基于复合碳纤维的阵列化传感织物研究

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柔性可穿戴电子设备在个人与生态环境之间扮演着重要角色。目前传统的柔性可穿戴传感设备材料大多采用薄膜基底材料,器件的刚性和脆性使它们与曲线形和柔软的人体表面不兼容,传统电源模块通常体积大,不易携带,刚性强,与新兴的多功能电子皮肤系统不兼容。近年来,碳基复合材料由于良好的导电性,结构稳定性被广泛应用于柔性可穿戴传感设备中;纤维结构柔性传感器具有轻便,超薄,出色的柔韧性,可延展性,高灵敏度以及快速响应等特性,且纤维织物很好地符合人类可穿戴技术的应用,被用于灵活的传感器平台;阵列化结构织物能够利用矩阵可寻址形式保持其可寻址性,使织物呈像更加灵敏。基于此,本文从碳基复合纤维材料出发,通过对碳基复合材料进行成分、结构优化,达到良好传感性能,通过组装形成系列电极材料,然后通过梭织组装技术将纤维电极交错编制形成织物类柔性传感器,包含具有电阻效应和摩擦纳米发电效应的新型柔性传感器,最后利用电路集成系统实现了织物成像、人机交互、自然与生态等方面的应用。研究主要包括以下两方面:(1)研究制备了柔性纤维拉伸应变传感器。利用PET纤维作基底,在纤维表面涂覆活性炭和PVDF混合导电填料,通过优化活性炭含量、涂覆次数等因素,组装形成纤维柔性拉伸应变传感器,实现在低拉伸率下的快速灵敏响应功能。再利用纤维结构器件可编织的优势,结合飞梭织布技术,将柔性纤维传感器与其他电子元件编织集成实现实时监测人体运动、汗液和环境光的可穿戴功能电子集成织物,经过优化,该传感器可以实现人体运动拉伸等信号的监测。(2)研究制备了柔性摩擦纳米发电阵列织物。利用涂覆法将石墨烯导电层均匀涂覆至耐高温玻璃纤维制得导电纤维,再利用喷涂涂覆法在石墨烯导电层上喷涂PTFE高分子薄膜层,通过退火处理使其自组织形成纳米球凸起阵列。通过优化PTFE膜层厚度、PTFE退火成型温度等条件,该纤维电极的输出电压最高可达1000mV。再利用纤维结构器件可编织的优势,结合飞梭织布技术,编织阵列传感织物,可以实现织物成像、人机交互、自然与生态等方面的应用。
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