柔性电极的制备及性能研究

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柔性电极是一类具备导电性和一定弹性形变能力,且在形变状态下仍然能够稳定传递电能的功能材料。其呈现形式多种多样,可根据所需的变形程度、灵敏度、能量密度等参数设计不同的形态,应用于相应的领域。柔性电极的两个重要组成部分为导电相和柔性基底。导电相分散在柔性基底中(或被柔性基底浸润)形成的导电网络提供导电性能,高分子柔性基底形成的交联网络承担主要的机械作用。制备出的柔性电极可在医用传感、能量转换、航空航天等诸多领域有广泛应用。本课题的主要工作是以硅橡胶为柔性基体,加以导电填料,设计并制备与硅橡胶基介电弹性体相配合的柔性电极。所组成的介电弹性体发电机(DEG)工作单元,用于实现人体的机械能与电能之间的转换。在此基础上研究各类电极在力学、电学等性能呈现的规律。要求材料具有高导电性、高导电稳定性、高形变能力以及与DE基体的高结合强度。工作围绕着以下三个方面展开:(1)以液态的双组份高温硫化硅橡胶(HTV)为基体,以超导电炭黑为填料,设计并制备了低模量“三明治”式的DEG工作单元。剖析了生胶产品两个组份的物理参数以及成分和化学结构,并针对其形态和固化方式设计了溶液共混法的具体流程。分析了催化剂的失效机理,并对催化剂采取了保护措施。研究了超导电炭黑添加份数对硫化胶性能的影响。结果显示:渗滤阈值出现在体积分数0.6%~2.4%(约合质量份数1~4份)的区间内。添加4phr超导电炭黑的样品,电导率达到了17 S/m。在经受200%应变后,电导率变化率达到了30%。制备的DEG在0~100%的应变范围内测量的最大电容误差不超过0.02 n F。(2)以半固态甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)为基体,以碳系的零维、一维填料、金属基二维填料为导电载体,制备了多维填料复合硅橡胶电极材料。研究了导电填料的不同添加阶段,材料所呈现的力学、电学性能。第一阶段下,得到了超导电炭黑在MVQ中的逾渗区间为体积分数3.33%~4.92%(约合质量份数8~12份)。首先在添加12phr超导电炭黑的样品形成了导电通路。第二阶段下,添加片状微米银,使导电性能达到了1×10~4 S/m的数量级。第三阶段下,添加2phr高导电碳纳米管的样品,经50%应变回复后的电导率变化率恢复到了18%,经200%应变释放后,材料的电导率为7.5×10~3 S/m。(3)以半固态的Si O2/MVQ母炼胶为基体,以片状微米银为导电填料,制备的高导电/稳定性电极材料。找到了微米银片的最优添加量和最佳分散状态,制备的样品满足了项目要求的所有指标。添加120phr片状微米银的样品,200%拉伸应变后的电导率变化率仅为17.1%,电导率为1.5×10~4 S/m。与DE基体的粘结强度达到了63 N/cm。在此基础上对配方进行了优化,最终确定,A151(乙烯基三乙氧基硅烷)硅烷偶联剂改性的微米银片所制备的样品,在高/低应变回复后的滞后损失最小,分别为46.6%和67.2%,综合性能最佳。
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