【摘 要】
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近年来,柔性电极因其在可穿戴器件、软体机器人和电子皮肤等方面的应用引起了人们的广泛关注。柔性电极由柔性衬底材料和柔性导电材料构成。现有的柔性电极大多数是使用密闭的衬底材料制备。这些柔性可拉伸电极不具有透气性,无法满足长期佩戴的舒适性要求。为了解决这一问题,亟需开发一种新型柔性透气电极材料。本论文提出了利用呼吸图法制备的多孔透气TPU薄膜为衬底,与一维纳米线、二维纳米片导电网格结合制备柔性透气电极的
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近年来,柔性电极因其在可穿戴器件、软体机器人和电子皮肤等方面的应用引起了人们的广泛关注。柔性电极由柔性衬底材料和柔性导电材料构成。现有的柔性电极大多数是使用密闭的衬底材料制备。这些柔性可拉伸电极不具有透气性,无法满足长期佩戴的舒适性要求。为了解决这一问题,亟需开发一种新型柔性透气电极材料。本论文提出了利用呼吸图法制备的多孔透气TPU薄膜为衬底,与一维纳米线、二维纳米片导电网格结合制备柔性透气电极的策略,制备了Ag NWs/TPU和MXene/TPU两种柔性透气电极,构筑了可穿戴无线摩擦电传感器。主要研究成果如下:（1）以呼吸图法制备的多孔TPU薄膜为衬底,采用喷涂法在其表面沉积Ag NWs一维导电网格层,成功制备了Ag NWs/TPU柔性透气电极。通过调控呼吸图过程中的多项参数,优化了薄膜的透气性能。研究发现,TPU浓度为2.0 wt%、PEG浓度为0.20 wt%、刮涂厚度为200μm和等离子体后处理6 min的情况下制备的薄膜具有最佳的透气性,其水蒸气透过率为33.68 mg·cm-2·h-1。此外,调节Ag NWs喷涂时间可制备具有不同表面电阻率的柔性透气Ag NWs/TPU电极。当电极的表面电阻率为10Ω/sq时,水蒸气透过率和透光率分别可达21.51mg·cm-2·h-1和49%。使用制备的Ag NWs/TPU电极作为一个摩擦层,与聚合物摩擦层进行组装,我们构筑了摩擦电传感器。通过对聚合物摩擦材料种类的筛选和Ag NWs/TPU柔性透气电极的面积以及表面电阻率的调控,对器件摩擦电性能进行了优化。研究发现,使用PTFE薄膜作为摩擦对电极,电极面积为1×1 cm~2、表面电阻率为5Ω/sq的情况下可以达到最高的单位摩擦电信号输出。进一步,我们开发了一个基于Ag NWs/TPU柔性透气电极的可穿戴传感器系统,将其贴附在手臂上,可以实现对皮肤的触觉信号采集,并通过LED实现对区域点触的实时反馈。（2）采用呼吸图法和喷涂工艺制备了MXene/TPU柔性透气电极。该电极具有良好的导电性、透气性和可拉伸性。可以实现在表面电阻率为10Ω/sq的同时,达到15.64 mg·cm-2·h-1的透气性,且在25%拉伸范围内相对电阻率没有明显变化。使用制备的MXene/TPU电极作为一个摩擦层,与聚合物摩擦层进行组装,我们构筑了摩擦电传感器。通过优化聚合物摩擦层的种类和MXene/TPU电极的表面电阻率,可以实现转移电荷量8.55 n C、开路电压20.8 V、短路电流911 n A的信号输出。进一步,我们开发了一种基于MXene/TPU柔性透气电极的可穿戴无线控制单元,通过对柔性电极的触点反馈,可以实现无线小车的矢量控制。
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