几个基于银纳米线和聚苯胺的电磁功能复合材料的制备、性能与应用

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导电高分子聚苯胺由于其原料易得、制备方法简单、质量轻、环境稳定性高以及具有可逆的掺杂-脱掺杂过程而得到了越来越多的关注。为了提高聚苯胺的功能性和加工性,可以将聚苯胺与其他电磁功能纳米材料进行复合,通过对纳米结构的构建和组装工艺来改善聚苯胺的力学、电学和磁学性能,甚至获得新的性能,从而进一步拓宽聚苯胺的应用领域。本论文主要的研究内容和结果如下:  (1)采用不同的复合成膜方法,即两步流延成膜法和直接共混成膜法,制备得到了银纳米线/聚苯胺复合薄膜。对比了以上两种不同结构的复合薄膜的电学性能和电磁屏蔽性能。在银纳米线含量为14 vol%(对应质量分数为43.4 wt%)时,两步法制备的薄膜的电导率可达5310 S/cm,而传统的直接共混然后流延成膜法制备的薄膜的电导率为4234 S/cm。二种复合薄膜的电导率均远远高于文献报道的其他聚苯胺基复合材料的导电率。两步法制备所得的薄膜具有分层结构,因而有较低的渗透阈值。层状复合薄膜的渗阈值为4.98 vol%,而共混法所得的复合薄膜为7.01 vol%。这是由于银纳米线在层状薄膜的内部分布更致密,增大了银纳米线彼此之间互相连通的几率。两步法制备得到的层状薄膜具有更好的电磁屏蔽性能,银纳米线含量为14 vol%的层状复合薄膜对X波段的电磁波的平均屏蔽效能可达48 dB,而共混法所得薄膜的电磁屏蔽效能受电磁波的频率影响较大,随着频率的增大呈现出明显的减弱趋势。  (2)采用溶剂热法,在银纳米线表面修饰了四氧化三铁纳米粒子,利用四氧化三铁纳米粒子修饰的银纳米线作为具有磁响应特性的一维导电填料,在弱磁场(磁场强度为42 mT)的辅助下,采用两步流延成膜法制备了四氧化三铁@银纳米线/聚苯胺复合薄膜。由于银纳米线可以在磁场中发生取向,形成有序阵列,因而使得所制备的复合薄膜具有电学和力学的各向异性,其电学的各向异性在1.1-6.7之间,断裂拉伸强度和断裂延伸率的各向异性分别为1.15和1.2。由于四氧化三铁@银纳米线/聚苯胺复合薄膜具有线性的力-电响应关系,因而具备应力传感器的特点。被硅胶封装后的复合薄膜可以用来检测垂直于其表面的压强的大小,并且在平行于银纳米线取向方向和垂直于银纳米线取向方向上有不同的输出结果,二者的差异可达6-10倍。  (3)采用溶剂热法,在银纳米线表面包覆不同种类的铁氧体(四氧化三铁纳米粒子、铁酸钴纳米粒子和铁酸镍纳米粒子),得到二元电磁复合吸波材料,然后再采用原位聚合法在铁氧体@银纳米线表面包覆一层聚苯胺,得到了阻抗匹配程度高的,具有多层结构的复合吸波材料。多层结构设计和不同吸收剂的复合对提高材料的吸波性能起着关键作用,其中含四氧化三铁的三元复合材料在5mm厚时的反射损耗可达到-24 dB,有效带宽为2GHz(14.6-16.6GHz);含铁酸镍的三元复合材料在3mm厚时的有效带宽可达3 GHz(10.5-13.5 GHz)。改变铁氧体的形貌,得到中空的四氧化三铁微球。中空结构不但可以有效减轻质量,而且有利于对电磁波的多重反射和折射。采用相似的方法在其表面包覆聚苯胺,得到核-壳结构的双层轻质复合吸波材料,其在2 mm厚时的反射损耗可达-25 dB;在3mm厚时,有效带宽可达4 GHz(8.5-12.5 GHz)。  (4)聚酰亚胺薄膜作为柔性基体被广泛用于柔性电子器件中,通过用聚苯胺来对聚酰亚胺基体进行共混改性,得到的混合基体与聚酰亚胺单组分基体相比势垒被有效降低,从而在不增加导电填料含量的情况下,达到减小导电填料之间的隧穿电阻的作用,提高薄膜的电导率。当聚苯胺组分在混合基体中的质量分数为0,5 wt%,10 wt%,15 wt%和20 wt%时,相同电导率(187 S/cm)的银纳米线/聚酰亚胺层状复合薄膜所需的银纳米线的含量依次为14 vol%,12 vol%,9vol%,8 vol%和6.5 vol%。由于所需银纳米线含量的减少,使得层状结构的复合薄膜的力学性能有所提升。同时聚苯胺组分的引入,对复合薄膜的热稳定性没有带来明显的影响。
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