【摘 要】
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目前,智能可穿戴设备的应用规模已达到了一个全新的高度,其中压阻传感器的研究也取得了较大进展,但兼顾灵敏度、检测极限、检测范围、响应和恢复时间以及循环使用性的压阻传感器的开发仍存在挑战。静电纺丝纳米纤维的杨氏模量低、长径比高,施加较小的外部压力即可实现较大的压缩变形,是制备压阻传感器的理想材料选择。本文以静电纺丝纳米纤维为基础,通过仿生等结构设计,将还原氧化石墨烯(rGO)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩
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目前,智能可穿戴设备的应用规模已达到了一个全新的高度,其中压阻传感器的研究也取得了较大进展,但兼顾灵敏度、检测极限、检测范围、响应和恢复时间以及循环使用性的压阻传感器的开发仍存在挑战。静电纺丝纳米纤维的杨氏模量低、长径比高,施加较小的外部压力即可实现较大的压缩变形,是制备压阻传感器的理想材料选择。本文以静电纺丝纳米纤维为基础,通过仿生等结构设计,将还原氧化石墨烯(rGO)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)分别包裹在纳米纤维表面,在实现高导电性的同时,再结合纳米纤维的结构优势,实现了高性能压阻传感器的制备。具体研究内容如下:(1)将rGO包覆在聚丙烯腈(PAN)短纳米纤维表面制成柔性膜,再结合双向预拉伸方法构建无规褶皱结构,制备出具有“褶皱-脉络-片层”三级结构的rGO/纳米纤维基传感活性层,最终封装成柔性压阻传感器。由于纳米纤维和褶皱结构对接触位点的贡献,所制备的传感器显示出30,000 s的超高循环耐久性,检测范围达到了2.83 Pa-23.81 k Pa,在0-2.83k Pa下灵敏度可达318.14 k Pa-1,并且可以准确识别触摸、咀嚼、发声和握拳等人体活动。(2)采用预拉伸手段创造了具有高比表面积的类指纹3D褶皱纳米纤维结构。然后以该3D褶皱纳米纤维为结构载体,选用柔性PEDOT做导电材料,通过气相聚合方式构筑新型传感活性层,用于柔性压阻传感器。这种基于褶皱纳米纤维膜(WNF)的柔性压阻传感器在较小压力(0-3 k Pa)检测方面具有397.54 k Pa-1的超高线性灵敏度、1 Pa-25 k Pa的超宽压力检测范围,响应和回复时间分别快达80 ms和30 ms。此外,该传感器能够准确识别手腕脉搏和关节弯曲等或细微或显著的信号。
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