铜纳米线气凝胶的制备及压力传感应用研究

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气凝胶是一类拥有低密度、高孔隙率等优异特性的多孔固体材料,因此在隔热、超级电容器和压力传感器等领域上拥有广泛的应用。目前,对于气凝胶压力传感器的应用研究主要集中于石墨烯、碳纳米管和金属纳米线等材料上。其中铜纳米线气凝胶具有良好的导电性,同时能在压力的作用下通过改变几何形状引起材料电阻的响应,因此是作为压力传感器的一种理想材料。制备气凝胶的方法主要是以化合物为前驱物的溶胶凝胶法,而金属基气凝胶缺少合适形成凝胶的前驱物,因此合成方法往往需要较高的实验条件与成本。发展铜纳米线气凝胶的制备新方法,对于推进纳米线气凝胶的应用具有重要的现实意义。  本论文主要研究铜纳米线气凝胶的调控合成与在压力传感器上的应用。论文的具体内容如下:  (1)铜纳米线气凝胶的调控合成研究  本工作研究了采用一步法制备铜纳米线凝胶,通过冷冻干燥得到了超低密度的铜纳米线气凝胶。凝胶的合成主要可以分成三个步骤:首先铜离子还原形成铜纳米线,接着当纳米线浓度达到一定值时即自组装形成凝胶团絮,最后团絮在气泡的作用下浮至液面堆积形成凝胶块体。考虑到溶液中气泡含量在合成过程中的重要作用,提出了控制铜纳米线凝胶合成的“气泡辅助生长”机制。溶液中气泡含量主要影响了上浮凝胶团絮的体积与最终凝胶块体的堆积方式。根据此机制通过调节反应物浓度和反应温度。来控制溶液中气泡的含量,合成出了密度从4.3 mg cm-3到7.5 mg cm-3之间可控的相对致密和相对多孔结构的气凝胶材料。通过该研究成功实现了对不同密度铜纳米线气凝胶的调控合成,为金属纳米线气凝胶的合成提供了一种创新性的方法。  (2)铜纳米线气凝胶柔性压力传感器  将铜纳米线气凝胶块体连接电极制备压力传感器,测试显示气凝胶兼具良好的机械性能与传感器性能。气凝胶被压缩到50%并释放压力后,能基本回复到原始的状态,且具有良好的循环稳定性。测试得到混合结构气凝胶传感灵敏度为0.16kPa-1,同样测试了调控合成出的相对多孔与相对致密结构气凝胶的传感灵敏度,发现相对多孔结构气凝胶传感灵敏度可达0.7 kPa-1,高于目前所报道的气凝胶传感器。而相对致密的气凝胶传感灵敏度只有0.02 kPa-1。造成这种差异的主要原因在于不同合成条件下,材料的孔隙密度不同。当气凝胶材料受到压力时,孔隙结构也同样被压缩,使得纳米线之间的连接更加紧密,降低了接触电阻,因此具有更加丰富孔隙密度的相对多孔结构气凝胶具有更优的压力响应灵敏度。
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