柔性復(fù)合壓電薄膜的制備及其電導(dǎo)率研究*

海振銀,高立波,李俊漾,張 強(qiáng),劉 俊,薛晨陽

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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柔性復(fù)合壓電薄膜的制備及其電導(dǎo)率研究*

海振銀,高立波,李俊漾,張 強(qiáng),劉 俊,薛晨陽*

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

將具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的碳納米管(CNT)與壓電材料鈦酸鋇(BTO)復(fù)合于高分子有機(jī)材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,制備出了具有低內(nèi)阻的柔性復(fù)合壓電薄膜,研究了制備的薄膜在不同極化條件下的開路電壓以及不同體積配比的BTO/CNT壓電薄膜的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在電場(chǎng)為3.6 kV/mm、溫度是90 ℃、時(shí)間為60 min的極化條件下,當(dāng)BTO與CNT的體積比N為2∶3以及BTO與CNT混合顆粒占PDMS基體的總體積比V為8%時(shí),能得到具有最佳電導(dǎo)率的復(fù)合壓電薄膜。

復(fù)合壓電薄膜;碳納米管;鈦酸鋇;電導(dǎo)率

碳納米管CNT(Carbon Nanotube)是在上世紀(jì)90年代初期由日本科學(xué)家觀察利用電弧法制備碳纖維的實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的[1],具有巨大的長徑比以及非常高的電導(dǎo)率。同時(shí)它還具有很多其他的優(yōu)點(diǎn)與特性,例如它被認(rèn)為是世界上最結(jié)實(shí)的人造材料,同時(shí)還具有高韌性、質(zhì)量密度低的特點(diǎn)。它還擁有非常高的強(qiáng)度以及拉伸模量。但是,由于它的尺寸整體比較小,所以這種納米材料的優(yōu)良性質(zhì)只有在均勻分散于高分子基體材料中時(shí)才能體現(xiàn)出來[2-7]。

本文利用碳納米管具有的高電導(dǎo)率、巨大長徑比的特性,以使其達(dá)到降低高分子聚合的自身阻抗的目的。當(dāng)其與鈦酸鋇(BaTiO3,BTO)納米顆?；旌显谝黄鸷?不僅可以起到支撐的作用,使BaTiO3納米顆粒更加均勻地穩(wěn)定混合于聚二甲基硅氧烷PDMS(Polydimethylsiloxane)薄膜中,同時(shí)還可以進(jìn)一步增強(qiáng)柔性PDMS基體的韌性;而且其電學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于碳纖維或炭黑等其他碳系物質(zhì),在復(fù)合材料中能明顯降低復(fù)合體系的阻抗,增加電導(dǎo)率。聚合物基體中的碳納米管可以在不損害聚合物的特定性能(如較低的熔融粘度等)以及在較低的逾滲閾值(低于0.1 wt.%)下,將復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于PDMS是絕緣體,碳納米管的特殊電學(xué)性質(zhì)使之可以在BTO/CNT復(fù)合壓電薄膜中有效降低薄膜內(nèi)阻,提高薄膜壓電性能[8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 CNT預(yù)處理

采用多壁碳納米管(平均長度10 μm～30 μm,直徑10 nm,密度0.27 g/cm3,北京德科島津)作為原材料之一制備復(fù)合壓電薄膜。為了防止碳納米管團(tuán)聚,得到具有良好分散性的碳納米管,需要對(duì)碳納米管進(jìn)行預(yù)處理。碳納米管的預(yù)處理采用堿化處理的方法,其處理步驟如下:①將體積比為1∶1的過氧化氫溶液和氨水配置成pH為10.5的溶液300 mL;②用精密天平稱取5.0000 g碳納米管放入溶液中并在常溫下高速磁力攪拌72 h;③常壓下進(jìn)行抽濾,并用去離子水反復(fù)沖洗直至pH為7,放入烘箱中烘干;④將烘干后的碳納米管研磨后放入干燥器皿中備用。

1.2 BTO/CNT復(fù)合薄膜的制備

將鈦酸鋇納米顆粒(平均粒徑20 nm,密度5.85 g/cm3,北京德科島津)與碳納米管按照一定比例混合(具體比例表1),再將BTO/CNT混合顆粒置于適量的酒精中使其全部淹沒。然后將混合物置于磁力攪拌器下勻速攪拌5 h后置于超聲波清洗機(jī)中,超聲0.5 h后將混合物置于鼓風(fēng)干燥箱中,待酒精全部揮發(fā)后,將干燥混合物研磨,得到混合均勻的BTO/CNT混合顆粒。將得到的混合均勻的BTO/CNT混合顆粒與PDMS溶膠均勻混合后,將混合物均勻涂敷于清潔硅片上并利用可調(diào)式刮刀涂膜器控制薄膜的厚度為0.3 mm。為了去除混合物中的氣泡得到致密的復(fù)合薄膜,將混合物在真空干燥箱中抽真空后75 ℃加熱2 h。加熱后自然降溫,從硅片表面剝離出混合物薄膜,即得到制備好的具有良好柔性的復(fù)合壓電薄膜。

表1 N、V參數(shù)不同時(shí)所需鈦酸鋇(B)以及碳納米管(C)的用量(g)

1.3 復(fù)合薄膜的表征

掃描電鏡采用日立HitachiS-4800掃描電子顯微鏡,樣品的粒徑和外貌通過日本電子株式會(huì)社JEM-1200EX型透射電子顯微鏡(工作電壓120 kV)觀察。壓電極化測(cè)試在HYJH-3-4型壓電極化裝置上測(cè)試(咸陽惠遠(yuǎn)自動(dòng)化設(shè)備有限公司);復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率測(cè)試采用4284A型安捷倫阻抗分析儀測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米管的純化

分散前后碳納米管的TEM對(duì)比如下圖,如圖1(a)可見原始碳納米管由于極高的長徑比以及管之間的強(qiáng)烈化學(xué)作用,管與管之間互相纏繞,鍵合比較緊密,非常容易團(tuán)聚。處理后得到的CNT的TEM,如圖1(b)所示。由兩圖比較可以明顯看出經(jīng)過預(yù)處理后的多壁碳納米管的分散性得到了較大的改觀。

圖1 預(yù)處理前后CNT的TEM圖

2.2 復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)表征

圖2為薄膜內(nèi)部摻雜情況的SEM圖。從圖中可以清晰地看到碳納米管的形貌,其樹枝狀結(jié)構(gòu)明顯,少量顆粒狀固體可能是一部分未完全摻雜的鈦酸鋇顆粒附著在表面,因而制備過程中磁力攪拌和超聲處理碳納米管與鈦酸鋇顆粒形成的這種良好分布結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合薄膜的壓電性具有重要影響。簡言之,從上述SEM圖可以看出,利用上述的方法獲得的復(fù)合薄膜具有良好的結(jié)構(gòu),達(dá)到了制備的預(yù)期目的。

圖2 薄膜內(nèi)部摻雜情況的SEM圖

2.3 極化條件的確定

為了使壓電復(fù)合材料的性能達(dá)到最優(yōu)化必須對(duì)其在高電壓下進(jìn)行極化。

圖3是極化電場(chǎng)與輸出電壓的關(guān)系,鈦酸鋇的矯頑場(chǎng)強(qiáng)Eo大約為1 kV/mm,極化溫度與時(shí)間在一定范圍被固定時(shí),通過實(shí)驗(yàn)可以看出隨著外加電場(chǎng)的增加電壓輸出也在增大,當(dāng)外加電場(chǎng)為3.6 kV/mm時(shí),測(cè)試壓電復(fù)合材料具有最高的電壓輸出為20 V左右。但是隨著外加電場(chǎng)的進(jìn)一步增高,材料的輸出電壓最后接近于2 V,說明當(dāng)外加電場(chǎng)超過飽和場(chǎng)強(qiáng)后,材料被擊穿喪失壓電性能。

圖3 極化電場(chǎng)與輸出電壓的關(guān)系圖

圖4為極化溫度與輸出電壓的關(guān)系,當(dāng)極化電場(chǎng)為3.6 kV/mm且極化時(shí)間固定在一定數(shù)值,可以看出隨著極化溫度的升高,復(fù)合材料的輸出性能在逐步提高,在90 ℃達(dá)到輸出電壓的最高值為21 V左右,而溫度繼續(xù)升高輸出電壓變化并不明顯。因此,可以認(rèn)為最佳極化溫度是90 ℃。

圖4 極化溫度與輸出電壓的關(guān)系

圖5為極化時(shí)間與輸出電壓的關(guān)系,前面已經(jīng)確定了極化電場(chǎng)與極化溫度,因此在這兩個(gè)條件確定下研究極化時(shí)間。在極化40 min前,輸出電壓保持穩(wěn)步增加,到60 min時(shí)達(dá)到最大電壓輸出為16 V。但是在70 min左右時(shí),其電壓輸出開始減少,因此可以認(rèn)為最佳極化時(shí)間為60 min。

圖5 極化時(shí)間與輸出電壓的關(guān)系

總之,要想使壓電材料充分發(fā)揮最佳的壓電特性,主要取決于3個(gè)極化要素的確定,但是三者是相互影響的,一方面由于矯頑場(chǎng)強(qiáng)Eo和飽和場(chǎng)強(qiáng)EB隨著溫度升高而降低.所以極化溫度高溫有利于極化電場(chǎng)的降低。另一方面,極化時(shí)間的長短決定于使電疇轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)力與電疇熱運(yùn)動(dòng)能量,前者與極化電場(chǎng)有關(guān),后者與極化溫度有關(guān)。因此必須統(tǒng)一的看待這3個(gè)極化條件,這樣才能得到最優(yōu)的極化條件[9-10]。

2.4 不同摻雜比例的復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率

圖6為薄膜的阻抗掃頻測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在頻率不斷升高的同時(shí),薄膜的阻抗逐漸減小,從400 kHz開始薄膜的阻抗趨于穩(wěn)定。因此,在下面不同摻雜比例薄膜的電導(dǎo)測(cè)試中,選擇400 kHz作為測(cè)試頻率。

圖6 薄膜的阻抗掃頻測(cè)試結(jié)果

在上述的頻率下,圖7為當(dāng)BTO與CNT的體積比N分別為1∶1,2∶3,1∶4時(shí),薄膜的電導(dǎo)率隨不同填充物的體積分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系圖。從圖中可以明顯的看出,開始時(shí),電導(dǎo)率隨著填料體積分?jǐn)?shù)的增加沒有明顯的變化,當(dāng)填料體積分?jǐn)?shù)增加超過一定值時(shí),電導(dǎo)率開始陡增。在N為2∶3時(shí),復(fù)合材料的電導(dǎo)率相對(duì)于其他N值增加明顯。增加CNT的含量(如1∶1)復(fù)合材料的電導(dǎo)率較2∶3時(shí)降低,可能是因?yàn)镃NT的表面活性高極易團(tuán)聚,難以均勻分散,無法形成完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);而增加BTO的含量(如1∶4),多余的BTO也散落在PDMS基體周圍造成團(tuán)聚,同樣不利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。說明N=2∶3的摻雜比例能較好的發(fā)揮BTO/CNT的協(xié)同效應(yīng)[11-13],使BTO/CNT/PDMS構(gòu)成類似“葡萄串”的結(jié)構(gòu)[14-15],從圖2(b)的SEM圖中也可以簡單看出CNT周圍有數(shù)個(gè)較均勻分布的BTO顆粒圍繞;在此體系中,CNT提供遠(yuǎn)程導(dǎo)電相當(dāng)于葡萄串的梗,起到支架作用。而BTO在極化后可以提供電子。因此,通過合理地控制摻雜比例實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同效應(yīng)對(duì)提高壓電復(fù)合材料的性能具有重要的意義。

由圖7所示,得到了復(fù)合薄膜在不同摻雜比例下的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但是發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率并不符合常規(guī)的滲流模型曲線。因此基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)仿真,發(fā)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合后,符合下述一元三次方程:

AX3+BX2+CX+D=Y

(1)

其中,A、B、C和D是常數(shù),X是填料的體積分?jǐn)?shù),Y是復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率,注意A不等于零。

如圖7(c)所示當(dāng)N為2∶3時(shí),圖中的曲線即為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線,其擬合度可達(dá)97.252%,并且滿足方程Y=0.126 38+0.011 78X-0.022 88X2+0.003 68X3,說明該方程模型可以有效地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)滲流閾值的定義,從數(shù)學(xué)角度分析滲流閾值也可以被定義為斜率發(fā)生突變的點(diǎn)?？梢钥闯鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在8%～9%時(shí),電導(dǎo)率出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。同時(shí),根據(jù)導(dǎo)數(shù)的定義容易知道三次方程的拐點(diǎn)滿足此定義,如圖7中有三角形標(biāo)志的點(diǎn)即為擬合方程的拐點(diǎn)。但是容易看出,該點(diǎn)一定不是發(fā)生滲流現(xiàn)象的點(diǎn)。因此假設(shè)排除拐點(diǎn)后進(jìn)一步計(jì)算,發(fā)現(xiàn)擬合曲線在8%～9%之間存在一個(gè)理論斜率變化最大的點(diǎn)(圖中切線所對(duì)應(yīng)的點(diǎn))即為理論滲流閾值,與實(shí)驗(yàn)相符。因此,在此擬合模型中可以把理論滲流閾值定義為除拐點(diǎn)外斜率變化最大的點(diǎn)。圖7(b)當(dāng)N=1∶1時(shí)的電導(dǎo)率擬合曲線,其擬合度可達(dá)99.872%,并且滿足一元三次方程Y=-8.889 74+0.105 5X-0.033 08X2+0.003 09X3。圖7(d)為當(dāng)N=1∶4時(shí)的電導(dǎo)率擬合曲線,其擬合度可達(dá)97.433%,并且滿足一元三次方程Y=0.077 33+0.038 49X-0.021 13X2+0.002 77X3。復(fù)合壓電薄膜輸出電壓的測(cè)試結(jié)果也表明當(dāng)體積分?jǐn)?shù)在8%附近有最高的輸出電壓。

圖7 不同體積配比時(shí)候的的電導(dǎo)率測(cè)試

3 結(jié)論

①將具有超高導(dǎo)電性的多壁碳納米管(CNT)與壓電材料鈦酸鋇(BTO)復(fù)合于高柔性的高分子有機(jī)材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,制備出了具有最佳電導(dǎo)率的柔性復(fù)合壓電薄膜。②研究了制備的復(fù)合壓電薄膜在不同極化條件下的輸出電壓變化情況,當(dāng)外加電場(chǎng)為3.6 kV/mm,極化溫度是90 ℃,極化時(shí)間為60 min時(shí),制備的薄膜外電路輸出電壓最大。③研究了不同摻雜比例下的復(fù)合壓電薄膜的電導(dǎo)率,當(dāng)BTO/CNT體積比為2∶3時(shí)候具有最佳的電阻率且滲流閾值在8%～9%之間。

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海振銀(1990-),男,漢族,碩士研究生,主要從事能量采集,壓電復(fù)合材料,納米發(fā)電機(jī)方面的研究,2270803458@qq.com;

薛晨陽(1971-),男,漢族,中北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要從事微米納米技術(shù),半導(dǎo)體薄膜與器件,能量采集等方面的研究,獲國家發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2010年排名第三),發(fā)表SCI論文50篇,EI論文106篇,出版著作5部,xuechenyang@nuc.edu.cn。

PreparationandConductivityResearchofFlexibleCompositePiezoelectricFilm*

HAIZhenyin,GAOLibo,LIJunyang,ZHANGQiang,LIUJun,XUEChenyang*

(Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A flexible piezoelectric composite film with low internal resistance was synthesized via mixing the multiwalled carbon nanotubes(CNT)with superior conductivity and piezoelectric materials BaTiO3into the Polydimethylsiloxane(PDMS).The open-circuit voltage of the prepared flexible composite piezoelectric film was further researched under various polarization conditions.The influence of the ratio of the BTO/CNT in volume on the conductivity of the sample prepared was also investigated.These results obtained manifested that under the polarization condition of 3.6 kV/mm,90 ℃ and 60 min,when theNequaled to 2∶3(The volume ratio of BTO to CNT)andVwas equivalent to 8%(the volume percentage of BTO and CNT mixtures/PDMS matrix),the composite piezoelectric film with optimum conductivity was achieved.

composite piezoelectric film;carbon nanotube;BaTiO3;conductivity

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目(91123036);國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA041109);國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目(51225504);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(61127008)

2014-05-12修改日期:2014-06-03

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.002

TP292

:A

:1004-1699(2014)07-0861-05