可穿戴力敏傳感材料(Wearable Force Sensitive Sensing Materials,WFSM)是指擁有自由變形能力、可實(shí)現(xiàn)人體不同部位穿戴,且能快速感應(yīng)外界應(yīng)力(包括壓力、拉力、剪切力、扭曲力等),并將其以電信號(hào)的形式收集、記錄的一種柔性導(dǎo)電復(fù)合材料。目前WFSM的研究仍處于初步階段,有關(guān)WFSM的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系、應(yīng)力傳感機(jī)制以及理論體系的建立仍不明確;如何兼顧WFSM的可穿戴性能與力敏傳感性能仍存在很大的挑戰(zhàn)。本研究主要圍繞WFSM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑以及其力敏傳感性能、穿戴性能的調(diào)控展開(kāi)研究,為高性能WFSM的研究與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)“三明治”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了WFSM的高拉伸性以及高拉伸下的高靈敏度。利用溶脹-原位還原的方法,制備了具有“三明治”結(jié)構(gòu)的銀納米粒子/石墨烯/熱塑性聚氨酯(AgNPs/GE/TPU)導(dǎo)電復(fù)合材料;其中“三明治”結(jié)構(gòu)外層為由GE和AgNPs協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的導(dǎo)電層,中間為高彈性的絕緣層。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了復(fù)合材料高達(dá)1.4×10~5S m~(-1)的初始體積電導(dǎo)率以及1000%高拉伸性。在高拉伸下,GE橋接于AgNPs網(wǎng)絡(luò)之間,保證了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的連通。將AgNPs/GE/TPU導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)用于WFSM,材料表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變響應(yīng)、彎曲響應(yīng)以及高拉伸下的高靈敏度(500%應(yīng)變下靈敏度達(dá)476)和高的穩(wěn)定性(50%拉伸下超過(guò)1000次循環(huán)),并成功應(yīng)用于不同手指彎曲、聲帶震動(dòng)的檢測(cè)。通過(guò)“微裂紋”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了WFSM在微形變下的超高靈敏度。利用銀納米線(AgNWs)與氧化石墨烯(GO)之間的氫鍵作用將二者雜化,再還原制得了類海膽狀結(jié)構(gòu)的AgNWs@還原氧化石墨烯(AgNWs@rGO)雜化顆粒;并成功制備了AgNWs@rGO/TPU導(dǎo)電復(fù)合材料。通過(guò)預(yù)拉伸在復(fù)合材料表面引入微裂紋,制備出低應(yīng)變(1%)下高靈敏的WFSM。當(dāng)AgNWs與GO用量比為4:1且預(yù)拉伸為10%時(shí),WFSM在1%的應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)20(Δε0.3%),1000(0.3%Δε0.5%),和4000(0.8%Δε1%)。對(duì)其機(jī)理研究發(fā)現(xiàn),1%拉伸下的電阻變化表現(xiàn)出的三個(gè)階段分別為:第一段為堆疊的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的相互滑移;第二段為雜化顆粒邊緣AgNWs之間細(xì)微的滑移;第三階段為裂紋出現(xiàn)引起的隧穿電阻變化。該WFSM可成功用于檢測(cè)較小形變?nèi)缑}搏跳動(dòng)與物理震動(dòng)等。通過(guò)“多維層級(jí)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)環(huán)境下仍可精準(zhǔn)檢測(cè)的高靈敏度的壓力傳感材料。利用聚乙烯醇(PVA)與VHB~(TM)彈性膠帶之間的拉伸模量的巨大差異以及VHB~(TM)的泊松效應(yīng),通過(guò)預(yù)拉伸獲得具有多維層級(jí)結(jié)構(gòu)(拉伸向微褶皺結(jié)構(gòu)、垂直于拉伸向拱形結(jié)構(gòu))的AgNWs/PVA/VHB~(TM)導(dǎo)電復(fù)合材料。由于微褶皺結(jié)構(gòu)的存在,復(fù)合材料在拉伸時(shí)電阻變化表現(xiàn)出三段式,分別對(duì)應(yīng)著接觸電阻變化、褶皺伸展以及隧穿電阻變化;將復(fù)合材料與叉指電極組裝進(jìn)一步制備用于檢測(cè)壓力的WFSM。由于拱形結(jié)構(gòu)的存在,WFSM表現(xiàn)出微小壓力(0-220 Pa)下的超高靈敏度4.54 kPa~(-1),且該過(guò)程靈敏度與預(yù)拉伸程度無(wú)關(guān)、與使用過(guò)程中的拉伸狀態(tài)也無(wú)關(guān),表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)拉伸環(huán)境下依然可以穩(wěn)定使用的潛能。此外,當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)220 Pa時(shí),由于褶皺結(jié)構(gòu)在壓力下與電極接觸面積的增加,WFSM依然表現(xiàn)出優(yōu)秀傳感性能。通過(guò)設(shè)計(jì)具有模量可調(diào)、自粘附特性的柔性基體,實(shí)現(xiàn)了高可穿戴性的WFSM的設(shè)計(jì)與制備。利用氫鍵相互作用及三價(jià)鐵離子(Fe~(3+))的離子交聯(lián)作用,制備了聚多巴胺/聚乙烯醇-Fe~(3+)(PDA/PVA-Fe~(3+))柔性基體。該基體表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘附性,對(duì)金屬粘附強(qiáng)度可達(dá)30.2 kPa,對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材的剪切和剝離強(qiáng)度分別可達(dá)44.1 kPa和61.3 N/m,對(duì)聚乳酸(PLA)基材的剪切和剝離強(qiáng)度分別為55.8 kPa和68.9N/m。同時(shí)該體系具有楊氏模量可調(diào)節(jié)的性能,因此將其與AgNPs復(fù)合制備的WFSM具有與皮膚相似的模量且具有很好的皮膚粘附性,表現(xiàn)出優(yōu)異的可穿戴性。此外配合AgNWs網(wǎng)絡(luò)在拉伸下的裂紋形貌,制備的WFSM具有高達(dá)2012的高靈敏度(20%拉伸下),被成功應(yīng)用于人體各部位的穿戴與傳感研究。此外,該粘附性、模量可調(diào)的基體在低能耗、自鎖定驅(qū)動(dòng)材料的研制方面也被證明具有很好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

2圖 1-1 WFSM 的種類及在可穿戴領(lǐng)域的各種應(yīng)用[5-13]Figure 1-1 Classification and wearable application of the WFSM.2 可穿戴力敏傳感材料的主要組成如前所述，WFSM 是以柔性導(dǎo)電復(fù)合材料通過(guò)性能調(diào)控而制備的可同時(shí)滿足穿功能的材料，因此 WFSM 的主要由導(dǎo)電基元與柔性高分子基體組成[14]。通常元既可以是本征導(dǎo)電高分子，也可以是導(dǎo)電金屬（包括微米尺寸金屬粉、納米屬顆粒/線/片以及液體金屬 LM 等）、碳材料（包括微米尺寸的石墨粉以及納米黑粒子 CB、碳納米管 CNT、石墨烯 GE 等）、離子液體（IL）等[15]；柔性基體固性的彈性體如硅橡膠（PDMS）、天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）等；或彈性體如熱塑性聚氨酯（TPU）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）

第一章 緒論1.2.1 可拉伸性調(diào)控用于拉伸力檢測(cè)的傳感材料又叫應(yīng)變傳感材料�？衫煨允侵副ＷC傳感材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通的前提下材料承受的最大拉伸率。為了制備適用于更多場(chǎng)合需求的 WFSM，提升可拉伸性是主要目標(biāo)。如前所述，由于金屬與導(dǎo)電高分子本征的不可拉伸性，因此調(diào)控拉伸性能只能從復(fù)合材料體系入手，包括設(shè)計(jì)可拉伸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與設(shè)計(jì)可拉伸的幾何結(jié)構(gòu)兩種。（1）可拉伸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：多維填料協(xié)同作用

將 2D 的 GE 與 1D 的 CNT 進(jìn)行雜化，再與 PDMS 進(jìn)行溶液加工復(fù)合（圖 1-3 a），相互雜化的填料不僅可以相互分散，防止自身的堆疊，保證了拉伸性；而且填料之間彼此搭接，從而保證了拉伸下的導(dǎo)電穩(wěn)定性（圖1-3 b 和c）。除此之外，1D的銀納米線（AgNWs）與 1D 的 CNT，以及 1D 的 AgNWs 與 0D 的銀納米粒子（AgNPs）之間均可以相互橋接，形成協(xié)同作用的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖 1-3 d 和 f），從而保證制備的復(fù)合材料的高拉伸性以及高拉伸下的導(dǎo)電性（圖 1-3 e 和 g）[29,30]。（2）本征可拉伸的液態(tài)導(dǎo)體作為填料上述采用填料雜化的方法本質(zhì)上仍受限于剛性填料固有的不可拉伸性，因而對(duì)拉伸性的提升有限。與之相對(duì)，液態(tài)導(dǎo)體如離子液體 IL、液體金屬 LM 等具有本征的可拉伸

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本文編號(hào)：2813123