类石墨烯微褶皱的制备与应用研究

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微褶皱是在微观尺度内由于结构失稳而产生的一种结构。由于微褶皱具有较好的结构周期性、机械伸展性、摩擦学特性等性质,所以常常被用于制造光学、电子传感器件、特殊浸润涂层等领域。快速、简便及可控地制备具有功能性的微褶皱越来越受研究者们的青睐。类石墨烯材料(MXene)往往具有优良的导电性能、高效的电磁屏蔽性能及大的比表面积,也常常被用于制作高性能的超级电容器、电池、催化剂等。本论文将结合微褶皱特殊的结构性质及类石墨烯材料优秀的材料性能,试图制备出具有一定传感响应性的功能性微褶皱。本论文中所使用的类石墨烯材料为钛碳化铝(Ti3AlC2),并利用LiF+HCl将其刻蚀为层状结构。刻蚀所得的样品的晶体结构发生了明显变化,并且在刻蚀后的样品中Al元素明显减少、F元素出现。将所得的层状Ti3C2Tx在水中进行超声剥离,可得到片层的Ti3C2Tx分散液。该片层Ti3C2Tx结构具有良好的水分散性。通过将聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性基底以单轴拉伸的方式进行形变,采用喷涂的方式,将片层的Ti3C2Tx分散液沉积到拉伸状态的PDMS膜上,可在PDMS表面得到“条带型”微褶皱结构。微褶皱的形貌可通过PDMS膜的拉伸长度来控制,膜拉伸形变程度越大,所形成的微褶皱波长越小,实验结果同有限元软件ANSYS的模拟结果基本一致。所制备的微褶皱结构可作为应变传感器的传感基元,该传感器对手指弯曲具有较为灵敏的响应性。通过将聚氨酯(PU)弹性基底以吹气膨胀的方式进行形变,依旧采用喷涂的方式,将片层的Ti3C2Tx分散液沉积到吹胀状态下的PU膜上,可在PU表面得到“山脊状”微褶皱。微褶皱的形貌可通过PU膜的吹胀高度及片层Ti3C2Tx分散液喷涂量来控制,PU膜吹胀高度越高、Ti3C2Tx喷涂量越多,则形成的微褶皱波长越小,实验结果同理论模拟结果基本一致。将该形貌的微褶皱用于柔性压力传感器制备中,所制备的传感器的量程在0.005-0.6 N之间,测量范围较宽,稳定性较好,可用于微小压力的检测。将该传感器用于声音的检测中,发现其对一定频率和强度范围内的声音具有良好的响应性。
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