分级孔结构压敏复合泡沫的可控制备及其压阻性能的研究

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基于应力敏感材料制备的触觉传感器件可仿生感知人体触觉,在机器人、健康医疗以及人体假肢等领域均有重要的应用前景,是近年来科技及工业界重点关注的一类可穿戴器件。柔性导电聚合物复合泡沫(Flexible conductive composite polymer foam,CCPF)具有质轻和弹性高等特征,尤其当泡沫受力变形时,内部的导电填料排列发生改变,并迅速引起电阻率的规律性响应(压阻效应),是制备触觉传感器的理想材料之一。开发兼具宽量程和高应力灵敏度特征的CCPF是可穿戴触觉传感器领域的一个重要研究方向。  首先,论文采用有限元的方法模拟了泡沫材料的形变过程,研究表明:在均一孔结构的泡沫中,应力极易在孔壁较薄处集中,引起应变的不均匀分布,由于导电通路的重构仅出现于应变处,致使新生导电通路间相互隔离,无法被外连电路感知。虽然均一孔结构的CCPF可以借助于低模量的聚合物骨架,提高材料的应变值,获取对微小应力的高灵敏度响应性能,但却因此丧失了对大应力的响应能力,材料的应力量程很窄,最大检测限多小于10kPa,无法兼顾触觉传感器件读取关节运动行为(如膝盖关节运动)和超轻微人体生理信号(如脉搏)的基本需求。  其次,论文提出一种基于分级孔结构,同时实现CCPF高应力灵敏度和宽应力量程的设想。在对分级孔结构CCPF的有限元模拟表明,受益于小孔对应力的高效传递,分级孔结构泡沫内部的应力分布更加均匀,因此即便只产生微小的应变,泡沫内部仍可形成贯穿材料体的导电通路,并被外连电路感知。在此基础上适当提高材料的模量,将有望得到应力灵敏度高和应力量程宽的新型CCPF。  再次,论文开发了“W/O”高内相乳液模板法制备分级孔结构CCPF的新方法。聚合反应中,位于内相(水相)的水液滴和氧化石墨烯(GO)颗粒聚集体分别作为小孔和大孔的致孔模板;聚合外相中单体的同时,以抗坏血酸同步还原GO得到还原氧化石墨烯(rGO),后经干燥,一步法得到了分级孔结构的CCPF。在此基础上,通过改变水相电解质浓度,GO尺寸及用量等因素,制备了一系列分级孔结构的CCPF,并研究了材料的压阻行为。  研究表明:  1.分级孔结构的CCPF中,rGO石墨烯仅贴附于大孔的腔壁;非线性有限元的模拟结果表明,材料的压阻行为源于形变时接触电阻的改变,且与材料泊松比对形变的影响有关;  2.采用优化配方得到的分级孔结构CCPF量程为0.6Pa~200kPa,且应力响应性能稳定(10000次);材料不仅可感知蚊子(1.6mg)的起落,而且计算表明该材料可测量大象(5吨)的足底压力;基于该材料制备的应力传感矩阵具有辨识空间应力的能力,可分辨三角形、正方形以及球形物体的形状,甚至可辨识玻璃棒的0.4mm直径差异;  3.以优化的配方制得的CCPF能够分辨人体脉搏、不同单词发声时颈部肌肉运动的差异、指关节的弯曲以及抓握重物时指尖应力的变化。  由此证实,具有分级孔结构的CCPF可为机器人以及健康监测用“穿戴式器件”提供材料基础。
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