检索结果-内蒙古大学图书馆

轻工机械 2025年第2期43卷 91-97,104页

作者：苗杨杨陈永当张娅婕杨磊毛勃越西安工程大学机电工程学院陕西西安710600

为了提高压阻传感器的传感性能,课题组开发了一种高灵敏度柔性压阻传感器。采用银粉、碳纳米管和石墨烯复合材料为导电材料,以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)为基底,利用溶液法和拓印技术制备压敏层,又利用物理气相沉积(Phy... 详细信息

为了提高压阻传感器的传感性能,课题组开发了一种高灵敏度柔性压阻传感器。采用银粉、碳纳米管和石墨烯复合材料为导电材料,以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)为基底,利用溶液法和拓印技术制备压敏层,又利用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术在聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate,PEN)薄膜上制备叉指电极,进而将压敏层和叉指电极进行组装,获得柔性压阻传感器。该传感器在多种压强条件下均表现出较快的响应速度、卓越的稳定性和出色的重复性,并且具备优良的柔韧性和耐用性;在静态和动态压强检测中均表现出卓越的性能,能够准确记录压强变化。该传感器在智能机器人技术等领域具有较大应用潜力。

关键词：柔性压阻传感器聚二甲基硅氧烷碳纳米管石墨烯压敏层拓印法

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微褶皱吡咯层的聚合及提高互锁微柱阵列柔性压阻传感器的性能

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高分子学报 2025年第5期56卷 800-809页

作者：张虎诚黄汉雄华南理工大学广东省高分子先进制造技术及装备重点实验室微/纳成型与流变学研究室

采用化学氧化法，在模压成型的微柱阵列乙烯-辛烯共聚物(POE)薄片表面上聚合吡咯(Py)导电层，制得传感基片；将2片微柱阵列传感基片面对面封装成柔性互锁压阻传感器.扫描电镜观察、红外光谱测试和表面电阻率测试的结果表明，对Py聚合时... 详细信息

采用化学氧化法，在模压成型的微柱阵列乙烯-辛烯共聚物(POE)薄片表面上聚合吡咯(Py)导电层，制得传感基片；将2片微柱阵列传感基片面对面封装成柔性互锁压阻传感器.扫描电镜观察、红外光谱测试和表面电阻率测试的结果表明，对Py聚合时间30 min制备的传感基片，微柱和底部表面上形成了完整的聚吡咯导电层且其表面呈较明显的蠕虫状微褶皱结构.所封装的互锁压阻传感器呈现较高的循环响应稳定性和重复性以及较宽的响应范围，这归因于互锁微柱较高的耐压性和相互支撑以及POE较高的回弹性.更为重要的是，互锁传感器呈现较短的响应/恢复时间(30/41 ms)、较低的检测限(～10 Pa)和较高的灵敏度，这归因于微柱表面上形成的微褶皱二级结构.互锁压阻传感器用于检测人体微弱生理信号(如手腕/颈部脉搏、脸部动作)和较高压力场景(如足底压力)时均呈现很好的响应效果，表明其在健康监测和运动检测方面具有良好的应用前景.

关键词：柔性压阻传感器聚吡咯微柱阵列互锁封装乙烯-辛烯共聚物

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二维纳米材料在柔性压阻传感器中的应用研究进展

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材料导报 2022年第4期36卷 15-24页

作者：刘璐王李波刘大荣胡前库周爱国河南理工大学材料科学与工程学院河南焦作454000

随着柔性压力传感器在可穿戴电子设备、电子皮肤等领域的快速发展,研究制备高灵敏度、低检测限、宽感应范围的高性能柔性压阻传感器成为一种必然趋势。为了获得高性能的柔性压阻传感器,需要在导电敏感材料的选择和传感器微纳结构的设计... 详细信息

随着柔性压力传感器在可穿戴电子设备、电子皮肤等领域的快速发展,研究制备高灵敏度、低检测限、宽感应范围的高性能柔性压阻传感器成为一种必然趋势。为了获得高性能的柔性压阻传感器,需要在导电敏感材料的选择和传感器微纳结构的设计上进行一系列的创新。二维纳米材料凭借其独特的结构和优异的性能,成为柔性压阻传感器导电敏感材料的良好选择。本文综述了几种类型的二维纳米材料压阻传感器,介绍了二维纳米材料柔性传感器的微纳米结构的创新及发展,最后针对当前研究面临的问题提出了解决方法并对其今后的发展方向进行了展望。

关键词：柔性压阻传感器二维纳米材料微纳结构性能

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基于MXene柔性压阻传感器研究进展

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材料导报 2022年第14期36卷 82-92页

作者：雷鹏鲍艳陕西科技大学轻工科学与工程学院轻化工程国家级实验教学示范中心(陕西科技大学)

柔性压阻传感器因在个人运动和健康监测等方面具有广阔的应用前景，近年来备受关注。MXene具有优异的导电性、亲水性，且易与其他功能材料复合，尤其是脆性结构使其在受力过程中极易产生微/纳裂纹，进而在制备高灵敏度压阻传感器方面极... 详细信息

柔性压阻传感器因在个人运动和健康监测等方面具有广阔的应用前景，近年来备受关注。MXene具有优异的导电性、亲水性，且易与其他功能材料复合，尤其是脆性结构使其在受力过程中极易产生微/纳裂纹，进而在制备高灵敏度压阻传感器方面极具优势。要实现人体全范围监测，压阻传感器需同时满足大的工作范围和高的灵敏度。然而，MXene微/纳裂纹的快速扩展导致其导电路径迅速遭到破坏，致使其工作范围较小。因此，近些年研究者们主要从构建各种微/纳结构方面不断尝试，使其在传感过程中保持导电路径的连通性或减缓微/纳裂纹的扩展，从而在充分发挥MXene高灵敏度优势的同时大幅拓宽其工作范围。基于此，本文对MXene的制备方法及压阻传感器的传感机理进行了归纳，然后分别从应变式和压力式两个方面对基于MXene的柔性压阻传感器的制备策略进行了综述，并对MXene基柔性压阻传感器的应用进行了总结，最后对其今后的发展趋势进行了展望，以期为制备大工作范围和高灵敏度的压阻传感器提供参考。

关键词： MXene 柔性压阻传感器传感机理微/纳结构设计

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微纳米碳材料柔性压阻传感器的研究及在智能服饰中的应用

微纳米碳材料柔性压阻传感器的研究及在智能服饰中的应用

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作者：何崟天津工业大学

学位级别：博士

智能可穿戴健康监控系统能够有效降低病人的死亡率和改善老年人的生活质量。柔性压阻传感器是获取人体生物信息的关键部件,是可穿戴健康监控系统的基础性技术,高性能柔性压阻传感器的研究对于智能服装服饰的发展具有重要意义。为了研究... 详细信息

智能可穿戴健康监控系统能够有效降低病人的死亡率和改善老年人的生活质量。柔性压阻传感器是获取人体生物信息的关键部件,是可穿戴健康监控系统的基础性技术,高性能柔性压阻传感器的研究对于智能服装服饰的发展具有重要意义。为了研究不同类型柔性压阻传感器的性能并阐明其传感机理,本课题制备了三种类型传感器:1、改性石墨/聚氨酯柔性压阻传感器,2、改性多壁碳纳米管/聚氨酯柔性压阻传感器,3、界面微米结构的多壁碳纳米管-银纳米线/聚氨酯柔性压阻传感器。首先,将表面改性的石墨和多壁碳纳米管分别掺杂到聚氨酯树脂中获得两种具有良好弹性的导电膜,并制备出三明治结构的改性石墨/聚氨酯柔性压阻传感器和改性多壁碳纳米管/聚氨酯柔性压阻传感器。以SEM、TEM、FTIR光谱、拉曼光谱、介电光谱和自行研制的力学-电学性能测试仪,系统研究了导电膜及其传感器的结构、力学和电学性能。研究显示:改性的石墨和多壁碳纳米管的粒径比比未改性时分别降低了 16.7%和36%,表明改性后的微纳米颗粒在聚氨酯基体中的分散性明显改善;低掺杂质量比的改性石墨/聚氨酯和改性多壁碳纳米管/聚氨酯导电膜在高频激励信号下具有电容效应,依据此实验现象本文构建了新的导电通道模型;导电膜的电阻相对变化率和压强之间存在二次幂函数关系,对此函数求导可获得压阻响应的灵敏度与压强的对应关系,为计算和预测柔性压阻传感器的灵敏度提供了一种新方法;30wt%改性石墨/聚氨酯导电膜的压阻灵敏度达到最高值6.38kPa-1,其迟滞性和重复性误差分别为占2.3%和±20%;1wt%改性多壁碳纳米管/聚氨酯导电膜的压阻灵敏度最高为4.208 kPa-1,其迟滞性和重复性误差分别为±8.2%和±6.63%。为了进一步提高柔性压阻传感器的灵敏度和简化其结构,采用模板法制备出表面微米条纹结构的多壁碳纳米管-银纳米线/聚氨酯导电膜,将导电膜的微米结构面与交互式单面电极复合制备出微米结构导电膜/单面电极柔性压阻传感器。在0-2kPa的压强范围内该传感器的灵敏度高达46.93kPa-1。多壁碳纳米管和银纳米线混合掺杂的柔性压阻传感器的重复性和迟滞性分别为±4.15%和±1.56%。有限元仿真实验结果显示导电膜的微米结构和单面电极的接触面积,与导电膜的压阻灵敏度存在负相关性。将已制备的柔性压阻传感器用于人体生理信号监测,建立了柔性压阻传感器在测量人体脉搏跳动或呼吸频率时的力学模型并研究了其工作原理,为拓展和优化柔性传感器在智能服装服饰中的应用提供了理论支持。最后,应用上述三种柔性压阻传感器制备出了压力分布测量鞋垫、呼吸频率测量背心及压力测量手套等智能服装服饰,测试结果显示上述智能服装服饰能够准确检测人体足底的压力分布、呼吸频率和手指指尖压力。柔性压阻传感器在智能服装服饰和智能家居产品中具有非常广阔的应用前景。

关键词：柔性压阻传感器导电通道模型微纳米碳材料微米结构导电膜有限元模拟仿真智能服装服饰

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MXene/聚酰亚胺复合气凝胶的制备及其在柔性压阻传感器中的应用

MXene/聚酰亚胺复合气凝胶的制备及其在柔性压阻传感器中的应用

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作者：张晓波长春工业大学

学位级别：硕士

随着人工智能和可穿戴设备的兴起,柔性压阻传感器在人们生活中发挥着越来越重要的作用。与传统刚性的金属或无机半导体传感器不同,柔性压阻传感器具有灵敏度高、响应范围宽、柔韧性好、轻量化和易集成等特点,被广泛应用于电子皮肤、生... 详细信息

随着人工智能和可穿戴设备的兴起,柔性压阻传感器在人们生活中发挥着越来越重要的作用。与传统刚性的金属或无机半导体传感器不同,柔性压阻传感器具有灵敏度高、响应范围宽、柔韧性好、轻量化和易集成等特点,被广泛应用于电子皮肤、生物医学、人机交互和智能穿戴等领域。MXene是一种新型的二维（2D）材料,因其良好的导电性和丰富的表面官能团等特点,使其成为柔性传感器常用的一类敏感材料。然而,目前常用的多层MXene材料存在自堆积现象,阻碍了其进一步的发展和应用。本文通过优化MXene的制备方法,获得了高产率的单层或少层MXene纳米片,该纳米片相比于多层MXene具有更高的比表面积、更好的导电性和柔韧性。以聚酰亚胺（PI）为柔性基底,MXene纳米片为压敏材料,制备MXene/聚酰亚胺（MXene/PI）复合气凝胶,探究了MXene纳米片的含量及插层剂种类对MXene/PI柔性压阻传感器性能的影响,具体研究内容如下: （1）以钛碳化铝（TiAl C）为前驱体材料,使用盐酸（HCl）与氢氟酸（HF）混合溶液将其刻蚀为多层的TiCT,通过氯化锂（LiCl）插层后得到单层或少层的MXene（L-TiC）纳米片。通过改变L-TiC悬浮液和去离子水的配比,制备了四种L-TiC含量不同的L-TiC/PI复合气凝胶。对比发现,L-TiC/PI-2复合气凝胶展现出最佳的综合性能,同时兼备超宽的响应范围和不俗的灵敏度,在0-70%压缩应变传感响应范围内,最大应力为27.1 kPa,电流变化率最高达到64.2%,在主要应力区间5.3-27.1 kPa范围内灵敏度达到2.65 kPa。在0-70%区间内电流变化率随压缩应变同步、有规律的变化,在0-30%的区间内可以对10-50 mm/min不同应变速率做出准确、同步的响应。在30%压缩应变范围内,1000次压缩循环可以稳定保持良好的力学性能和传感性能。L-TiC/PI-2复合气凝胶柔性压阻传感器可以有效的监测人体运动,并具有在复杂环境下工作的能力。（2）利用刻蚀和插层结合的方法,制备了一系列超高灵敏度的MXene/PI复合气凝胶柔性压阻传感器。选取三种插层剂对混酸刻蚀后的多层TiCT进行插层处理,分别得到D-TiC、L-TiC和T-TiC三种MXene纳米片。对比发现,T-TiC微观形貌最完整,制备的T-TiC/PI复合气凝胶综合性能最佳。在70%压缩应变下最大应力仅为19.5 kPa,具有0-70%超宽应变范围的信号响应,在70%应变范围内电流变化率最高可达443.0%,在主要应力区间范围内灵敏度高达56.14 kPa。在0-70%区间内电流变化率随压缩应变同步、有规律的变化,在30%压缩应变范围内可以对10-50 mm/min不同速率的运动进行准确、同步和稳定的监测。在1000次压缩循环测试中,可以保持良好的力学性能和传感器性能。T-TiC/PI复合气凝胶柔性压阻传感器可以稳定有效的对人体运动进行监测,在复杂工作环境下展现出良好的稳定性和出色的识别能力,在柔性电子和可穿戴设备等领域表现出巨大的应用前景。

关键词： MXene纳米片插层剂聚酰亚胺气凝胶柔性压阻传感器

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基于聚吡咯涂层织物的柔性压阻传感器和电加热元件的研究

基于聚吡咯涂层织物的柔性压阻传感器和电加热元件的研究

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作者：王昱天津工业大学

学位级别：硕士

随着可穿戴电子器件的发展,柔性压力传感器和电加热元件作为柔性电子器件的重要组成部分,也越来越受研究者们的关注。目前研究主要集中在提高传感器和电加热元件性能方面。聚吡咯涂层织物凭借其出色的柔韧性和导电性,以及低成本、可再... 详细信息

随着可穿戴电子器件的发展,柔性压力传感器和电加热元件作为柔性电子器件的重要组成部分,也越来越受研究者们的关注。目前研究主要集中在提高传感器和电加热元件性能方面。聚吡咯涂层织物凭借其出色的柔韧性和导电性,以及低成本、可再生、环境友好的优点,引起了人们的关注,成为制备柔性压阻传感器和电加热元件的重要导电材料。本文基于纺织材料和聚吡咯材料制备了高性能的柔性压阻传感器和电加热元件,并进行性能的测试与分析。采用原位聚合法制备聚吡咯涂层织物,探讨了基底种类、聚合时间和吡咯浓度对其表面形貌、导电性、传感性能和电加热性能的影响,得到最佳工艺参数。测试表明,基底种类为粗纱棉织物,聚合时间为90 min,吡咯浓度为0.5 mol/L时,为最佳制备条件,聚吡咯涂层棉织物电阻为7.544?,表面电阻率为11.6?/sq,拥有0～16 k Pa的工作范围和最高为60.23 k Pa-1的灵敏度,具有优秀的电加热性能,包括100 s的快速升温响应、115.5℃的最大平衡温度和7200 s的热稳定性。为了进一步提高性能,用多巴胺对织物进行改性,再通过原位聚合法制备聚吡咯多巴胺涂层织物。为了探讨多巴胺涂层对于性能的影响,设置了不同吡咯浓度。研究了其在不同吡咯浓度下的形貌、导电性、传感性能和电加热性能,得到0.3 mol/L的吡咯浓度下制备的聚吡咯多巴胺涂层织物性能最好。测试可知,聚吡咯多巴胺涂层织物的电阻低至6.93?,表面电阻率低至10.8?/sq,拥有0～16k Pa的工作范围、84.46 k Pa-1的灵敏度以及3000 s的重复性,同样具有优秀的电加热性能,包括100 s的快速升温响应、120.6℃的最大平衡温度。将聚吡咯多巴胺涂层织物制备的柔性压阻传感器安装于手腕桡动脉、手指、手腕及膝盖处来检测脉搏信号、微小信号和人体运动情况,证明了柔性压阻传感器在检测微弱信号和运动的能力,将聚吡咯多巴胺涂层织物制备的加热元件放置于膝盖处,进行稳定可控加热,证明织物电加热元件可以进行实时稳定加热,说明聚吡咯多巴胺涂层棉织物在智能可穿戴设备领域的发展前景。

关键词：原位聚合法聚吡咯柔性压阻传感器柔性电加热元件

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Ni/PDMS渗流型复合材料的制备及其在柔性压阻传感器中的应用

Ni/PDMS渗流型复合材料的制备及其在柔性压阻传感器中的应用

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作者：牛韶玉浙江大学

学位级别：硕士

近年来，柔性压力传感器在人机界面和实时健康监测等领域均展示出广阔的应用前景。其中压阻型柔性压力传感器由于具有灵敏度高和分辨率高等优点而受到了广泛关注。但是在大部分报道的器件中，柔性压阻传感器的核心部件敏感层通常由变形... 详细信息

近年来，柔性压力传感器在人机界面和实时健康监测等领域均展示出广阔的应用前景。其中压阻型柔性压力传感器由于具有灵敏度高和分辨率高等优点而受到了广泛关注。但是在大部分报道的器件中，柔性压阻传感器的核心部件敏感层通常由变形材料和导电材料两部分组成。但是变形材料和导电材料由于机械性能相差较大会出现界面失配问题。为了解决这一问题，本论文拟采用兼顾变形和导电功能的渗流型复合材料取代传统双层材料结构而作为单层敏感层来用于制备压阻传感器。　　本文以Ni、Fe和Co三种磁性金属颗粒作为导电填料，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex作为柔性基体制备了六种导电复合材料体系。结果表明PDMS基复合材料与Ecoflex基复合材料相比有更好的热稳定性能，且三种磁性金属颗粒在PDMS中有更低的渗流阈值;Ni、Fe和Co三种磁性金属颗粒作为导电填料时在PDMS中的渗流阈值存在差异，其中Ni与PDMS的复合材料(Ni@PDMS)体系具有最低的渗流阈值(20vol%);此外热学性能分析表明Fe和Co更容易发生氧化，Ni有更好的化学稳定性，因此拟选用Ni@PDMS体系作为下一步研究的对象。　　本文通过在液相还原法中，采用还原性不同的硼氢化钠和水合肼作为还原剂两步还原Ni2+从而得到Ni线。通过控制Ni2+浓度和NaBH4浓度可以调控Ni线的尺寸从而找到制备大长径比Ni线的最佳实验条件。镍离子浓度从0.1mol/L升高到0.4mol/L时，Ni线的直径会从1.08μm下降到164nm，长径比从154下降到33。当硼氢化钠浓度与镍离子浓度比值从1:10降低到1:100时，Ni线的直径由177nm逐渐升高到1.08μm，长径比从31升高到154。填料的长径比越大，复合材料的渗流阈值越低。因此，选用Ni2+浓度为0.1mol/L，NaBH4与Ni2+的摩尔比为1:100条件下制备的长径比为154的Ni线用于制备复合材料。　　本文将长径比最大(154)的Ni微米线作为导电填料与PDMS基体进行复合得到NiW@PDMS复合材料。在固化过程中施加17mT的磁场，使得Ni线沿着外磁场的方向进行定向排列。Ni微米线在外磁场作用下之所以发生转向是外磁场能和退磁场能降低使得体系能量最低的结果。结果表明取向体系的导电复合材料有超低的渗流阈值(0.31vol%)，与不加磁场的随机体系的渗流阈值(4.79vol%)相比降低了一个数量级。　　本文利用砂纸作为模板，在Ni微米线定向排列且体积分数为0.6vol%的NiW@PMDS复合材料表面制备出微结构，并且将其作为单层敏感层制备得到压力传感器。结果表明传感器具有超高的灵敏度，在低压力区间(1kPa-24kPa)内为8706kPa-1，在高压力区间(24kPa-120kPa)内为699kPa-1，且该传感器有快速的应时间(22ms)。因此可以将该传感器用于监测泵驱动水流系统中的不同频率和流量的水流。搭建的泵驱动的水流系统可以模拟冠状动脉的搏动行为，因而该传感器有望应用于医疗诊断中来判断移植血管的阻塞或狭窄情况。

关键词：柔性压阻传感器渗流型复合材料磁性金属颗粒聚二甲基硅氧烷制备工艺灵敏度

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多元导电材料及PDMS复合PI海绵柔性压阻传感器制备与性能研究

多元导电材料及PDMS复合PI海绵柔性压阻传感器制备与性能研究

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作者：张柳哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

聚酰亚胺（PI）海绵基柔性压阻传感器具有耐高低温、可在极寒极高温环境中正常使用的基础优势。但目前针对其灵敏度较低、检测范围较窄以及导电相脱落等问题仍需开展深入研究。基于上述问题,本论文从传感材料设计构筑和柔性基底改善两... 详细信息

聚酰亚胺（PI）海绵基柔性压阻传感器具有耐高低温、可在极寒极高温环境中正常使用的基础优势。但目前针对其灵敏度较低、检测范围较窄以及导电相脱落等问题仍需开展深入研究。基于上述问题,本论文从传感材料设计构筑和柔性基底改善两方面出发对PI海绵基柔性压阻传感器性能进行研究与优化。基于三维多元碳杂化导电网络、有机-金属互联导电网络、硅橡胶-PI海绵柔性共混基底设计与构筑,制备了多元导电碳材料/PI复合海绵柔性压阻传感器、聚吡咯-银（PPy-Ag）/PI复合海绵柔性压阻传感器、石墨烯-聚二甲基硅氧烷（GE-PDMS）/PI复合海绵柔性压阻传感器,具体工作如下:以真空浸渍方法将炭黑（CB）、单壁碳纳米管（SWCNTs）、MXene和还原氧化石墨烯（rGO）这些不同维度的碳基导电材料附着在PI海绵泡壁泡楞上构筑成多元导电碳材料/PI复合海绵,并研究了碳材料配比、水热时间对复合海绵柔性压阻传感器性能影响。研究结果表明多元导电碳材料间的“协同效应”对传感器电性能影响很大,rGO-CB/PI复合海绵柔性压阻传感器灵敏度达到0.875 kPa-1;rGO-CB-SWCNTs/PI复合海绵柔性压阻传感器灵敏度最高可达1.436 kPa-1;rGO-CB-MXene/PI复合海绵柔性压阻传感器灵敏度最高为3.551 kPa-1,检测下限低至3 Pa。传感器在经历6 h的450℃和-196℃极端条件后仍能正常使用,响应时间低至0.24 s,经1000次压缩循环电信号依旧能稳定输出。通过对吡咯（Py）、硝酸银（AgNO3）摩尔比和反应溶液pH值的调控,构筑有机-金属互联导电网络,在n（Py:AgNO3）=36:50、pH=3.61条件下生成的PPy和纳米Ag尺寸最为均匀,PPy在PI海绵表面均匀附着并有效固定纳米Ag,两种导电物质形成排布紧密的三维互联导电网络。传感器在0-80 Pa内灵敏度达到16.31 kPa-1,较传统PI海绵基柔性压阻传感器1 kPa-1左右的灵敏度有大幅度提升,同时表现出更好的线性度。通过调节GE与硅油复合量,实现混合柔性基底构筑,在GE添加量为12 wt%、硅油浓度为25 wt%时GE-PDMS/PI复合海绵传感器有最优性能。在0-700 Pa低应力范围灵敏度达到-1.04 kPa-1,4.5-8 kPa应力范围内灵敏度仍然维持在0.108 kPa-1,并将PI海绵基柔性压阻传感器有效检测范围拓宽至30 kPa。经过1000次不间断循环压缩后,复合海绵尺寸没有发生任何变化,GE也没有产生脱落,说明PDMS包覆PI海绵形成的混合基底对导电相起到充分的保护作用。

关键词：聚酰亚胺海绵柔性压阻传感器传感材料多元导电柔性共混基底

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可控界面结构构筑高灵敏柔性压阻传感器及其性能研究

可控界面结构构筑高灵敏柔性压阻传感器及其性能研究

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作者：陈天骄江南大学

学位级别：硕士

柔性压阻传感器因其传感性能优良、重复性能稳定以及制作工艺简便等特点,在柔性穿戴、智能服装及医疗保健等领域展现出巨大的应用潜力,近年来一直受到人们的关注。然而传统地通过单一填料和常规三明治结构构筑柔性压阻传感器逐渐遇到瓶... 详细信息

柔性压阻传感器因其传感性能优良、重复性能稳定以及制作工艺简便等特点,在柔性穿戴、智能服装及医疗保健等领域展现出巨大的应用潜力,近年来一直受到人们的关注。然而传统地通过单一填料和常规三明治结构构筑柔性压阻传感器逐渐遇到瓶颈,传感性能也难以进一步提升。因此,通过多导电填料协同作用和构建可控传感界面结构等多维度方式来进一步提升柔性压阻传感器的研究日趋活跃。本课题拟构筑传感性能优良、制作工序简便的高灵敏柔性压阻传感器。课题以热塑性聚氨酯（TPU）为柔性基底材料,导电性和生物相容性良好的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）、碳纳米管（CNTs）两种导电材料为填料,结合规律可控的界面结构设计,研制了新型结构化柔性压阻传感材料,并系统地研究了该柔性传感器的导电性能、压缩应力应变性能、传感性能及其在不同场景的实际应用潜力。主要研究内容及结果如下:（1）双导电填料复合薄膜的制备及其导电性能和传感性能研究:以TPU为柔性基底,结合PEDOT:PSS与CNTs两种导电填料,通过溶液混合法制备了柔性复合传感薄膜,实验证实双填料复合薄膜较单一填料薄膜具有更优的导电性能。其中,当PEDOT:PSS与CNTs含量比例为1:3时,复合薄膜表现出更优的综合传感性能,包括较高的灵敏度(-0.093 k Pa-1,0～2.5 k Pa)、较宽的传感范围（0～50 k Pa）、快速的响应时间（0.18 s）以及800次压缩循环内较为稳定的重复性能等。（2）基于织物纹理界面的复合薄膜制备及性能研究:以不锈钢纤维织物为模板,PDMS为反模板,通过两次复刻制备具有织物纹理界面结构的PEDOT:PSS/CNTs/TPU复合传感薄膜。结果表明,表面结构化复合薄膜较平整薄膜具有更高的压阻灵敏度,且双层结构化薄膜较单层结构化薄膜具有更高的压阻灵敏度。其中,表面“2上2下”斜纹纹理双层薄膜传感器较表面平纹纹理双层薄膜传感器具有更高的灵敏度(-0.068 k Pa-1),更宽的传感范围（0～70 k Pa）,更快的响应时间（0.27 s）以及千次压缩循环内更优的重复性能。此外,更优的填料分散状态使复合薄膜的导电性能更加稳定,但薄膜灵敏度因导电网络更不易断裂而降低。（3）基于表面波形条纹的复合薄膜制备及性能研究:以微波纹亚克力板为模板,PDMS为反模板,制备具有波形条纹结构的PEDOT:PSS/CNTs/TPU复合薄膜,并通过多种叠合方式组装成双层结构的压阻传感器。结果表明,五种双层波纹界面结构传感器在初始压力下均表现为正压阻效应,而后随着压力的增大而转变为负压阻效应,且不同的叠合方式对于传感器的传感性能具有较大影响。其中,上下层条纹凸起和凸起对应叠合的传感器具有优异的负压阻传感响应(-0.046 k Pa-1),而上下层条纹交叉30°角叠合的传感器具有优异的正压阻传感响应(0.164 k Pa-1),且两者在千次压缩循环内均表现出优异的重复性能。（4）界面结构化柔性压阻传感器的应用研究:将界面结构化的柔性压阻传感器分别应用在各类压力监测场景,例如语音识别、生理信号监测、人体行为监测等。结果显示,电阻变化与被检测信号或行为之间存在规律的对应关系,验证了界面结构化压阻传感器在诸多领域的应用可行性。综上所述,本课题基于PEDOT:PSS与CNTs两类导电填料,通过调控两者含量比例,优化界面结构设计,构筑了高灵敏度TPU基柔性压阻传感材料。通过两种导电填料的协同作用,提升了压阻材料的导电性能及传感性能;同时,引入了规律的界面结构,成功提升了压阻薄膜的传感灵敏度;此外,研究了叠合方式对于双层结构化传感器灵敏度的影响;最后,通过多种应用场景实践证明了结构化压阻传感器的巨大应用潜力。因此,本课题的研究成果为新型高灵敏柔性压阻传感器的开发提供了新思路,也为柔性压阻传感器的实际应用提供了实践参考。

关键词：柔性压阻传感器导电填料织物纹理界面双层波纹界面传感性能

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