碳纳米管/聚二甲基硅氧烷弹性电热复合材料的性能及应用研究

来源 :东华大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:inspisee1999
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电热复合材料是一种能够进行高效电热转化的功能性复合材料,在军事、工业、交通、农牧业、医疗、民用等诸多领域具有广阔的应用价值。如今,能够智能控温的柔性电热复合材料,特别是弹性电热复合材料正成为新型功能材料中的热门研究对象。然而,目前的电热复合材料在实际使用过程中仍普遍存在着控温性能差、易老化、弹性差、拉伸等变形条件下的电热稳定性差等问题。因此,研究和开发高性能电热复合材料不仅具有重要的科学研究意义,更具有实际应用价值。碳纳米管(Carbon nanotube,简称CNT)膜作为一种具有自支撑结构的高导电、导热材料,有助于提高电热复合材料的电热转换效率,然而其断裂伸长率较低,而且极其轻薄柔软,在实际应用中容易被破坏;本文将其与高弹性的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,简称PDMS)膜通过预拉伸-粘合-回缩的新型制备方法进行复合,实现了复合材料的高弹性以及高电热转换效率。然后对其表面形态以及力学、电学、电热等性能进行了表征与分析,并对其在智能纺织品领域中的应用进行了探究。首先,对原材料CNT膜以及高聚物PDMS膜的基本性能参数进行表征,并制备CNT/PDMS电热复合材料。结果表明,浮动化学气相沉积法制得的CNT膜的电导率高达715±72.9 S/cm,断裂伸长率约17%-22%;将断裂伸长率高达287.9%的PDMS膜沿长度方向预拉伸一定的倍数,然后将上下两面均涂有粘合剂的CNT膜平铺在预拉伸的PDMS膜上,通过高温固化成型,最后释放施加在PDMS上的预拉伸张力,从而制得CNT/PDMS电热复合材料。其次,采用扫描电子显微镜、单纤强力拉伸仪、两探针数字万用表对CNT/PDMS电热复合材料的表面形态结构、力学、拉伸断裂过程以及循环拉伸过程下的电学性能变化进行了表征与分析。结果显示,预拉伸50%(拉伸应变为50%)制备的电热复合材料表面形成了方向相同的屈曲褶皱结构,使得其在40%拉伸应变内的电阻几乎不发生变化,在40%应变下循环拉伸100次后的电阻变化率低于0.2%,在50%拉伸应变内的电阻变化率不到2%,而不预拉伸法制备的CNT/PDMS电热复合材料的断裂伸长率仅有约30%。因此预拉伸-粘合-回缩方法有效地提高了复合材料的弹性及拉伸电阻稳定性,为其拉伸过程中的电热稳定性奠定了基础。再次,采用远红外热像仪对CNT/PDMS弹性电热复合材料在不同外加电压下的电热性能以及拉伸、弯曲、扭转等大变形状态下的电热性能进行了系统性研究。结果显示,CNT/PDMS弹性电热复合材料在200℃以内的温度可以通过电压精确调控,其温度响应时间约为50.6秒,电热转换效率(hr+c)为2.788 mW/℃;在拉伸40%,弯曲(曲率半径为1.65mm)以及定伸长和定张力扭转900°(捻度TPM为62.5)等大变形条件下,其温度几乎不发生变化(温度最大下降4.8%),表现为良好的弹性及电热稳定性。与文献中分散CNT电热复合材料相比,其在提高弹性的同时仍可以达到较高的电热转换效率。最后,探究了CNT/PDMS弹性电热复合材料在智能可穿戴方向的应用及其在实际应用中不可不考虑的耐老化性能。采用8条CNT/PDMS弹性电热复合材料相互交织而成的四经四纬“电热织物”在30%以内的拉伸应变条件下发热均匀稳定(最高稳态温度仅下降了4%);将一条CNT/PDMS弹性电热复合材料粘结在橡胶手套上,探究其在手指实际循环弯曲过程的温度变化,结果显示,其温度在弯曲状态下最大下降约20%,但是当手指恢复至伸直状态时,其温度又恢复至最初的温度,显示出其智能可穿戴、弹性智能控温等领域的应用潜力;采用高温长期老化、高低温交替循环老化这两种老化模式测试其耐老化性能,结果表明:150℃内,复合膜在这两种老化模式下均具有较好的电热稳定性;同样是200℃老化12小时,高低温交替循环老化模式比高温长期老化模式对复合材料的影响较大,因此在电热复合材料的实际应用中,需要考虑高低温交替情况对其性能的影响。
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