低温和应变耦合作用下纳米银线/聚苯胺-聚酰亚胺导电复合薄膜力电性能研究

According to the time temperature equivalent principle, the stress and strain of material will cause changes in the temperature, and the temperature change will produce stress and strain in the material body. So the study of the influence of coupling of temperature and strain rate on material properties helps to reveal the constitutive relation of material in the complex environment. Polyimide-metal composites have been widely concerned for their excellent thermal and electrical performance. In this project, novel nanostructured silver nanowire- polyaniline/polyimide (Ag NWs-PANI/PI) composite films will be systematically investigated mainly taking into account the effects of temperature and strain rate on the microstructure, mechanical and electrical properties of the conductive composite films. The goal of the research is to obtain new nanostructured conducting Ag NWs-PANI/PI composite film, establish small tensile test device for polymer film at low temperature (20K-300K) and gain the influence mechanism of low temperature (20K-300K) and strain rate (1.0×10-5-1.0×10-2 S-1) on the microstructure, mechanical and electrical properties of composites film. In the end, the constitutive relation model of conductive polyimide film will be established at coupling of low temperature and strain rate.

时温等效原理显示，材料的应力和应变会引起材料的温度变化，而温度变化又会在材料体内产生应力和应变。所以研究温度和应变速率耦合对材料性能的变化有助于揭示材料在复杂环境下的本构关系。聚酰亚胺与导电导热材料的复合可有效赋予其电学和热学性能，是广泛关注的一个重要研究方向。本项目拟针对新颖的纳米银线-聚苯胺/聚酰亚胺(Ag NWs/PANI-PI)复合薄膜，重点开展低温和应变速率耦合对Ag NWs/PANI-PI复合薄膜微观结构、力学和电学性能影响的研究。研究目标是制备新型纳米结构的导电Ag NWs-PANI/PI复合薄膜，设计建立低温（20K-300K）高分子薄膜小型拉伸实验装置，利用该小型实验装置深入研究低温（20K-300K）和应变速率（1.0×10-5-1.0×10-2 S-1）耦合对复合薄膜的微观结构、力学和电学的影响机理，并在此基础上建立导电聚酰亚胺薄膜低温和应变速率耦合下的本构关系模型。

本项目主要研究了低温和应变速率对纳米银线-聚苯胺/聚酰亚胺(Ag NWs-PANI/PI)复合薄膜的结构和性能的影响。首先通过控制溶液体系原料的浓度和投料比实现了高质量Ag NWs- PANI/PI复合薄膜的可控制备；结合课题组相关基础，完成了小型薄膜低温力-电测试系统的研制，并利用低温高分子薄膜小型实验装置研究了低温（20K-300K）和应变速率（1.0*10-5 ~1.0*10-2 S-1）耦合对复合薄膜的结构和性能的影响，并在此基础上初步建立了复合薄膜低温和应变速率耦合下的本构关系模型。研究结果发现当纳米银线含量为9%，聚苯胺/聚酰亚胺（PANI/PI）基体中PANI的含量为10%时得到的复合薄膜具有优异的电学和力学性能，其中室温电导率为187 S/cm，室温下拉伸强度为67.1 MPa，断裂伸长率为3.62%。从固定温度下复合薄膜不同应变速率时的应力应变曲线和拉伸力学性能可以看出，在相同的测试温度条件下应变速率对复合薄膜的应力应变曲线和拉伸力学性能影响较大。随着应变速率的提高，薄膜的拉伸强度不断提高，断裂伸长率下降，当应变速率增加为1.0*10-3 S-1时，薄膜显示出最佳的拉伸力学性能。在相同的测试温度条件下应变速率对复合薄膜的电阻-应变影响较大，随着拉伸应变的增加，复合薄膜的电阻变化逐渐加大。基于低温应变速率耦合结果建立的复合薄膜的本构关系对低温条件下小变形复合薄膜的性能预测具有积极意义。本项目到2019年底研究结果已经发表了SCI论文14篇，获得专利授权2项。