碳纳米管/Ecoflex硅胶薄膜的制备及其可穿戴应用研究

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随着人们对医疗保健和健康监测的重视,能够实现便携化和定制化诊疗的可穿戴电子器件得到了飞速发展。而导电弹性体材料作为作为一类广泛应用于可穿戴领的柔性电子,其具备优异的力学可形变能力和回复能力,能够在长期的弯曲、压缩或拉伸等力学环境中国保持优良的力学和电学性能。然而,性能优异的导电弹性体材料的制备往往存在工艺复杂或价格昂贵等问题,限制了导电弹性体材料面向可穿戴电子器件领域的制备和应用推广。本论文通过气喷雾法,基于碳纳米管(CNTs)导电填料和Ecoflex硅胶柔性基底制备了力学性能优异的CNTs/Ecoflex硅胶薄膜材料,解决了CNTs和硅胶类薄膜材料难以可控且批量化制备的难题,对CNTs/Ecoflex薄膜性能进行了测试表征,并其应用于电阻式应变传感器、电加热器和电容式压力传感器等可穿戴器件的性能进行了评估。该论文研究成果为导电弹性体的研发和量产制备,及其可穿戴应用研究提供理论和实验依据。论文主要内容如下:(1)论文通过气喷雾法制备了表面具备颗粒状结构的CNTs/Ecoflex硅胶薄膜材料,并对不同组分浓度材料的性能表征。CNTs浓度为1 wt%材料拥有600%最大可拉伸率,1199倍的最大电阻变化率,以及大于300%应变的响应范围,拥有作为电阻式应变传感器的应用潜力;5 wt%材料具备优异的导电性(37.93 S/m)和较优的力学可拉伸性能(178%应变),拥有作为可穿戴电加热器的应用潜力。(2)论文制备了CNTs浓度为1 wt%的CNTs/Ecoflex薄膜材料,以薄膜构建可穿戴电阻式应变传感器,其灵敏度高(GF=1897)、传感范围宽(大于300%应变)、耐久度强(大于10000次循环拉伸),并验证了其用于监测人体关节活动的能力。此外论文制备了CNTs/Ecoflex/氨纶织物导电织物,以导电织物构建电阻式传感器,其在50%应变内GF=5,并可对手指、肘部和膝盖等关节弯曲活动进行监测。(3)论文制备了CNTs浓度为5 wt%的薄膜材料,其作为可穿戴电加热器拥有优异的电加热性能,能够在10 V的外加电压下加热至62℃,并且在动态的加热环境下仍然可以保持稳定的加热。此外,论文通过气喷雾法在发泡粉/Ecoflex多孔介电层表面构建了矩形导电图案,制备了电容式压力传感器,其可对30 kPa内的压应力信号进行监测。论文同样通过喷雾法制备了10×10分辨率的阵列型电容式传感器,可以对不同阵点位置的压力信号进行监测。
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