柔性压阻材料(Flexible Piezoresistive Materials,FPM)是一种可以贴附于各种不规则对象表面,并能感知材料表面作用力(压缩、弯曲、拉伸、扭曲等),将外部的机械信号转换为电信号,捕捉材料电性能与外力或形变的定性、定量关系,从而实现力敏传感的材料。由于FPM独特的性能,在医学诊疗、语音识别、可穿戴电子、智能机器人、运动的识别与检测等诸多领域表现出潜在的应用前景。但FPM目前正处在发展初期,许多关键性问题有待进一步深入研究,如传感机制与理论的建立;性能上高灵敏度、快速响应、高导电、优异的使用稳定性,较高拉伸度等多元化的要求,使得FPM面临巨大挑战。本研究主要围绕FPM的内部结构、工作机制、性能与应用几者的关系展开研究。银纳米线(Silver Nanowires,AgNWs)因其优异的导电性与柔韧性,被广泛应用于FPM中,但AgNWs在聚合物基体中极易团聚。本研究利用氢键作用将AgNWs与非导电的水滑石纳米片层(Layered Double Hydroxides Nanosheets,LDHNs)进行组装、杂化,制备了AgNWs/LDHNs纳米杂化物,并将其与水性聚氨酯(WPU)复合,制备了可打印、可丝网印刷、可用笔书写的WPU/AgNWs/LDHNs导电复合材料。LDHNs削弱了AgNWs自身较强的相互作用,促进AgNWs在WPU中的分散,降低复合材料的渗流阈值。结果表明,当AgNWs与LDHNs的比例为4:1时,渗流阈值从10.8 vol%降低至3.1 vol%。将上述导电复合材料通过丝网印刷的方式加工在纸张上制得了纸基弯曲形变传感材料。研究发现,疏化的AgNWs网络对弯曲形变具有更高的灵敏度(0.16 Rad–1)。AgNWs的一维特性使纸基弯曲形变传感材料具有优异的弯曲稳定性(>3000),快速的响应时间(120ms)与松弛时间(105 ms),有望应用于智能机器人系统。采用简单的“浸涂–干燥”工艺分别在棉纤维表面构建了致密、均一、稳定的AgNWs与还原氧化石墨烯(rGO)导电网络,制备了高导电((2.2±0.3)×10–4Ω·cm)的AgNWs棉纤维薄膜。利用表面本征粗糙的AgNWs棉纤维薄膜构建了基于AgNWs负载棉纤维的柔性压阻材料(AgNWs@Cotton FPM),对其机理研究发现,施加压力后,上、下导电棉纤维之间的接触面积(Ac)增加,使得AgNWs@Cotton FPM的接触电阻(Rc)降低;且增加其内部的接触点数目可以显著提高其灵敏度。制备的AgNWs@Cotton FPM对压力的灵敏度最大可达到3.4 kPa–1,响应时间小于50 ms,使用稳定性大于5000次,且AgNWs@Cotton FPM可用于检测声压(0.006 dB–1)等微弱振动以及用于模拟人体关节与肌肉的运动情况。对rGO的结构研究发现,其片层上或边缘具有一定数量的含氧官能团,这些缺陷将rGO划分成单晶区(MDs)与晶界区(GBs),导致rGO棉纤维薄膜较高的体积电阻率(0.26Ω·cm)。本研究将制备的高导电的AgNWs棉纤维薄膜与rGO棉纤维薄膜组装,利用外部载荷施加时高导电AgNWs对rGO的“桥接效应”,设计了基于AgNWs对rGO的“动态桥接效应”的柔性压阻材料(AgNWs–rGO FPM),并提出AgNWs对rGO的“动态桥接效应”的新概念。对AgNWs–rGO FPM的性能研究发现,通过调节“浸涂–干燥”次数可以调节rGO棉纤维薄膜的初始电阻与表面粗糙度,实现对AgNWs–rGO FPM灵敏度的控制。研究结果表明,AgNWs–rGO FPM的灵敏度可达5.8 kPa–1,平均响应时间与松弛时间分别为29.5 ms与15.6 ms,检测极限低至0.125 Pa,使用稳定性超过10000次,使其在脉搏波检测、气流检测以及智能可穿戴电子方面表现出良好的应用前景。在氨纶表面构建了深度约为1.7μm,长度为2.6μm的多尺度波纹状微结构,制备了高导电((7.30±0.21)×10–5Ω·cm)、高拉伸(400%)的核壳弹性纤维,将其互绞制备了具有“互锁式”结构的柔性压阻纤维。弹性纤维表面的波纹状微结构有利于削弱高分子基体的滞后粘弹,赋予柔性压阻纤维快速响应的特点。由于增加FPM内部的接触点数目能够有效提高其灵敏度,所以增加压阻纤维中弹性导电纤维的数量可以提高压阻纤维的灵敏度。研究表明,柔性压阻纤维对压力的灵敏度最大可达0.12 kPa–1,对弯曲形变的灵敏度达到0.012 Rad–1,使用稳定性大于4000次,响应与松弛时间分别达到35 ms与15 ms,检测极限可低至10 mg(0.5 Pa)。制备的可编织、可纺织的柔性压阻纤维在人体关节运动,应力空间分布检测等领域具有潜在应用前景。