【摘 要】
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导电高分子纳米复合材料基柔性应变传感器由于质轻、易加工成型、机械性能和化学稳定性好等特点,在可穿戴电子设备、智能机器人、人机交互等领域具有广阔的应用前景。近年来,高精密可穿戴电子设备的快速发展对传感器的灵敏度和识别精度提出了更高的要求,同时,穿戴过程中人体汗液或生活污水对传感器信号稳定性的影响也是亟待解决的关键问题。为此,本学位论文通过对柔性应变传感器的导电活性层进行结构设计,构筑具有微裂纹结构的
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导电高分子纳米复合材料基柔性应变传感器由于质轻、易加工成型、机械性能和化学稳定性好等特点,在可穿戴电子设备、智能机器人、人机交互等领域具有广阔的应用前景。近年来,高精密可穿戴电子设备的快速发展对传感器的灵敏度和识别精度提出了更高的要求,同时,穿戴过程中人体汗液或生活污水对传感器信号稳定性的影响也是亟待解决的关键问题。为此,本学位论文通过对柔性应变传感器的导电活性层进行结构设计,构筑具有微裂纹结构的导电网络来提高传感器的灵敏度;并通过在其表面包覆具有微纳结构和低表面能的超疏水涂层,开发出具有超疏水特性的高性能柔性应变传感器。主要研究成果如下:(1)采用溶液浸涂工艺将导电Ti3C2Tx MXene纳米片均匀涂覆在普通打印纸上,然后在其表面均匀沉积具有微纳结构和低表面能的石蜡烟灰颗粒层,成功制备了超疏水纸基弯曲应变传感器。利用Ti3C2Tx MXene导电涂层与纸张基体间弹性模量和热膨胀系数的差异,通过热处理成功地在导电涂层中构筑了超灵敏的微裂纹结构。当纸基传感器在外力作用下发生弯曲形变时,导电涂层中微裂纹的扩展与闭合引起整体电阻的显著变化,从而展现出优异的应变传感能力。该纸基传感器实现了在0-0.6%弯曲应变内的高灵敏度(gauge factor,GF=17.4)和低检测限(0.1%应变),并且在1000次弯曲循环中展现出良好的耐疲劳性和稳定性。此外,石蜡烟灰涂层赋予了传感器优异的防水性(水接触角(water contact angle,WCA)=157°)、耐化学腐蚀性和对常见生活污渍良好的自清洁能力,使传感器对水环境下剧烈和微弱的人体运动也能进行稳定、有效的监测。此外,该传感器也可应用于电子皮肤,在可穿戴电子设备领域展现出广阔的应用前景。(2)采用溶胀超声和浸涂工艺在橡皮筋(rubber band,RB)表面构筑碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)/还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,r GO)协同双导电涂层,然后在其表面超声负载疏水气相纳米二氧化硅(hydrophobic nano-fumed silica,Hf-Si O2)颗粒,成功制备了兼具高灵敏度和宽应变响应范围的超疏水RB基拉伸应变传感器。CNTs构成的第一层导电网络在宽应变范围内的稳定性赋予传感器宽的应变工作区间,r GO协同导电层在拉伸过程中受力产生高灵敏的微裂纹结构,使传感器在整个区间均具有高的应变灵敏度(ε=0-482%,GF为685.3)。该传感器可实时监测摆臂、奔跑等剧烈的人体活动和声带振动、心跳等极其微弱的人体生理信号,在人体运动、健康监测领域具有广阔的应用前景。此外,Hf-Si O2超疏水涂层赋予传感器良好的防水性(WCA=156°)和耐化学腐蚀能力,确保了其在恶劣户外环境中的传感响应稳定性。基于导电RB制成的电子织物可以精确感知和区分外部应力刺激的位置和大小,在触觉传感领域展现出一定的应用潜能。
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