石墨烯/热塑性聚氨酯（TPU）导电复合材料的力-电行为研究

Conductive polymer composites (CPCs) have attracted increasing amounts of attention because of their wide range of application and easy fabrication methods. Carbon nanotubes (CNTs) and graphene have been considered as one of the most suitable conductive fillers for the preparation of CPCs because of their large aspect ratio and ultra-high conductivity. In this project, flexible strain sensors will be fabricated using thermoplastic polyurethane (TPU) as polymer matrix and graphene, graphene/CNTs as conductive fillers. The study will pay more attention to mechanical-electrical behavior of graphene/ TPU CPCs, such as the senstive stimuli-response behaviors under extension, compression and cyclic loads. The mechanisms of deformation, destruction and reconstruction of the conductive network will be investigated, and the related mathematical model and numerical calculation methods will be presented. Synergistic effect of CNTs and graphene on Mechanical-electrical behavior of graphene/CNTs/TPU CPCs will be observed. This study will provides a guideline for the preparation of high-performance CPCs strain sensors.

由于易制造和应用广，导电高分子复合材料(Conductive Polymer Composites，CPCs)作为一种功能材料吸引了越来越多研究者的关注，碳纳米管（CNTs）和石墨烯(graphene)，由于具有大比表面积和高导电性，是制备CPCs最适宜的导电填料。本项目以热塑性聚氨酯（TPU）弹性体做为高分子基体，石墨烯(graphene)、石墨烯/CNTs等做为导电填料，制备柔性力敏性的导电高分子复合材料（CPCs），重点研究石墨烯/TPU导电复合材料力学性能和电学性能；单轴拉伸/压缩、循环拉伸下力-电响应机理和电性能的演化行为；拉伸/压缩过程中，导电网络变形、破坏与重构行为、数理模型和数值计算理论；CNTs与石墨烯的协同效应对石墨烯/CNTs/TPU导电纳米复合材料力学性能和力-电响应行为的影响等。本研究将为制备高性能石墨烯/TPU力敏器件提供一定技术路线和理论指导。

近年来，随着可穿戴设备的快速发展，高性能柔性应变传感器的研发受到广泛关注。本项目主要基于导电高分子复合材料优异的可拉伸性、易加工和优异的导电性能，制备了一系列不同维数导电填料（碳纳米管（CNT）和石墨烯（graphene））填充的热塑性聚氨酯（TPU）弹性体的导电复合材料，通过系统研究复合材料在不同导电填料含量、不同应变区间及不用应变速率条件下的力-电传感响应性能，揭示了导电填料维数对材料传感响应性能的影响；通过构建数学模型，深层次的分析了导电高分子复合材料的拉伸敏感响应机理及决定因素。为改进该类材料的力-电传感响应性能，本研究通过将不同维数导电填料连用，利用二者的协同效应构建了有效、稳定的导电网络，有效的解决了传感响应性能不稳定的缺点；另外采用预应变处理的方法也有效的实现了材料内部导电网络结构的调控，获得高效、稳定的响应性能。另一方面，通过在复合材料内部构建互通的多孔结构使其具有质轻、高压缩的优异特性，且在大压缩应变区间（90%）内表现出优异的稳定性、可重复性和耐疲劳性，并揭示了多孔导电复合材料在受压过程中的力-电响应机理；同时研究发现导电填料的维数会影响材料的泡孔结构，实现对材料力-电传感信号的调控；除此之外，以柔性高聚物无纺织物为基体制备了一系列高性能的应变传感器，为该类材料在可穿戴设备中的应用进行了有效的拓展。该研究为高性能的力敏传感器的设计与制备提供了有效的技术路线和理论指导。项目共发表标注资助学术论文72篇，其中SCI论文71篇。获得发明专利3项，毕业博士生3人、毕业硕士生6人。