基于MXene混纺的柔性自驱动触觉传感器

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近年来由于可穿戴电子器件领域的快速发展,对穿着舒适度高、透气性好的柔性触觉传感器阵列的需求日益提高。同时因电池寿命、安全隐患与可穿戴舒适的需求,科学家们一直追求可穿戴设备从人体运动和生理活动中摄取能量,实现自供能。基于摩擦起电效应的触觉传感器,可以直接将机械能转化为电能,具有低功耗的特点,也是实现传感系统自供能的有效途径。此外,还具有结构简单、成本低、质量轻以及选材丰富等优点,是目前可穿戴传感器的研究热点之一。与此同时,纳米纤维薄膜由于具有良好的透气性、舒适性,制备工艺简单的优势,在可穿戴领域具有重要的研究和应用价值。因此基于摩擦起电式传感器和纳米纤维薄膜的优势,本课题设计并制备了基于MXene混纺的柔性自驱动触觉传感器,具体内容如下:(1)采用原位刻蚀法成功制备了多层结构并且含F基团的MXene粉末。随后将该粉末加入到PVDF溶液中,得到PVDF/MXene混合溶液。采用溶液气体纺丝(SBS)技术制备大面积(20×50 cm~2)的PVDF/MXene纳米纤维薄膜。纳米纤维薄膜具有3D网络结构及良好的透气性,并且MXene粉末混纺在PVDF薄膜中并在表面均匀分布。进一步制备了使用该薄膜作为关键结构的摩擦纳米发电机(TENG)柔性自驱动触觉传感器。(2)对制备得到的柔性自驱动触觉传感器进行了性能表征与调控。首先,基于SBS技术得到的自驱动触觉传感器具有良好的柔性、疏水性、透气性、可水洗以及可裁剪等基本可穿戴性能。其次,传感器的电学输出性能与器件面积成正比关系。PVDF/MXene混纺的自驱动触觉传感器的最佳混合浓度为15%时,最大输出电压为108 V,灵敏度为12.33 V/k Pa。(3)研究了自驱动触觉传感器在能量收集、健康监测和阵列传感上的应用。当用作能量收集时,在外部负载电阻为500 MΩ时,具有12.6 m W/m~2的输出功率密度,这表明传感器具有自供电潜力。当与人体结合作为生物力学能量采集器时,它可以给商业电容器充电,并持续驱动低功率电子器件和74个LED。用作健康监测时,可以监测手指、手腕以及膝盖弯曲的电压响应。还可以设计成3×3和5×5阵列,用于压力映射和滑动轨迹识别。因此,这种触觉传感器在可穿戴设备、软体机器人和人机互动方面显示出良好的应用前景。
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