納米ZnO-PDMS復(fù)合薄膜力敏特性研究.pdf

1、力學(xué)敏感單元作為力學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)的核心單元，力敏傳感技術(shù)在航空航天、工程設(shè)施、醫(yī)療、石油開采等生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用。近年來隨著納米科技的發(fā)展，尤其是金屬納米結(jié)構(gòu)的體效應(yīng)和超高敏感特性研究發(fā)展，結(jié)合納米復(fù)合材料的物理量子隧穿機(jī)理，納米復(fù)合材料在電學(xué)、超高力學(xué)、生化敏感等方面成為國(guó)內(nèi)外人員的研究熱點(diǎn)。半導(dǎo)體材料 ZnO具有良好的壓電、壓阻特性，在納米發(fā)電、納米傳感等方面有著廣泛的研究，且作為半導(dǎo)體材料，其靈敏度因子比金屬高約

2、1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此結(jié)合納米結(jié)構(gòu)的超高靈敏特性以及 ZnO半導(dǎo)體材料的高靈敏度因子，能實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)參量的超高靈敏檢測(cè)。
　　本文研究了納米ZnO/PDMS復(fù)合薄膜的制備，以及復(fù)合薄膜在加速度計(jì)中的應(yīng)用。以納米 ZnO顆粒為填充粒子，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為聚合物，采用機(jī)械共混法制備了納米 ZnO/PDMS復(fù)合薄膜，并對(duì)復(fù)合薄膜的制作工藝、微觀結(jié)構(gòu)及力敏性能進(jìn)行了研究；并循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)了復(fù)合薄膜在1g加速度內(nèi)的力敏特性測(cè)試。經(jīng)過

3、大量實(shí)驗(yàn)，制備了良好力敏性能的復(fù)合薄膜；最后，將該復(fù)合薄膜應(yīng)用到加速度計(jì)中。其主要內(nèi)容歸納如下：⑴在復(fù)合薄膜的制備方面：研究和開發(fā)了以納米 ZnO顆粒為填充粒子、以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為聚合物，且經(jīng)30℃×2h超聲處理，制備了納米ZnO/PDMS復(fù)合薄膜。并且，通過納米 ZnO表面改性來解決在聚合物中的分散性。研究表明，通過多次反復(fù)試驗(yàn)改變 ZnO與PDMS的比例，可以很好地調(diào)節(jié)其電子輸運(yùn)特性以及電阻和電容的應(yīng)力敏感特性，可以為該

4、類型的力敏材料在不同的力敏傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供新的研究思路。⑵在ZnO復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)表征和力敏特性測(cè)試方面：利用掃描電子顯微鏡（SEM） JSM-6700F對(duì)復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn) ZnO顆粒能夠在聚二甲基硅氧烷基體中均勻分散，并能夠形成不規(guī)則的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，首先設(shè)計(jì)了Agilent4156C半導(dǎo)體特性分析儀及 Agilent4284A所組成的加壓測(cè)試系統(tǒng)來進(jìn)行力敏特性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，納米ZnO/PDMS復(fù)合

5、薄膜在100KHz頻率范圍內(nèi)的力敏性能較好。隨著濃度的增加，復(fù)合薄膜的力敏敏感度增強(qiáng)，通過對(duì)復(fù)合薄膜的電阻，電容及靈敏度因子的測(cè)量，得出ZnO復(fù)合薄膜的壓阻靈敏度因子達(dá)到434（10nm，70％），壓電容靈敏度因子達(dá)到4.88（10nm，70%），復(fù)合薄膜具有良好的應(yīng)力敏感特性。并得出影響復(fù)合薄膜壓-阻和壓-電容特性的關(guān)鍵因素是復(fù)合薄膜中的納米顆粒的含量的多少和尺寸的大小。⑶應(yīng)用方面：對(duì)加速度計(jì)的敏感元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)加工出來的加速度計(jì)