【摘 要】
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随着众多柔性功能材料的不断合成以及人们对医疗健康方面的逐渐重视,能够适应生物复杂表面形貌、无生物毒性、可弯曲和延展的柔性传感器在可穿戴生理监测器件、电子皮肤等方面具有广泛的应用前景,而能够实现脉搏、关节屈伸测量和声音识别的多功能柔性压力传感器是研究的重点之一。本文以柔性电阻式压力传感器为研究对象,使用MXene材料碳化钛（Ti3C2Tx）为敏感材料,以印刷导电银浆的聚酰亚胺（PI）薄膜为柔性基底,
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随着众多柔性功能材料的不断合成以及人们对医疗健康方面的逐渐重视,能够适应生物复杂表面形貌、无生物毒性、可弯曲和延展的柔性传感器在可穿戴生理监测器件、电子皮肤等方面具有广泛的应用前景,而能够实现脉搏、关节屈伸测量和声音识别的多功能柔性压力传感器是研究的重点之一。本文以柔性电阻式压力传感器为研究对象,使用MXene材料碳化钛（Ti3C2Tx）为敏感材料,以印刷导电银浆的聚酰亚胺（PI）薄膜为柔性基底,分别在电极层和基底层引入微结构钼金属片（m-Mo）和微结构聚二甲基硅氧烷（m-PDMS）薄膜,并对聚氨酯（PU）海绵和聚乳酸（PLA）纤维采用浸渍法构建了不同的三维MXene复合支撑结构,最终组装形成了两种柔性压力传感器。本文的主要研究内容和测试结果如下:1.使用氦等离子体刻蚀的m-Mo电极与MXene@PU复合海绵共同构建了三明治结构PI/MXene@PU/m-Mo柔性电阻式压力传感器,实验结果表明PU海绵的多孔弹性结构结合m-Mo表面尖锥状微结构深入海绵孔洞提供的丰富的电流收集位点,使器件在0.5-100 kPa的宽响应范围具有r~2=0.995的高线性度。探测灵敏度为1.52[kPa]-1,响应时间为260 ms,探测阈值约为500 Pa,在6000轮重复测试中未见明显性能下降,在应用测试中对脉搏、关节屈伸、足底踩踏均表现出良好的敏感特性,达到可穿戴器件的测试要求。2.使用磨砂玻璃流延制备的m-PDMS薄膜与MXene@PLA复合纺丝薄膜共同构建了叉指电极结构PI/MXene@PLA/m-PDMS柔性电阻式压力传感器,实验结果表明外界压力能够使纤维间距和分布情况发生改变,使依附在其表面的MXene材料接触情况发生改变,同时m-PDMS柔性层提供的粗糙表面使压力更均匀的施加在纺丝薄膜表面,提升了器件的灵敏度。响应曲线在0-30 kPa和30-100 kPa分段线性,探测灵敏度分别为6.89[kPa]-1、1.87[kPa]-1,响应时间为110 ms,探测阈值约为200 Pa,6000次循环测试下有较好重复性。降解实验结果表明复合纺丝薄膜在120 h内基本降解完全,具备环境友好性。在应用测试中对脉搏跳动、手指按压、吞咽、声带振动表现出良好的敏感特性,表明器件对生理运动情况能够进行准确快速的检测。
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