交流电作用下纳米复合材料压力传感器的力-电耦合特性研究

Nanomaterials such as carbon nanotube, graphene and carbon nanofibre etc. have outstanding intrinsic mechanical, thermal and electrical properties. Researches on the fabrication of structural and functional nanocomposites with the use of these nanofillers have attracted much attention recently. Based on the existing research achievement on the mechanical, electrical properties of nanocomposites, the proposed project aims to investigate the strain dependent dielectrical properties of CNT/polymer nanocomposites under alternating current, by experimental, theoretical and numerical methods, to design and fabricate highly-sensitive spherical nanocomposite pressure sensors. It is expected that the mechanism of how the CNT nanofillers affect the mechanical and dieletric properties of polymers can be revealed through the proposed research, so that the guidance of material design can be worked out for the highly-sensitive pressure sensors. Meanwhile, the guidance may be applied in ensuing research, including the optimization of the fabrication techniques for the CNT nanocomposites studied in this project, the planning and assessment of the experiment for the properties of the CNT nanocomposites and the verification of the correctness of the theoretical and numerical models, to achieve that the CNT nanocomposites with stable properties can be fabricated and promoted subsequently to the development of high-quality sensors and the measurement in the experiment under specific conditions.

碳纳米管、石墨烯和纳米碳纤维等纳米材料拥有出色的力、热和电学性能，利用这些材料开发结构型和功能型纳米复合材料的研究近年来受到了广泛关注。本项目将在现有的关于碳纳米管/高分子基复合材料力、电特性研究成果的基础上，以设计制造高灵敏度的纳米复合材料球形压力传感器为牵引，依靠实验，运用理论分析和数值模拟，深入研究碳纳米管/高分子基纳米复合材料在交流电作用下的介电性能与应变的关系，揭示碳纳米管的添加对高分子材料的力学和介电特性产生影响的机理，从而为碳纳米管/高分子基复合材料高灵敏度压力传感器提供材料设计指针。同时，利用这些指针对本课题涉及的碳纳米管复合材料的制备技术与工艺进行改良、对其材料特性和介电特性实验进行指导和评价，并验证理论与数值计算模型的正确性，最终实现制备性能稳定的功能型碳纳米管复合材料的目标，使其在高性能传感器开发以及特殊环境测试领域中得到应用。

本项目以设计制造高灵敏度的纳米复合材料应变传感器为牵引，依靠实验，运用理论分析和数值模拟，深入研究了碳纳米管/高分子基纳米复合材料在交流电作用下的介电性能与应变的关系。主要研究内容包括：.（1）.碳纳米管/高分子基复合材料等效电阻率高效计算方法；.（2）.碳纳米管/环氧树脂/聚偏氟乙烯应变片制备工艺；.（3）.碳纳米管/石墨烯/炭黑高分子基纳米复合材料的内部等效电路模型；.（4）.压阻式复合材料应变传感器的线性化。..研究中已经取得的重要成果主要体现在：.（1）.在考虑隧道效应的三维电阻网络模型基础上发展了一种跨尺度的碳纳米管/高分子基复合材料导电网络等效电阻率的高效计算方法。根据该方法，含有大量碳纳米管的复合材料块体被分割成微元体阵列，然后分别在微米和宏观尺度下利用柯希霍夫电流定律和三维电阻网络模型计算微元体和复合材料的等效电阻。该方法可极大地提高计算效率；.（2）.开发出一套制备碳纳米管/环氧树脂/聚偏氟乙烯复合压阻式应变膜的制备工艺，解决了电极和碳纳米管/高分子基复合材料的连接问题，清除了应变膜量化生产的主要障碍；.（3）.提出了碳纳米材料/高分子基复合材料的RLC等效电路模型。该模型具有普适性，适用于以碳纳米管、石墨烯、炭黑为添加相的多数高分子基体复合材料，从而为此类复合材料高灵敏度应变传感器提供了设计指针。RLC等效电路模型亦为进一步开发射频无线标签式复合材料传感器提供了理论依据；.（4）.提出了压阻式碳纳米管/环氧树脂复合材料压力传感器和应变传感器的线性化方案。结合理论和数值分析，在直流电路中实现了压力传感器的线性化，在交流电路中实现了应变传感器的线性化。