基于导电高分子复合材料的低滞后柔性传感器的制备及性能研究

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导电高分子复合材料(CPCs)因具备优异的柔韧性、高的性价比以及良好的可加工性等特点,常被用来组装用作应变传感器材料。近年来,可拉伸应变传感器在柔性电子皮肤、人体运动监测、人机界面、软机器人、人工智能等领域的大规模应用引起了学术和工业界广泛的关注。在这些前沿应用中,许多学者在实现高线性度、低滞后、高灵敏度、低监测极限、快速响应时间以及长期使用稳定性等优异性能方面做出了努力。然而,如何将这些优异传感性能在同一个传感器上同时实现仍然面临很大的挑战。本文中,我们分别以聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性泡沫和双螺旋弹性纤维作为高分子柔性基体,以碳黑(CB)纳米颗粒和本征导电高分子聚苯胺(PANI)为导电填料,利用模板法、超声分散和原位合成等方法,将导电填料负载到柔性高分子基体上面,构建稳定的导电网络,详细研究了所制备的导电高分子复合材料的内部结构形貌和应变响应性能,主要研究内容和结论如下:(1)具有高线性度和低滞后的PDMS/CB导电复合泡沫的制备及其敏感性能研究我们以具有优异弹性的PDMS泡沫材料作为柔性基体,以CB为导电填料,利用模板法和超声分散法制备出了多孔PDMS/CB导电复合泡沫材料。通过研究其断面形态,我们发现CB纳米颗粒均匀地分布在PDMS泡沫的表面,形成了较为完善的三维导电网络;同时,通过红外分析发现CB和PDMS基体之间具有一定的界面相互作用,使得构建的三维导电网络更加稳定。PDMS/CB导电泡沫材料具备优异的线性响应(0-70%应变范围,R~2为0.996)和非常低的电学滞后(60%应变下的滞后度为1.2%)。此外,PDMS/CB导电泡沫材料应变范围大(76%)、灵敏度较高(8.3)、响应时间快(100 ms)、长期耐久性好(>20100次循环拉伸回复测试)。PDMS/CB导电泡沫材料能够监测多种人体运动信号,不仅能监测大应变的人体运动信号(步行、踏步、跑步、手肘弯曲等),还可以对微小应变信号的进行在线监测,例如鼓腮、握拳、吞咽等微弱肌肉运动。PDMS/CB导电泡沫材料还具有良好的传感稳定性和可重复性,其在柔性可穿戴设备领域显示出良好的应用前景。(2)低滞后Fiber/PANI/CB导电复合纤维的制备及性能研究以双螺旋弹性纤维作为基体材料,以PANI和CB为导电填料,通过原位聚合和超声分散的方法制备了Fiber/PANI/CB导电复合纤维。微观形貌研究表明,PANI纳米颗粒均匀地分布于弹性纤维的表面,CB纳米颗粒则均匀地负载到Fiber/PANI的表面,从而形成稳定的导电网络。由于纤维基体具有优异的弹性,该导电复合纤维具有低的电学滞后(40%应变下滞后度为5.1%),大的应变响应范围(200%),高的灵敏度(应变为0-10%时灵敏度为10),快的响应时间(60ms/80 ms)和高的耐久性(>10000次循环拉伸测试)。同时兼具较低的监测极限(0.5%),出色的弯曲响应耐久性(>3000次循环弯曲测试)。该导电复合纤维可以有效地监测多种人体运动,进行人机交互,且表现出良好的稳定性和可重复性,研究为设计出同时具有大应变范围和高灵敏度的柔性可穿戴应变传感器提供了新思路。
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