【摘 要】
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近年来,可穿戴电子设备的核心部件应变传感器,在人体运动/健康监测、人机交互、仿生机器人等领域具有广阔的应用前景,越来越多地受到人们的广泛关注。传统应变传感器通常依赖于金属和半导体等刚性材料,普遍存在应变测量范围小、与人体皮肤力学匹配差,因而无法满足柔性可穿戴设备的发展需求。基于柔性聚合物基体构建聚合物基导电纳米复合材料,并以此为电极构筑柔性可穿戴应变传感器,可贴合在衣物或皮肤上,通过受力应变过程中
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近年来,可穿戴电子设备的核心部件应变传感器,在人体运动/健康监测、人机交互、仿生机器人等领域具有广阔的应用前景,越来越多地受到人们的广泛关注。传统应变传感器通常依赖于金属和半导体等刚性材料,普遍存在应变测量范围小、与人体皮肤力学匹配差,因而无法满足柔性可穿戴设备的发展需求。基于柔性聚合物基体构建聚合物基导电纳米复合材料,并以此为电极构筑柔性可穿戴应变传感器,可贴合在衣物或皮肤上,通过受力应变过程中导电填料网络结构的演变,从而将应变信号转化为便于信息处理的电学信号,因此具有重要的研究价值和应用前景。然而,如何低成本、高效制备具有高拉伸弹性、高导电性能和高循稳定性的聚合物基导电纳米复合材料及其柔性应变传感器件仍然面临着挑战。鉴于此,本论文以氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）作为柔性聚合物基底,以碳纳米管（CNTs）作为导电纳米填料,分别利用热压法和呼吸图案法制备出超疏水CNTs/SEBS复合材料和蜂窝孔结构CNTs/SEBS复合材料,组装了柔性应变传感器件并详细研究了其应变传感性能。本论文的主要研究内容如下:1.利用热压法将原始CNTs粉末复合在SEBS材料表面,从而制备了超疏水CNTs/SEBS复合材料。原始CNTs粉末在压力条件下逐渐嵌入加热至粘流态的SEBS中,利用冷却过程中CNTs和SEBS材料不同的收缩率,使得CNTs层在SEBS材料表面形成独特的褶皱结构。CNTs/SEBS复合材料具有非常好的疏水性能,静态水接触角达到161°,并且在多种条件下仍能保持稳定的超疏水性能。基于超疏水CNTs/SEBS复合材料的柔性应变传感器具有优异的应变传感性能,最大应变监测范围可达80%,响应时间约为80 ms,滞后效应小,具有高可重复性和动态耐久性。所组装的柔性可穿戴应变传感器既可测量手部弯曲等大形变运动,也可监测发声、脉搏等小形变运动。因此,超疏水CNTs/SEBS复合材料及其柔性应变传感器在可穿戴设备领域具有潜在的应用前景。2.利用动态呼吸图案法制备了表面蜂窝孔结构的SEBS材料,而后对蜂窝孔结构SEBS材料喷涂CNTs稳定分散液,从而制备出蜂窝孔结构CNTs/SEBS复合材料。研究表明水温、SEBS溶液浓度和通气时间都可调控蜂窝孔SEBS材料的孔径结构。蜂窝孔结构SEBS材料经喷涂CNTs后具有良好的导电性（ρv=1.14Wm）。基于蜂窝孔结构CNTs/SEBS复合材料的柔性应变传感器具有大应变测量范围（120%）,电阻线性响应范围可分为3个区域,分别为0%-13%、13%-65%和65%-120%,在这3个区域内灵敏度系数Gauge Factor（GF值）分别达到1.51、3.01和1.74。此外,该应变传感器具有较快的响应时间（82 ms）,同时具有非常好的动态耐久性,经拉伸回复循环1000次后电阻值响应几乎没有变化。因此,蜂窝孔结构CNTs/SEBS复合材料及其柔性应变传感器在可穿戴设备领域具有潜在的应用前景。
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