柔性触觉传感器用力敏导电橡胶力学灵敏度研究

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料.研究了基于力敏导电橡胶的柔性触觉传感器灵敏度随复合材料的填料用量,不同种类填料并用而变化的特性.对材料的弹性形变、炭黑和填料并用的网络化进行了分析.通过实验,获得了在不同填料配比下的力敏导电橡胶的横向和纵向力灵敏度,渗流区不同位置下的灵敏度.实验表明,当炭黑(8%)和SiO2(27‰)并用时,复合材料电阻刚好处于渗流区的高阻态端,弹性模量较低,力学灵敏度高.采用体压阻效应与界面压阻效应相结合的方式制作柔性触觉传感器可获得较高力灵敏度.     

多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料压敏元件特性

为研究碳纳米管填充聚合物复合材料的压力敏感特性,将硅橡胶为基体、多壁碳纳米管为填料的复合材料涂覆在印制板基底上,经溶剂挥发成膜,制备出柔顺式复合材料压敏元件。对碳纳米管质量分数1.6%、4.3%、9.3%的元件进行压阻特性测试,在单轴步进压力下实时检测压力和元件电阻。结果表明,压敏元件在0～110N单轴步进压力下表现出正压阻效应,特性曲线的变化区间与碳纳米管质量分数相互对应。提出压阻效应的机理是元件在压力作用下产生变形,导致碳纳米管导电网络发生破坏与重构。扫描电镜分析表明,碳纳米管随机取向分散于硅橡胶基体中,形成1-3型复合结构。该新型复合材料压敏元件可用于开发柔顺式力传感器。     

纳米Si薄膜场发射压力传感器研究

设计研制了一种基于量子隧道效应机制的锥膜一体新结构场发射压力传感器原型器件.测试表明当外加电场为5.6×l05V/m时,器件有效区域发射电流密度可达53.5A/m2,由此可看出低维半导体纳米硅技术有效地引入了微电子和硅微机械加工技术相结合的微机电系统,对提高器件发射效率,改善敏感性能效果是明显的.通过三维实体建模与有限元仿真技术,对器件进行了压力形变计算.结果表明,尖锥体的存在,对敏感弹性薄膜在额定压力作用下的最大挠度影响小于0.4%,锥膜一体结构设计是合理的.     

等离子体处理对炭黑/硅橡胶压阻特性的影响

利用等离子体对炭黑进行表面处理,比较不同气体等离子体处理前后炭黑/硅橡胶的压阻性能.试验表明,炭黑经氩气等离子体处理后,所制备的试样电阻减小；而经氮气等离子体处理后,试样的电阻增大,同时提高了电阻的变化范围.原子力显微镜(AFM)测试表明,等离子体处理后的炭黑表面产生明显的凹凸；由扫描电子显微镜(SEM)图像可知,炭黑在硅橡胶中的粒径较小,分散较均匀,这些均有利于提高炭黑/硅橡胶压阻灵敏性.等离子体处理对于发黑/硅橡胶的压阻重复性和迟滞性能等影响不大.     

基于炭黑填充导电橡胶的温度传感器工作原理

文章给出了炭黑填充导电橡胶(导电炭黑/橡胶)的"正电阻-温度系数"(positive temperature coefficient of resistance,PTCR)近似计算方程;采用该方程并结合形变和电阻率对PTCR效应的影响程度,分析了温度敏感导电炭黑/橡胶的工作原理。结果表明:基体的体积膨胀导致炭黑体积分数被稀释的过程对PTCR效应存在重要影响,基体的体积膨胀导致材料几何外形的改变对PTCR效应无显著影响;此外,当导电炭黑/橡胶分别用于温度传感和压力传感时,其工作原理不同,用于温度传感时,其工作原理仅为炭黑填料体积分数的被稀释而导致的材料电阻率的变化。     

共轭聚合物MDMO-PPV的压阻效应研究

本文使用纳米压痕技术测试了聚[2-甲氧基-5-(3′,7′-二甲基辛氧基)-1,4-苯乙炔](MDMO-PPV)的机械性能,发现MDMO-PPV薄膜的杨氏模量与测试时的最大载荷相关.当载荷撤去后,在薄膜上有一个可以通过预压除去的残余形变.预压处理后,薄膜表现出良好的弹性.我们还制备了ITO\MDMO-PPV(80nm)\Al(75nm)结构的压阻器件,测试了在不同压力下的J-V特性曲线.在电压小于1V时,器件的电流传输机制在不同外加压力下均呈现欧姆定律机制;而在电压2~5V范围内,随外加压力增大,电流传输呈现陷阱电荷传输机制(TCLC)和欧姆定律机制共同作用,并逐渐转变为欧姆定律机制.器件在工作电压为1.5V时压阻系数最大,达到3.92×10-2 Pa-1.最后我们对外加压力如何影响器件电流的传输提出了一种可能的机理解释.     

硅橡胶导电复合材料电性能的DC/AC测试

对炭黑-碳纤维硅橡胶导电复合材料的伏-安特性进行了DC/AC测试.测试结果表明:该种导电复合材料具有非欧姆特性,电压与电流之间具有非线性关系.交流测试情况下,当交流电激励频率变化较小时,输出电流基本不受影响;而当频率变化较大时,输出电流发生了较明显变化,电流随着频率的增大逐渐增大.由此可知试样的电阻抗随着交流频率的增大而不断减小.在炭黑-碳纤维硅橡胶导电复合材料的导电体系中,隧道导电(电容阻抗)与搭接/接触导电(电阻阻抗)同时存在,隧道电流是非欧姆特性及频率增大时阻抗减小的主要原因.结果分析表明:对该类导电复合材料进行电阻(抗)测试时,需了解所使用测试仪器的激励电源模式.     

介观压阻效应在微型传感器中的应用研究

对运用共振隧穿双势垒（DBRT）结构中的一种压阻效应原理——介观压阻效应,用GaAs/AlAs/InGaAs DBRT结构薄膜作为敏感元件,设计了一个周边固支平膜片结构的压力传感器.通过分析、模拟、计算和试验测试得到了它的参数,并对介观压阻灵敏度和压阻灵敏度的量级作出了比较,验证了介观压阻效应原理可以提高压力传感器的灵敏度的可行性,为制造出基于介观压阻效应的新型超敏感型传感器提供了一定的理论依据.     

铜纳米颗粒对氧化铪/氧化锌双介质层阻变特性的影响

通过微电子加工工艺制备了具有Ti/HfO_x:Cu NPs/ZnO/ITO结构的阻变存储器,研究铜纳米颗粒对器件阻变性能的影响. 研究表明,铜纳米颗粒不仅使器件操作电压减小、并且更加均一,而且增大了器件高低阻态的电阻值比（开关比）,高、低阻态电阻值更加稳定,表现出优异的耐擦写特性. 纳米颗粒的引入还使低阻态的导电由普尔-法兰克发射机制主导转变为欧姆导电细丝主导. 进一步研究发现,纳米颗粒增强了局部电场,不仅保证了较小电压下可产生更多的氧空位,还限定了导电细丝的位置. 此外,铜纳米颗粒有利于降低器件操作电压并提高其均一性,有助于提高阻态电阻值的稳定性.     

硅四端横向压阻式压力传感器的解析模型

用摄动法求解了硅横向压阻效应四端器件的偏微分方程.用渐近解的分析方法对所求到的解进行简化,导出了硅横向压阻效应四端压力传感器的输出电压表达式.所得公式能够定量表达输出电压与输入参量和器件几何参数的关系,所得到结果与数值解和实验结果吻合.     

碳黑填充橡胶的动态力学表征

用动态热分析技术研究了碳黑填充橡胶在高应变与低应变下的动态粘弹行为，并考察了应变史对填充橡胶力学性能的影响。     

纳米炭黑对镉胁迫下黑麦草种子萌发和幼苗生长的影响

采用水培方法,分别进行了镉胁迫、纳米炭黑与镉共同作用下黑麦草种子的萌发实验,并应用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对黑麦草幼苗体内的镉含量进行测定。镉溶液浓度低于50 mg/L时对发芽率和发芽指数表现为促进作用,而镉溶液浓度高于50 mg/L则为抑制作用。对幼苗的根长、芽长和种子的活力指数表现为典型的Hormesis效应,在溶液镉浓度为5 mg/L时促进作用最为明显。添加定量纳米炭黑后,在较低镉浓度下(≤10 mg/L)可明显提高黑麦草种子的发芽力,其他种子萌发指标均高于未加入纳米炭黑的各项处理组,且趋势相同。ICP-MS测定结果显示,幼苗体内镉含量随镉浓度增加而增加,在溶液镉浓度小于100 mg/L时,添加纳米炭黑的处理组幼苗体内镉含量低于未添加纳米炭黑的处理组,这说明纳米炭黑对镉有一定的钝化作用,可阻碍幼苗对镉的吸收,降低体内镉含量。     

碳纳米管束与炭黑并用对天然橡胶导热性能和动态力学性能的影响

研究不同长径比的多壁阵列碳纳米管束（carbon nanotube bundles,CNTBs）非等量替代炭黑N234并用的填料增强体系对天然橡胶（NR）导热性能和动态力学性能的影响。利用非线性拟合分析CNTBs管径与CNTBs/N234并用NR复合材料热导率的关系,发现随着CNTBs管径的减小和用量的提高,复合材料导热性能逐步提高。通过表征CNTBs在橡胶基体中形成的填料网络,发现CNTBs长径比增大和用量提高会导致杂化填料的分散效果下降即出现Payne效应,使复合材料在动态工况下损耗增大,60℃下7%应变的tanδ和疲劳温升出现增加。此外,添加长径比更大的CNTBs能提升材料的抗湿滑性能,提高玻璃化转变温度,但对磨耗性能有不利影响,CNTBs添加量为6 phr（相对于每100份以质量计量的橡胶添加的份数）时材料的磨耗体积显著增大。     

导电硅橡胶的线性电阻特性研究

研制了炭黑填充的线性导电硅橡胶，对炭黑填充的导电硅橡胶的电阻随炭黑含量变化及其线性特性进行了详细的研究，确定了最佳的炭黑含量，同时对其导电机理及实验结果作出比较合理的理论模型解释。     

纳米碳在甲状腺癌手术中对甲状旁腺辨认保护的临床研究

目的探讨纳米碳在甲状腺癌手术时对甲状旁腺的保护作用.方法将173例甲状腺乳头状癌患者随机分为实验组与对照组,实验组于甲状腺内注射纳米碳混悬液,10 min后待中央区黑染后再行清扫术,对照组按传统手术方式行甲状腺切除术.统计两组清扫组织中淋巴结数量、转移淋巴结数量及甲状旁腺数量.结果实验组与对照组在清扫淋巴结数目、清扫转移淋巴结数目及甲状旁腺误切数目上差异具有统计学意义.纳米碳使中央区淋巴结黑染,而甲状旁腺不黑染,且在黑染组织中均未发现甲状旁腺.结论纳米碳示踪效果确切,而且甲状旁腺不黑染,可达到既彻底清扫淋巴结同时又使甲状旁腺易于识别和保护的目的.     

CB/SiO2并用填充国产溶聚丁苯橡胶的动态性能

使用橡胶加工分析仪（RPA2000）和动态热机械分析仪（DMA）分析了不同比例炭黑与白炭黑填充溶聚丁苯胶料,在不同扫描条件下的动态黏弹性能.结果表明,在1次应变扫描过程中,随炭黑配比增加,弹性模量（G’）逐渐降低,偶联剂（Si69）作用减小;2次应变扫描发现,随着与1次应变扫描时间间隔增加,应力软化减弱,并在添加偶联剂后,应力软化效应趋于一致;通过连续3次应变扫描,发现填料网络结构并不是造成“Payne”效应的唯一因素;通过温度扫描,发现随温度升高,混炼胶损耗因子升高,硫化胶则下降;频率扫描时,发现未添加偶联剂且白炭黑比例最高的硫化胶出现明显“第二平台”,填料分散性最差,弹性模量最高.     

活性硅酸钙填充丁苯橡胶复合材料性能研究

以活性硅酸钙、炭黑、白炭黑为原材料,使用硅烷偶联剂对其进行改性,采用熔融共混法制备丁苯橡胶复合材料,研究了改性剂种类、添加量、硅酸钙填充量、与炭黑、白炭黑配合比例对丁苯橡胶复合材料硫化性能、力学性能的影响.研究表明：添加硅酸钙后,复合材料的硫化性能得到优化;在与白炭黑或炭黑配合填充时,可明显缩短硫化时间、降低最小扭矩,提高了胶料的压延性能和生产效率;在低拉伸率范围内,硅酸钙表现出优异的补强性能,可替代或部分替代昂贵的炭黑、白炭黑等传统填料,以降低橡胶制品的经济成本.     

改性白炭黑与炭黑协同增强天然橡胶复合材料

为了改善填料的分散性,采用离子液体1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑(AMI)改性白炭黑(SiO_2),并制备改性白炭黑/炭黑/天然橡胶复合材料,通过傅里叶红外光谱(FT-IR),扫描电镜(SEM),动态力学分析仪(DMA),热失重分析仪(TGA)等分析方法,研究AMI改性对白炭黑/炭黑/天然橡胶复合材料微观结构、力学性能、动态力学性能的影响。结果表明:经AMI改性后,白炭黑粒子间的相互作用减小,团聚倾向减弱,且与炭黑并用后在橡胶复合材料基体中的分散性改善,弥散效应和界面作用增强,改性复合材料的硫化反应活化能降低,综合力学性能提高。此外,离子液体用量的提高有助于复合材料分子链有序性的增加,使复合材料的热稳定性增强。可见改性白炭黑与炭黑并用对橡胶有很好的补强效果。     

炭黑／橡胶涂层复合材料导电性能的研究

本研究了橡胶／炭黑复合材料体系的导电性能。实验指出，其电阻率随温度的变化呈不同强度的正温度系数（ＰＴＣ）效应，讨论了不同炭黑粒子填充率，橡胶基体的性质，炭黑的结构及表面性质，加工工艺和硫化条件等对室温电阻率及ＰＴＣ效应的影响。     

填充补强剂在橡胶基质中分散状态的研究

将透射电子显微镜 (TEM)与扫描电子显微镜 (SEM )结合在一起, 系统观察了氧化锌、碳酸钙、陶土、粘土、炭黑、白炭黑等填料在丁苯橡胶中的分散状态,也考察了粘土 /橡胶纳米复合材料中粘土晶层的分散情况。发现各种填充补强剂在橡胶中均存在着几种层次的分散结构,混炼过程会进一步粉碎粒子,粉碎程度的大小依赖于分散相的内聚强度和结构特征。直接混炼也会造成粘土晶层一定程度的剥离,从而在基质中产生一些纳米尺度的分散质。大多数纳米复合材料包括原位聚合制备的纳米复合材料中,分散相都存在着一定程度的聚集体,不可能达到理想的均匀的分散,含量越高,聚集体数目越多。分散相的界定依赖现有仪器的分辨率。据此,也重新给出了纳米复合材料的定义:只要在某一分辨率下,分散相粒子的尺寸至少应有一维≤100nm,同时其质量分数或体积分数应达到 80 %以上。并认为炭黑和白炭黑增强的橡胶均属于纳米复合材料。