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聚氨酯/多壁碳纳米管定向微纳纤维丝压敏特性研究

作　者: 黄建业
导　师: 阮晓东；刘伟庭
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 纤维毛传感器 多壁碳纳米管 压阻效应
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


在生物体中,普遍存在着一种类毛发状机械刺激感知系统,我们称之为微纤毛感受器。不同的纤毛感受器,对环境震动、声音震动、微弱接触、生物生存环境中的空气或者水的流动以及重力等等,具有卓越的感知能力。鉴于自然界纤维毛感受器的广泛功用、灵敏的检测能力以及精巧的尺寸,模拟生物微纤毛感知系统的人工微纤毛感知器的研究,近年来已成为了一个研究热点。本文的研究的目的就是要制备出一种高长径比、柔性的、压阻敏感特性优异的人造纤维毛传感器。本研究利用热塑性聚氨酯(TPU)和多壁碳纳米管(MWNTs)采用静电纺丝技术制备了TPU/MWNT复合材料定向微纳纤维丝。纤维丝的定向分布是通过一对平行电极板实现的。TPU/MWNT复合材料膜也被制备出来用以与纤维进行对比实验。通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜等图像观测手段,分析了MWNTs在聚氨酯基体中的分布形态,证实了MWNTs在纤维丝中主要沿其轴向分布,而在膜内随机杂乱分布。并阐述了不同的分布形态对压阻特性的影响。同时,针对电导率的测量和压阻敏感特性的检测,设计了相应的实验方案,搭建了相关的实验平台。通过实验和理论结合的方法,确定了TPU/MWNT复合材料的逾渗阈值,并得到了拉伸应变下电阻与应变的关系曲线,解释了压阻效应的形成机理。探明了TPU/MWNT复合材料表现出最佳敏感特性时,碳纳米管和聚氨酯的掺杂优化比例。最后,对拉伸应变中可能影响TPU/MWNT复合材料纤维丝电阻率变化的各项参数进行了分析,例如：微结构的改变、体积分数的变化、MWNTs分布角度的变化对材料导电性能的影响等等。研究结果显示拉伸应变中纤维丝体积的变化是影响电阻变化的主要原因。在此基础上,结合前人的研究成果,构建了适用于该复合材料纤维丝电阻相对变化量的理论计算模型,能够很好的预测电阻相对变化量随拉伸应变的变化趋势,为理论分析提供了有效的依据。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-12
1 绪论  12-22
  1.1 课题研究的背景  12-15
    1.1.1 动物界纤维毛感受器的作用  12-15
    1.1.2 人造纤维毛感受器研究的意义  15
  1.2 国内外研究现状  15-21
  1.3 本文研究的主要内容  21
  1.4 本章小结  21-22
2 导电高分子复合材料的导电机理及其压阻效应  22-31
  2.1 逾渗理论  22-24
  2.2 导电高分子复合材料的导电机理  24-27
    2.2.1 绝缘区导电机理  25
    2.2.2 逾渗区导电机理  25-26
    2.2.3 导电区导电机理  26-27
  2.3 影响导电高分子复合材料导电性能的因素  27-28
    2.3.1 导电填料的影响  27
    2.3.2 聚合物基体的影响  27-28
    2.3.3 导电填料分散程度的影响  28
  2.4 导电高分子复合材料的压阻效应  28-30
  2.5 本章小结  30-31
3 材料选择、样品制备及性能测试方法  31-54
  3.1 原材料  31-37
    3.1.1 多壁碳纳米管  31-34
    3.1.2 聚氨酯弹性体  34-37
    3.1.3 其他化学试剂  37
  3.2 实验仪器列表  37-38
  3.3 TPU/MWNT复合材料膜的制备  38-42
    3.3.1 MWNTs的分散  38-40
    3.3.2 制备流程  40-42
  3.4 TPU/MWNT复合材料定向微纳纤维丝的制备  42-48
    3.4.1 静电纺丝装置及原理  42-45
    3.4.2 制备流程  45-48
  3.5 性能测试方法  48-52
    3.5.1 电导率测试方法  48-49
    3.5.2 压阻性能测试方法  49-52
  3.6 本章小结  52-54
4 实验结果分析  54-62
  4.1 TPU/MWNT复合材料的逾渗阈值  54-58
    4.1.1 逾渗阈值理论预测  54-56
    4.1.2 逾渗阈值的实验值  56-58
  4.2 TPU/MWNT复合材料膜压阻特性  58-59
  4.3 TPU/MWNT复合材料定向微纳纤维丝压阻特性  59-61
  4.4 本章小结  61-62
5 各参数对纤维丝电阻的影响  62-73
  5.1 微结构的改变  62
  5.2 体积的改变  62-65
  5.3 MWNTs分布角度的改变  65-68
  5.4 MWNTs本身电性质的变化  68-69
  5.5 隧穿效应距离的影响  69-72
  5.6 本章小结  72-73
6 建模分析  73-77
7 总结和展望  77-79
  7.1 研究总结  77
  7.2 展望  77-79
参考文献  79-87

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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