【摘 要】
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随着人工智能、可穿戴设备等在航空航天领域的快速发展,亟需新型高性能传感器将外界变形（应变）、压力、冲击等不同形式的力学刺激信号转化为可处理的电信号。导电纳米复合材料因为能够将压力、冲击力、应力和应变等机械刺激转换为电信号,被认为是制备柔性力学传感器的理想材料。然而目前基于导电纳米复合材料的柔性力学传感器存在灵敏度低、制备工艺复杂、功能单一等问题,严重限制了其在实际工程中应用。本文发展了系列基于碳纳
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随着人工智能、可穿戴设备等在航空航天领域的快速发展,亟需新型高性能传感器将外界变形（应变）、压力、冲击等不同形式的力学刺激信号转化为可处理的电信号。导电纳米复合材料因为能够将压力、冲击力、应力和应变等机械刺激转换为电信号,被认为是制备柔性力学传感器的理想材料。然而目前基于导电纳米复合材料的柔性力学传感器存在灵敏度低、制备工艺复杂、功能单一等问题,严重限制了其在实际工程中应用。本文发展了系列基于碳纳米管（Carbon nanotube,CNT）和膨胀微球（Thermally expanded microsphere,TEM）的新型柔性应变、压力、冲击传感器,在柔性力学传感器的制备工艺、性能提升、多功能化等方面均取得了重要进展。具体研究工作如下:（1）导电网络可调的新型柔性应变传感器的研究:利用TEM独特的热膨胀特性,在导电纳米复合材料内构建成型后仍可调的隔离型导电网络结构,显著提高了柔性应变传感器的电学及力-电传感性能。首先,选取具有优异力学性能的硅橡胶弹性体（SR）为基体材料,以TEM和CNT为填料制备TEM/CNT/SR三元导电纳米复合材料,制备成型后通过进一步的后处理工艺（加热）调控TEM/CNT/SR复合材料的内部微观导电网络,进而来改善TEM/CNT/SR柔性应变传感器的电学和力-电传感性能。通过优化调控,TEM/CNT/SR柔性应变传感器的电导率提高了15倍,灵敏度提高约2465倍（130%应变下）。该柔性应变传感器在监测人体运动和软体机器人变形等领域具有良好的应用前景。（2）3D打印具有多孔结构柔性压力传感器的研究:除了应变监测外,压力也是一种重要的外界刺激信号。本章节基于TEM/CNT/SR复合材料体系,通过调控CNT和TEM的含量,配制了满足打印条件的TEM/CNT/SR打印浆料,并采用3D打印技术制备了轻质、多孔、高弹的TEM/CNT/SR柔性压力传感器,有效的提高了柔性压力传感器的灵敏度和传感范围。得益于微孔结构优异可逆的压缩性能,TEM/CNT/SR柔性压力传感器表现出较高的灵敏度和较宽的测量范围(0.48 k Pa-1,0～100 k Pa;2.5 k Pa-1,100～250 k Pa;1.3 k Pa-1,250～600 k Pa)。TEM/CNT/SR柔性压力传感器在触觉感知、智能鞋垫中具有较好的应用前景。（3）具有多级孔结构柔性冲击传感器的研究:冲击力是常见的一种高能机械刺激,本章节基于TEM/CNT/SR材料体系,进一步采用“3D打印+”策略制备具有冲击缓冲功能的TEM/CNT/SR复合材料。该复合材料具有良好的冲击传感特性,可以效监测不同幅度的冲击力。此外,得益于其多孔结构和表面微气囊结构,该柔性复合材料具有优异的冲击缓冲能力（冲击力衰减率高达63%）,相比实体TEM/CNT/SR高出约20%。基于该复合材料的柔性冲击传感器有希望作为智能防护铠甲实现对外界冲击力的监测和衰减。本论文基于TEM/CNT/SR复合材料体系,通过微观导电网络调控、3D打印结构设计等策略研发了具有优异传感性能的新型柔性应变传感器、柔性压力传感器和柔性冲击传感器,系统研究了柔性力学传感器的应变、压力和冲击传感性能,实现了柔性力学传感器综合性能的提升,所提出的柔性力学传感器在电子皮肤、可穿戴设备、软体机器人、国防军事、航空航天等领域具有广阔应用前景。
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