CNT-ZnO夾層式薄膜制備及壓阻-壓電傳感性能研究.pdf

1、大型結(jié)構(gòu)（橋梁、隧道、體育場(chǎng)館和高層建筑等）和基礎(chǔ)設(shè)施健康運(yùn)營(yíng)直接關(guān)系著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。通過結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、自動(dòng)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位的重要參數(shù)，評(píng)估分析數(shù)據(jù)保障結(jié)構(gòu)的服役壽命，具有十分重要的意義，而傳感器元件是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心構(gòu)件。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于壓阻/壓電復(fù)合型傳感器的研究較少，尚未系統(tǒng)研究與實(shí)際應(yīng)用。本文系統(tǒng)的開展碳納米管(CNT)和氧化鋅(ZnO)壓阻和壓電復(fù)合性能研究，提出一種應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)體

2、系。本文研究的壓阻/壓電復(fù)合型薄膜傳感器能夠克服塊體傳感器柔性、韌性差，量程范圍小的缺陷。CNT制成的薄膜具有優(yōu)異的壓阻效應(yīng)，而ZnO壓電陶瓷具有無(wú)污染、成本低廉、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，制備CNT/ZnO夾層式薄膜傳感器作為一種外貼式傳感器，具有十分重要的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)采用混酸氧化處理CNT，經(jīng)過氧化的CNT分別采用掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)、熱重(TGA)進(jìn)行分析，分析表明:羧基化

3、的CNT(CNT-COOH)長(zhǎng)度縮短，管徑變細(xì)，CNT帶上羧基(-COOH)。將酸化后的CNT與偶氮引發(fā)劑偶氮二異丁腈（AIBN）反應(yīng)，制備出氰基化的CNT（CNT-AIBN），通過Al-NiCl·6H2O-THF還原體系將氰基還原為氨基，得到氨基化的CNT(CNT-NH2)，SEM、FTIR、TGA分析表明:粒徑減小，團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善，CNT帶上氨基(-NH2)官能團(tuán)。
　　(2)以Zn(NO3)2·6H2O和濃氨水為原料，利用

4、高速剪切乳化攪拌機(jī)制備納米ZnO粉體。采用XRD、激光粒度分析儀、TGA、SEM對(duì)其形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征與分析，并輔以d33/d31測(cè)量?jī)x對(duì)納米ZnO的壓電性能的壓電性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明:制備的ZnO的粒徑約為700-800nm，晶體結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且反應(yīng)時(shí)間35min，PH為11的條件下，壓電系數(shù)（d33）最高，其d33約為13.13pC/N，壓電性能最好。
　　(3)調(diào)節(jié)直流電源的電壓從1v到10v，測(cè)試出薄膜的電壓

5、與電流，并繪制伏安特性曲線，通過伏安特性曲線可知，3、6、9、12層薄膜的電阻分別為976.424kΩ、398.412kΩ、96.25kΩ、14.072kΩ。薄膜的電阻隨著層數(shù)的增加逐漸減小。同時(shí)薄膜的電阻較小，說明制備的CNT薄膜具有的導(dǎo)電性良好，這是因?yàn)楣δ芑腃NT在水和有機(jī)溶劑中分散性良好，通過層層自組裝法形成致密均勻的薄膜。3、6、9、12層薄膜的電阻率分別為19.53 kΩ·cm、7.97 kΩ·cm、1.93kΩ·cm、0

6、.28 kΩ·cm。
　　(4)綜合測(cè)試CNT/ZnO夾層式薄膜傳感器的壓阻性能和壓電性能。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，薄膜傳感器具有優(yōu)良的壓阻性能，電阻變化率（△R/R）隨應(yīng)變線性變化。不同層數(shù)的薄膜傳感器與應(yīng)變之間，顯示出較好的線性關(guān)系，6層薄膜傳感器的線性度最大，9層的線性度大于3層的，12層的最小。循環(huán)荷載作用下，無(wú)論是拉伸還是壓縮狀態(tài)，傳感器均能保持較高的靈敏度，靈敏度系數(shù)穩(wěn)定且離散程度較小，6層薄膜傳感器的靈敏度系數(shù)最高約1