柔性温度传感器的研究与制备

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随着物联网和信息技术的不断发展,柔性电子器件日益受到人们的关注和重视,柔性温度传感器更是备受青睐。温度是反映被测物体和周围环境状态的最基本物理参数,几乎涉及所有的化学反应过程。传统的温度传感器大多采用刚性材料作为衬底,限制了温度传感器在工业、制造业和生物医疗领域的发展与应用。因此,急需将温敏材料与柔性基板结合,研究与设计灵敏度高、抗干扰性强和成本低的柔性温度电子器件。本文采用简单的工艺方法,低成本的实验方案,制备了聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管(PDMS/MWCNTs)柔性温度传感器、PDMS/Ti3C2Tx柔性温度传感器和基于Ti3C2Tx的温敏织物。针对三种温敏材料分别进行了表征和温敏机理研究,对制备的柔性温度传感器进行了测试,具体工作如下:(1)制备了具有负电阻温度系数的PDMS/MWCNTs复合材料。通过扫描电子透镜(SEM)观察了PDMS/MWCNTs截面形貌,利用聚酰亚胺(PI)作为衬底,采用光刻以及磁控溅射等MEMS微加工工艺制备PDMS/MWCNTs柔性温度传感器。测试了PDMS/MWCNTs柔性温度传感器的稳定性、灵敏度、可重复性以及曲面应用性。当MWCNTs的质量分数为PDMS的10%时,PDMS/MWCNTs传感器的电阻温度系数(TCR)为-0.183%/°C。此外,PDMS/MWCNTs10%材料具有良好的重现和稳定性(电阻仅波动0.15%)。处于拉伸状态时,PDMS/MWCNTs10%传感器仍然保持原有的温敏性能(-0.247%/°C)。PDMS/MWCNTs10%具有高线性度(99.94%)与强抗腐蚀性的优点,有望以温敏薄膜形式应用于精密电子设备。(2)制备了二维过渡金属碳化物Ti3C2Tx,并研究了Ti3C2Tx的稳定性。利用超声溶液共混法,制备了具有正电阻温度系数的PDMS/Ti3C2Tx复合材料。利用SEM与拉曼光谱观察和验证了刻蚀后Ti3C2Tx结构以及复合材料的表面形貌。通过聚对二甲苯(Parylene-C)封装,制备了PDMS/Ti3C2Tx柔性温度传感器,具有良好的抗干扰性,几乎不受氧气的影响(电阻仅波动0.192%)。此外,在30%–60%相对湿度范围内,PDMS/Ti3C2Tx材料的电阻波动仅为1.128%。利用数值分析软件在20°C–41°C的范围内,模拟了复合材料的热膨胀形变,PDMS最大位移变化了3.5倍。Ti3C2Tx导电网络在热刺激下被拉长,在26°C–75°C范围内传感器电阻上升10%。其中,在30°C–42°C范围内显示出良好的TCR与线性变化,TCR平均为0.417%°C-1,线性相关系数(R~2)为0.9959。与已报道的MXene基温度传感器相比,本文制备的传感器具有更好的循环稳定性,能够承受连续多次的热刺激。PDMS/Ti3C2Tx柔性温度传感器不仅可用于监测物体和人体日常活动中的温度变化,在可穿戴皮肤电子产品中也具有巨大潜力。(3)制备了无添加剂的Ti3C2Tx墨水。选取天然高分子纤维(全棉、羊毛)与人工合成纤维(涤纶、尼龙),采用浸涂的方法与Ti3C2Tx墨水结合,制备了Ti3C2Tx温敏织物。其中,Ti3C2Tx/尼龙的TCRmax高达-2.6%/°C。通过导电墨水与纺织基材的结合,使得温度传感器能够嵌入基于织物的网络中,未来有望为穿着者提供良好的温度传感功能和舒适感。
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