一种抗伽马辐射的基于碳纳米管海绵PDMSWO3复合力敏结构

一种抗伽马辐射的基于碳纳米管海绵/pdms/wo3复合力敏结构
技术领域
1.本发明涉及复合力敏材料和抗辐照技术领域，具体为一种抗伽马辐射的基于碳纳米管海绵/pdms/wo3复合力敏结构。


背景技术：

2.抗辐照的力敏材料，不仅可以实现在辐照环境中实时监测物体应变，还可以保护工作在强辐射等危险环境中的电器或者工作人员。对力敏材料进行抗辐照设计，可以扩大其应用范围，增加其在恶劣环境中的使用寿命，具有重要的应用价值，尤其是在航空航天、军工、核能等有关的行业。
3.随着航空航天、医学、核反应等领域的发展，柔性力敏材料不可避免的暴露在x射线、中子、伽马射线等高能辐照下。长期处于高能射线辐照中的材料，其分子链吸收电离能会发生断裂破坏，进而影响复合材料的性能，使得器件寿命缩短，稳定性变差。而且，在这些领域中，更换材料十分困难，因此材料的可靠性和安全性尤为重要。为了提高柔性力敏材料在这些场景中的使用寿命和可靠性，设计一种方法改善力敏材料的抗辐照性能具有重要的研究价值。而传统的抗辐照方法，利用厚重的金属壳体，其工艺复杂、体积庞大、且厚重，不利于小型化的发展。且柔性力敏材料需要良好的柔韧度，需具备可拉伸、压缩、弯曲等性能，这是目前发展较少的技术。
4.随着科技进步，新的材料和新的原理逐渐被研究、提出，并被应用在各行各业中。如今纳米技术蓬勃发展，纳米尺寸的材料被广泛应用于信息存储、生物医学等多个领域，发挥重要作用。通过将小颗粒的材料与某些材料结合，在不损失复合材料原本性能的条件下，增加更多的功能，以此来更好地提升器件的可靠性与使用寿命。


技术实现要素：

5.本发明为解决力敏材料在辐照环境下的性能损失这一难题，研制具有抗伽马辐照性能的柔性力敏复合结构，具体为一种三层夹层的复合力敏抗伽马辐照材料的结构设计及其制备方法，该复合力敏材料表现出良好的抗辐照性能。
6.本发明是采用如下技术方案实现的：一种抗伽马辐射的基于碳纳米管海绵/pdms/wo3复合力敏结构，包括位于中间的碳纳米管海绵层，所述碳纳米管海绵层的两侧表面附着与pdms层，所述pdms层内浸渍有wo3颗粒。
7.本发明所述力敏结构具体为三层复合结构：中间层由碳纳米管海绵和pdms构成导电层，用于表现柔性力敏性能；上下两层由氧化钨和pdms构成辐照屏蔽层，用于屏蔽伽马射线。
8.本发明的设计原理为：在柔性聚合物中加入导电填料，填料彼此间连接，在聚合物基底中形成复杂的导电网络。填料材料不同，基底对其会有不同的粘结效果。当对样品施加应变时，基底连着填料一起发生位移，填料彼此间距发生变化，导致导电网络变化，使整体
样品电学性能发生变化。通过测试样品的电学性能变化，来反应出应变。重金属元素与伽马射线发生光电效应、康普顿效应以及电子对效应等作用，通过吸收损耗伽马射线的能量，达到实现伽马射线屏蔽的目的。通过在柔性聚合物中添加带有重金属元素的化合物颗粒，增加其对伽马射线的损耗，达到屏蔽伽马射线的作用。
9.制备该复合力敏结构所用材料包括碳纳米管海绵、pdms、氧化钨、固化剂。采用如下步骤制备：首先，将wo3粉末和pdms按质量比为1:1混合均匀；然后按照固化剂与pdms质量比为1:10，将固化剂加入到混合液中，再次搅拌均匀；接着将碳纳米管海绵完全浸泡在混合液中，于真空条件下静置12h，消除溶液中的气泡，最后在80℃下保持2h固化成形，完成结构的制备。或者，制备中，先将氧化钨粉末均匀分散在pdms与固化剂溶液中，然后将碳纳米管海绵浸泡在混合溶液中，再进行除气泡和固化，形成具有抗伽马辐照功能的三层复合力敏结构。
10.所用碳纳米管海绵，碳管的内径为10~20nm，碳管的外径为30~50nm，呈现为黑色块状，可以构成导电网络。
11.所用pdms为一种透明柔性聚合物材料，具有良好的拉伸性能、绝缘性、一定的环境稳定性，可附着在待测物体表面。
12.所用氧化钨（wo3）粉末为淡黄色粉末，粒径有微米纳米级别的，可用来屏蔽伽马射线。
13.其中，复合材料碳纳米管海绵、氧化钨粉末与pdms之间都有良好的界面结合，在反复拉伸弯曲下，都能恢复原状；该复合结构具有良好的柔性，并且可以任意切割成不同大小形状，满足不同的场景需求。
14.所述复合力敏结构的性能测试如下：1、搭建力敏性能测试平台：在实验台上固定两夹具，一个夹具固定在试验台上，不可移动；另一个夹具固定在位移台上，保证两夹具在同一水平面。位移台与电脑连接，电脑可以控制其速度、方向以及移动距离。
15.2、测试力敏性能：切出长度为2cm、宽度为1cm的小样品块，将两端分别固定在两个夹具上。万用表连接在样品两端，并通过传输线用usb口连接到电脑上，用上位机软件实时记录样品的阻值变化。
16.3、伽马辐照实验：样品放置在玻璃瓶内，利用辐照源为60co-γ射线，能量值为1.25mev，最大剂量率为25gy/min，对样品进行剂量为5kgy、20kgy、50kgy、100kgy的辐照实验。
17.4、再次测试力敏性能：将辐照后的样品放到力敏性能测试实验台上，再次测试力敏性能。为了防止实验环境等外界条件影响力敏性能，力敏测试实验均在同一实验平台、同一环境下进行。
18.本发明制备简单、成本低、化学稳定性良好、弯曲性能良好，应用场景广；该复合结构可以贴在待测物体表面，检测其弯曲、拉伸等的变化，还可以防止伽马辐照对待测物体的损伤。
19.本发明设计合理，对研制具有抗辐照性能的力敏传感器有着重要的意义和价值，有利于力敏结构在航空航天、放射医疗等领域的应用，具有很好的实际应用价值。
附图说明
20.图1表示本发明所述的三层力敏复合结构示意图。
21.图2表示本发明流程图。
22.图3表示本发明的样品截面光学显微镜照片。
23.图4表示伽马辐照前后样品的力敏性能测试图。
24.图中：1-碳纳米管海绵，2-pdms，3-氧化钨颗粒。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
26.一种抗伽马辐射的基于碳纳米管海绵/pdms/wo3复合力敏结构，本复合结构由碳纳米管海绵、pdms以及氧化钨颗粒组成。如图1所示，包括位于中间的碳纳米管海绵层1，碳纳米管海绵层1的两侧表面附着与pdms层2，pdms层2内浸渍有wo3颗粒3，其中，碳纳米管海绵层1也会浸入pdms。
27.本发明所述的复合力敏结构为三层夹层结构：中间夹层由碳纳米管海绵以及pdms组成，碳纳米管海绵提供导电网络，pdms作为柔性基底，这一层用来实现力敏效果；上下两层由氧化钨粉末以及pdms组成，氧化钨用来屏蔽伽马射线，pdms作为柔性基底。
28.该复合力敏结构采用如下步骤制备：首先，将wo3粉末和pdms按质量比为1:1混合均匀；然后按照固化剂与pdms质量比为1:10，将固化剂加入到混合液中，再次搅拌均匀；其中pdms为道康宁公司的dc184pdms光学胶，与之配套的有pdms固化剂。接着将碳纳米管海绵浸泡在混合液中，调整海绵的位置浸入完全。由于碳纳米管海绵中的孔隙很小，氧化钨粉末难以进入其中（但pdms会浸入至碳纳米管海绵中），所以在真空条件下静置12h，消除溶液中的气泡，最后在80℃下保持2h固化成形，完成结构的制备。或者，也可以先将氧化钨粉末均匀分散在pdms与固化剂溶液中，然后将碳纳米管海绵浸泡在混合溶液中，再进行除气泡和固化。实验制备了此结构，具体的三层结构在显微镜下的展示为图3所示，此图为样品截面图，可以明显地看出中间为黑色的碳纳米管海绵与pdms混合层，上下包裹着氧化钨与pdms混合层。实验中使用的氧化钨粉末有一定量的杂质，上下层中的黑色小点即为杂质。
29.具体实验中所用氧化钨粉末的粒径为200nm。氧化钨含量越高，会导致柔性变差，但屏蔽效果与氧化钨含量成正比。因此氧化钨与pdms混合时，氧化钨质量分数为50%是兼顾其柔性与屏蔽效果。
30.所用碳纳米管海绵的碳管内径为10~20nm、碳管外径为30~50nm，呈现为黑色块状，可以构成导电网络，具有良好的完整的导电通路，可以提供较好的力敏性能。
31.所用pdms为一种透明柔性聚合物材料，具有良好的拉伸性能、绝缘性、一定的环境稳定性，可附着在待测物体表面；柔性胶体，保证整体材料的柔性、可拉伸、弯曲等。
32.所用氧化钨（wo3）粉末为淡黄色粉末，粒径有微米纳米级别的，为一种具有重金属钨元素可以用来屏蔽伽马射线的材料，但导电性差，不会影响导电网络。
33.复合材料碳纳米管海绵、氧化钨粉末与pdms之间都有良好的界面结合，在反复拉伸弯曲下，都能恢复原状；该复合结构具有良好的柔性，并且可以任意切割成不同大小形状，满足不同的场景需求。
34.具体实验中，制备的样品总厚度为2.2mm，上下层厚度均为0.5mm，中间层厚度为
1.2mm。具体结构展示在图1中。
35.当伽马射线辐照时，首先经过由pdms与wo3颗粒构成的屏蔽层，消耗大部分射线能量，保护了中间导电层不受破坏。此结构贴在待测物表面，当待测物发生应变时，此结构也随之变化，中间碳纳米管海绵与pdms构成的导电层将会发生电学信号变化。通过电信号的变化，反应出应变。
36.具体测试流程如下，如图2所示：（1）搭建力敏性能测试平台：在实验台上固定两夹具，一个夹具固定在试验台上，不可移动；另一个夹具固定在位移台上，保证两夹具在同一水平面。位移台与电脑连接，电脑可以控制其速度、方向以及移动距离。
37.（2）测试力敏性能：首先制备出样品，在样品上切出长度为2cm、宽度为1cm的小样品块，将两端分别固定在两个夹具上。万用表连接在样品两端，并通过传输线用usb口连接到电脑上，用电动位移台控制样品移动，拉伸速度设定为1mm/s，万用表记录样品的电阻变化，用上位机软件实时记录样品的阻值变化，得出力敏性能。
38.（3）伽马辐照实验：样品放置在玻璃瓶内，利用辐照源为60co-γ射线，能量值为1.25mev，最大剂量率为25gy/min，对样品进行剂量为5kgy、20kgy、50kgy、100kgy的辐照实验。
39.在中国辐射防护研究院进行伽马辐照实验，对辐照后的样品，再次进行力敏性能测试。
40.（4）再次测试力敏性能：将辐照后的样品放到力敏性能测试实验台上，再次测试力敏性能。为了防止实验环境等外界条件影响力敏性能，力敏测试实验均在同一实验平台、同一环境下进行。
41.本实施例实验测试了一个具体的样品性能，其辐照前后的力敏性能曲线展示为图4。其中，标注为0kgy的曲线，即为没有辐照情况的力敏性能曲线，然后辐照剂量逐渐由5kgy增大到100kgy，辐照后所测试的力敏性能曲线也展示在图中。从图中可以看到，力敏特性曲线趋势一致，五条曲线几乎重合。表明了经伽马辐照后，样品的力敏特性几乎没有发生变化。力敏性能对伽马辐照不敏感，因此说明此结构在力敏应用中具有抗辐照性能。
42.以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。