基于离断应变响应机制的高性能应变传感器研究

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柔性应变传感器是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、甚至可折叠性,而且结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对复杂的被测量单位进行检测,有望应用于结构健康监测、医疗保健、智能穿戴、人造假肢、环境监测等领域。但是,要实现其在以上领域的应用,柔性应变传感器还需解决灵敏度低和应变测量范围有限的难题:要实现高的灵敏度,必须使器件在有限的形变范围内产生大的结构变化,引起器件电学信号明显的改变;而要获得宽的应变测量范围,就需器件变形时保持结构的完整性。这就造成了现今柔性传感器无法同时获得高灵敏度和宽应变测量范围。为了解决以上难题,本课题基于粉碎-离断的应变响应机制,以粉碎化碳化海绵及粉碎化碳纳米管(CNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合物为导电材料,制备了高性能的应变传感器。本论文主要涵盖以下四个方面内容:(1)通过系统调研,明确现有柔性应变传感器存在的关键科学技术问题为高灵敏度和宽应变测量范围不可兼得的难题。(2)基于粉碎-离断的应变响应机制,制备了基于粉碎化碳化海绵的应变传感器。其灵敏度和应变测量范围分别为~18.7和80%,优于现有商用应变片(~2,~2%)。(3)基于粉碎-离断的应变响应机制,制备了基于粉碎化CNT/PDMS的应变传感器。其灵敏度可达1362.8,应变测量范围为80%。(4)在以上研究基础上,选用了基于粉碎化碳化海绵的应变传感器,探究了其在运动体征监测等方面的应用。
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