在可穿戴電子器件快速發(fā)展的大背景下,柔性應(yīng)變傳感器在健康監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)管理和電子皮膚等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用�；诮饘倩虬雽�(dǎo)體的傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器存在柔韌性差、應(yīng)變范圍低等問題;近年來人們通過利用導(dǎo)電納米材料如碳納米管、石墨烯、金銀納米線等,與柔性高分子基體復(fù)合制備了系列柔性壓阻復(fù)合材料傳感器,有力地促進(jìn)了柔性應(yīng)變傳感器的發(fā)展,但這些納米材料存在制備困難、成本高等問題,限制了其廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)纖維素作為自然界中分布最廣、含量最多的生物質(zhì)材料,具有原料便宜、容易獲取、可持續(xù)和環(huán)境友好等特點(diǎn);相關(guān)研究表明基于生物質(zhì)的纖維素氣凝膠高溫處理后可獲得具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳凝膠,可用于制備柔性壓阻復(fù)合材料傳感器。因此開發(fā)基于生物質(zhì)纖維素的柔性應(yīng)變傳感器,具有成本低、環(huán)保等特點(diǎn),發(fā)展前景良好。本論文分別以廢紙和竹子為纖維素原料,經(jīng)過簡單的水熱反應(yīng)、冷凍干燥和高溫碳化過程,制備出了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的纖維素碳凝膠,將纖維素碳凝膠與硅橡膠復(fù)合,獲得了具有壓阻效應(yīng)的柔性復(fù)合材料,并成功應(yīng)用于柔性應(yīng)變傳感器,探索了其作為可穿戴設(shè)備在人體運(yùn)動(dòng)、健康信號(hào)監(jiān)測(cè)及熱理療等方面的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容與結(jié)果如下:1.利用生活廢紙為原料,經(jīng)過制漿、冷凍干燥和熱解處理得到了具有良好導(dǎo)電性的紙纖維素碳凝膠,與硅橡膠復(fù)合,成功制備出了具有壓阻特性的柔性紙纖維碳凝膠/硅橡膠復(fù)合材料。紙?zhí)寄z/硅橡膠復(fù)合材料的電阻對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)靈敏,具有速度快、可重復(fù)的特點(diǎn),對(duì)0-20%內(nèi)的應(yīng)變響應(yīng)穩(wěn)定、可靠,且有效工作頻率寬達(dá)0.01Hz-10Hz。紙?zhí)寄z/硅橡膠復(fù)合材料的抗疲勞性能優(yōu)越,經(jīng)過1000次壓縮循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)后,復(fù)合材料傳感性能穩(wěn)定未見明顯衰減。此復(fù)合材料不僅能夠用作監(jiān)測(cè)人體健康信號(hào)的應(yīng)變傳感器,而且具有熱理療功能。基于紙?zhí)寄z/硅橡膠復(fù)合材料的柔性應(yīng)變傳感器可實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)(如走路)和人體健康(如呼吸)等信號(hào)的監(jiān)測(cè)。并且傳感器還可以作為加熱器,當(dāng)工作電壓為15V時(shí),與環(huán)境間的溫差可達(dá)20度。紙纖維碳凝膠/硅橡膠復(fù)合材料具有應(yīng)力傳感和加熱雙重功能,對(duì)開發(fā)多功能柔性電子設(shè)備具有重要指導(dǎo)意義。2.以重慶盛產(chǎn)的毛竹為原料,通過氧化-干燥-碳化工藝制備出了竹纖維碳凝膠,與硅橡膠復(fù)合后,制備出了竹纖維碳凝膠/硅橡膠復(fù)合材料,基于該復(fù)合材料的柔性應(yīng)變傳感器具有壓阻靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短(50 ms)、可重復(fù)和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)起始竹纖維漿液的濃度,可制備出密度不同的竹纖維碳凝膠;結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi),碳凝膠密度越小,復(fù)合材料的壓阻靈敏度越高。基于竹碳凝膠/硅橡膠復(fù)合材料的柔性應(yīng)變傳感器可以識(shí)別手指彎曲、呼吸及聲音等人體信號(hào),在人體健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互方面有一定的發(fā)展?jié)摿Α？傊?基于廢紙與竹子的纖維素碳凝膠/硅橡膠復(fù)合材料由于其低廉的價(jià)格、適中的導(dǎo)電性能對(duì)人體生理信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在電子皮膚、生物醫(yī)藥、可穿戴電子器件等方面具有良好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TB33
【部分圖文】：

人們的日常生活到工業(yè)生產(chǎn)都會(huì)涉及到傳感器技術(shù)，特別是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中要獲取信息，都要通過傳感器獲取信號(hào)并轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)。傳感器能夠感知外界物理狀態(tài)（如加速度、溫度、濕度）或化學(xué)狀態(tài)（如氣體、液體、有機(jī)物），并將探測(cè)到的相關(guān)信號(hào)以電信號(hào)的形式傳遞下一級(jí)。與借助簡單測(cè)量工具相比，傳感器的檢測(cè)、測(cè)量精度更高，測(cè)量范圍更廣，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體地說，傳感器是指一種能感受規(guī)定的被測(cè)量而且可以按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的設(shè)備，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測(cè)量電路組成，如圖 1.1所示。其中，敏感元件能夠感受所處環(huán)境的被測(cè)量的刺激源，并輸出相對(duì)應(yīng)的物理量信號(hào)，因此該部分的材料需要對(duì)物理量的變化有明顯的反應(yīng)；而轉(zhuǎn)換元件則是將敏感元件輸出物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電參量。大多數(shù)情況，經(jīng)過敏感元件與轉(zhuǎn)換元件后輸出的信號(hào)是微弱的，所以，為了便于被測(cè)物理量的接收與處理，需要給傳感器增加測(cè)量電路。測(cè)量電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量放大、濾波處理轉(zhuǎn)換成可檢測(cè)的電流或頻率等電信號(hào)，能夠進(jìn)行顯示、記錄、處理的部分[4]。

碩士學(xué)位論文 1 緒感器的分類現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，傳感器的應(yīng)用越來越廣泛，在水利水電、地質(zhì)探、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域展現(xiàn)出了很大的潛力[6, 7]。近幾年，信息處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，用于傳感器應(yīng)用范圍不斷地拓展，檢測(cè)、溫度、光、氣體、電磁等信號(hào)的研究不斷深入，包含的處理過程。如圖 1.2 所示，下面按照傳感器的功能分類做簡要的介紹。

圖 1.3 裝有大量傳感器的火星探測(cè)器Figure 1.3 Mars Rover with Large Number of Sensors光纖傳感器作為一種新型傳感器，將來自光源的光信號(hào)（如光強(qiáng)度、波、相位）經(jīng)過光探測(cè)器解調(diào)后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。與傳統(tǒng)的機(jī)械電子傳，光纖傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)凸顯，更能應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域極端復(fù)雜的應(yīng)，符合現(xiàn)代傳感器技術(shù)的需求。日本航空航天局的 Takeda 等人[18]將光柵作為應(yīng)變傳感器，測(cè)量了碳纖維復(fù)合材料的加筋板由于沖擊力引起的證明了光纖光柵傳感器可以在極端條件下測(cè)量溫度和應(yīng)變，并且在航天損傷監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著重要作用。因此，在未來航空航天傳感技術(shù)領(lǐng)域中天光纖傳感技術(shù)具有很重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景[17]。應(yīng)變傳感器傳感器技術(shù)在科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)檢測(cè)方面正發(fā)揮著越來越重了滿足不同應(yīng)用條件下的傳感需求，各式各樣的傳感器不斷地發(fā)展。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 劉旭;賈昭;王博;;PVDF柔性傳感器的制備研究[J];重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué));2015年04期

2 劉鐵根;王雙;江俊峰;劉琨;尹金德;;航空航天光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2014年08期

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4 杜彥剛,潘英俊,劉嘉敏;基于PVDF壓電膜的三向力觸角傳感頭研究[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2004年S2期

5 田疆,田潔,蒲軍,吳曉琴,謝凱年;基于導(dǎo)電橡膠的柔性動(dòng)態(tài)觸覺傳感器系統(tǒng)及其圖像恢復(fù)的研究[J];機(jī)器人;2004年01期

6 冼杏娟;冼定國;鄭維平;李端義;;竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)分析[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);1988年03期

本文編號(hào)：2890717