敏器件提供一定技術路線和理論指導。

結題摘要

近年來，隨著可穿戴設備的快速發展，高性能柔性應變感測器的研發受到廣泛關注。本項目主要基於導電高分子複合材料優異的可拉伸性、易加工和優異的導電性能，製備了一系列不同維數導電填料（碳納米管（CNT）和石墨烯（graphene））填充的熱塑性聚氨酯（TPU）彈性體的導電複合材料，通過系統研究複合材料在不同導電填料含量、不同應變區間及不用應變速率條件下的力-電感測回響性能，揭示了導電填料維數對材料感測回響性能的影響；通過構建數學模型，深層次的分析了導電高分子複合材料的拉伸敏感回響機理及決定因素。為改進該類材料的力-電感測回響性能，本研究通過將不同維數導電填料連用，利用二者的協同效應構建了有效、穩定的導電網路，有效的解決了感測回響性能不穩定的缺點；另外採用預應變處理的方法也有效的實現了材料內部導電網路結構的調控，獲得高效、穩定的回響性能。另一方面，通過在複合材料內部構建互通的多孔結構使其具有質輕、高壓縮的優異特性，且在大壓縮應變區間（90%）內表現出優異的穩定性、可重複性和耐疲勞性，並揭示了多孔導電複合材料在受壓過程中的力-電回響機理；同時研究發現導電填料的維數會影響材料的泡孔結構，實現對材料力-電感測信號的調控；除此之外，以柔性高聚物無紡織物為基體製備了一系列高性能的應變感測器，為該類材料在可穿戴設備中的套用進行了有效的拓展。該研究為高性能的力敏感測器的設計與製備提供了有效的技術路線和理論指導。項目共發表標註資助學術論文81篇，其中SCI論文79篇。獲得發明專利12項，畢業博士生5人、畢業碩士生19人。