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碳纳米管/聚二甲基硅氧烷柔性导电复合薄膜的制备及力学性能研究

范文

吴迪　肖柱　龚深

摘要：本文制备了碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（CNT/PDMS）柔性导电复合薄膜，并研究了CNT含量及固化温度对CNT/PDMS复合薄膜力学性能的影响。结果表明，所制备CNT/PDMS复合薄膜在应变20%内为弹性变形，增加CNT含量以及提高固化温度可以增加复合薄膜的弹性模量及抗拉强度，但断裂延长率有所下降。因此，选择合理的固化温度是优化材料综合性能的有效手段。

关键词：碳纳米管;导电复合材料;固化温度

碳纳米管（CNT）具有优异的力学、电学性能，且结构稳定、韧性强，是优秀的导电材料和力敏传感材料。受益于其优越的性能，碳纳米管导电复合材料在微电子器件、传感器等众多领域有着非常光明的应用前景。[1-3]

1 实验部分

1.1 实验过程

本实验选取的聚合物基体材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），根据PDMS的固化特性，其固化温度为25～150 ℃，在65 ℃固化需4小时，温度越高固化所需时间越短。本实验选取的固化温度分别为65、80、100、120、150 ℃，固化时间为4小时。

样品制备过程如下：首先，配制CNT质量比为3%、4%、5%、6%、7%的CNT/PDMS混合液，在公自转真空搅拌脱泡机中充分搅拌脱泡，以实现CNT的均匀分散。然后量取相同体积的混合液放入到模具中，在真空干燥箱中加热固化4小时后随炉冷却，脱模后得到所需试验样品。采用相同的工艺得到纯PDMS样品。

1.2 测试与表征

样品的微观形貌采用扫描电镜（SEM，Nova NanoSEM230）观察。将需要观察的样品进行制样，用刀沿垂直于表面的方向切断样品，然后对样品断面进行喷金处理，在扫描电镜下观察CNT在样品中的分散和分布情况。

力学性能测试。拉伸使用的是宝大仪器有限公司生产的拉力试验机（PT-1197D）。使用冲片机将样品剪裁为长为5 cm宽为0.5 cm的长条形试样，每个状态制备5个试样，记录分别应变5%，10%，15%，20%时所对应的拉伸曲线，测试结果取5个试样的平均值。

电阻测试。实验使用四探针法测量样品的静态电阻，仪器为美国Keithley公司多功能电源电表（2450型），在圆形样品半中位置取5个点测量，最后取5个点的平均值。

2 结果与讨论

2.1 微观结构

图1（a）为原始CNT的形貌，图1（b）（c）（d）为CNT/PDMS薄膜截面的SEM图像。从图中可以看出CNT较为均匀的分散在PDMS中，无明显团聚现象。图1（b）为3%CNT/PDMS薄膜，可以看出CNT含量较小，彼此间形成连通的网络较少。图1（c）为5%CNT/PDMS薄膜，与图1（b）相比，CNT含量明显增多。图1（d）为7%CNT/PDMS薄膜，CNT的含量大大增加，在CNT聚集的区域管子之间彼此接触，导电通路相互连接形成导电网络。

图1 不同含量CNT/PDMS薄膜截面的SEM图像（a）原始CNT;（b）3%;（c）5%;（d）7%

2.2 拉伸曲线

图2（a）为在120 ℃固化时不同含量CNT/PDMS复合薄膜的拉伸曲线。由图可知，在同一固化温度下，CNT含量越高，薄膜的抗拉强度越大，与此同时，断裂延长率也随之下降。图2（b）为7% CNT/PDMS复合薄膜在不同温度下固化后的拉伸曲线。可以看出，在同一CNT含量下，随着固化温度的升高，薄膜的抗拉强度增大，断裂延长率下降。

（a）（b）

图2 （a）120 ℃固化时不同含量CNT/PDMS拉伸曲线;（b）7%CNT/PDMS复合薄膜不同固化温度的拉伸曲线

2.3 固化溫度对力学性能的影响

图3为不同固化温度下各含量CNT/PDMS复合薄膜的应力应变曲线。图3（a）为纯PDMS在120 ℃固化时的应力应变曲线，在应变5%、10%、15%、20%时的曲线基本重合，多次卸载后的拉伸曲线与首次拉伸曲线也基本重合，可知在应变20%内薄膜发生的是弹性变形。图3（b）（c）（d）分别为0%、3%、7% CNT/PDMS复合薄膜在不同温度固化后得到样品的应力应变曲线，可以看出，在同一含量下，固化温度越高，应力应变曲线上移，即提高固化温度可以提高复合薄膜的弹性模量。

（a）（b）

（c）（d）

图3 不同固化温度下各含量CNT/PDMS复合薄膜的应力应变曲线（a）0% 120℃;（b）0%;（c）3%;（d）7%

3 结论

CNT/PDMS复合薄膜在应变20%内基本为弹性变形，在同一固化温度下，CNT含量越高，复合薄膜的弹性模量和抗拉强度越大，与此同时，断裂延长率也随之下降。在同一CNT含量下，随着固化温度的升高，薄膜的抗拉强度增大，断裂延长率下降。

参考文献：

[1]龚文化，曾黎明.聚合物基导电复合材料研究进展[J].化工新型材料，2002，30（4）：38-40.

[2]郑林宝，王延相，陈纪强，等.CF-CNTs 多尺度增强体的制备及CF-CNTs/环氧树脂复合材料力学性能[J].复合材料学报，2017，34（11）：2428-2436.

[3]安萍，郭浩，陈萌，等.碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备及力敏特性研究[J].物理学报，2014，23：322-327.

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