【摘 要】
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在向智能化时代发展的进程中,小型化、便携化以及集成化的柔性电子产品大量涌现。传感器作为电子产品最核心的元件需要具备良好的柔韧性、灵敏度、工作稳定性、质轻等特点。其中,应力/应变传感器是一类能将机械形变或压力转化为电信号的物理传感器,传统的应力/应变传感器因缺乏柔韧性、可穿戴性以及多功能等性质而逐渐失去在柔性电子产品市场的竞争力。此外,将传感器应用于可穿戴电子领域时,电池不足以为其长期运行提供足够的
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在向智能化时代发展的进程中,小型化、便携化以及集成化的柔性电子产品大量涌现。传感器作为电子产品最核心的元件需要具备良好的柔韧性、灵敏度、工作稳定性、质轻等特点。其中,应力/应变传感器是一类能将机械形变或压力转化为电信号的物理传感器,传统的应力/应变传感器因缺乏柔韧性、可穿戴性以及多功能等性质而逐渐失去在柔性电子产品市场的竞争力。此外,将传感器应用于可穿戴电子领域时,电池不足以为其长期运行提供足够的能量,因此,应力/应变传感器的可持续供能问题亟待解决。纤维,被誉为人类的第二层皮肤,具备优良的柔性、较大的比表面积且质轻柔软,是新型应力/应变传感器的理想基材,纳米纤维更能发挥纤维在尺度上的优势。因此,本论文以细菌纤维素(BC)和静电纺纳米纤维为基材,通过静电自组装、物理结合、原位聚合和静电纺丝等技术方法制备出纳米纤维基自供能应力/应变传感材料。以提高传感器的灵敏度为主要目标,从传感材料制备中的基底材料和活性功能材料的界面结合方式入手研究,探究制备过程中的工艺参数,以获得高灵敏度、宽检测范围和循环稳定性良好的应力/应变传感材料。此外,对基于摩擦电效应的自供能传感器进行输出性能测试,分析其自供能压力传感性能,并将其应用在人体运动检测上。主要研究内容如下:(1)采用静电自组装技术将活性材料碳纳米管(CNTs)引入基底材料BC水凝胶中,制备碳纳米管/细菌纤维素(CNTs/BC)复合水凝胶材料,对其形貌结构及性能进行表征分析发现,CNTs的引入,使水凝胶的拉伸力学性能、电学性能和热稳定性提升。将复合水凝胶组装成压阻式应变传感器后,传感器在不同拉伸应变和运动频率下均呈现出稳定且可重复的电阻信号。传感器的灵敏度为1.57,最大应变达70%,且能用于不同人体关节运动和不同弯曲角度的检测与辨识,在可穿戴电子领域具备潜能。(2)为将单一应变传感发展为应力和应变双功能传感,并提高传感器的灵敏度,将BC水凝胶破碎成更易与活性材料结合的单纤维状,采用物理结合的方法将活性材料CNTs和炭黑(CB)引入复合水凝胶中,成功制备了一种具有多孔结构的水凝胶。一方面,将水凝胶组装成压阻式应变传感器,传感器对外输出极稳定的电阻信号,且灵敏度达5.01。另一方面,将水凝胶组装成电容式压力传感器,传感器具有辨别不同压力的能力,灵敏度达0.033 k Pa-1,可检测337 k Pa范围内的压力值。基于传感器对应变和压力的灵敏响应,最后将水凝胶设计组装成一种应力/应变双传感器检测系统,用于检测人体关节运动、行走和重物抓取。(3)为进一步提高传感器的灵敏度,采用原位聚合苯胺的策略增强基底材料与活性材料之间的界面结合。使用BC纳米纤维直接作为骨架材料,壳聚糖(CS)作为填充材料,利用冷冻干燥技术制备得到三维多孔导电气凝胶材料。一方面,将导电气凝胶材料组装成压力传感器,传感器具有1.41 k Pa-1的高灵敏度,且最低检测极限达32 Pa。另一方面,在多孔气凝胶网络结构中渗入聚二甲基硅氧烷(PDMS),组装成应变传感器,对人体大幅度运动和细微生理活动均具备良好的响应和检测能力。(4)为解决传感器电源的可持续供给问题,研究了基于摩擦纳米发电效应的自供能传感器,构建了垂直接触分离模式的摩擦纳米发电机(TENG)。摩擦正极和负极材料分别采用生物质细菌纤维素/壳聚糖(BC/CS)复合物和铜纳米颗粒(Cu NPs)掺杂PDMS复合膜,当Cu NPs掺杂量为3 wt%时,TENG的输出性能最大。TENG具备良好的工作稳定性和耐久性,灵敏度达0.24 V?k Pa-1。摩擦传感材料还可安装在身体的不同部位,有效检测关节运动。(5)探索强得失电子能力的摩擦材料以进一步增大TENG的输出性能,将强电负性的迈科烯(MXene)二维材料引入摩擦负极材料中,采用一步静电纺丝的方法制备全电纺纤维结构的TENG。摩擦正极材料和负极材料分别为乙基纤维素/聚酰胺6(EC/PA6)混纺纳米纤维毡和MXene掺杂聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维毡。TENG摩擦发电性能最佳的工艺条件为EC与PA6混纺比为1:1,MXene在PVDF纳米纤维中含量为6 wt%。TENG可实现多个发光二极管(LED)发光,摩擦材料能以自供能的方式灵敏、实时地检测多种人体运动。
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