柔性力学传感材料的制备与器件性能研究

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随着柔性电子器件的快速发展,柔性力学传感器也受到了越来越多的关注。特别是由于社会的快速进步,人们对于柔性电子器件的需求也越来越高,现有的刚性传感器已经无法满足人们的需求。而柔性传感器目前处于起步阶段,受限于材料领域的缓慢发展,现有的柔性力学传感器还达不到应用的要求。本论文针对现有的柔性力学传感器性能较差的问题,设计了多种力学传感材料的制备策略,并根据提出的方法构建了多种柔性力学传感器。其后对制备的柔性力学传感器的传感性能进行了研究,并进行了详尽的传感机理解释。最后以具有优异性能的传感器为基础,探测了人体从弱(动静脉搏动、面部表情等)到强(关节弯曲)的各种信号。论文各部分摘要如下:一、针对现有的柔性应变传感器不能同时具有大拉伸性和高灵敏度的问题,结合力学传感器中常见的滑移机理和裂痕机理,使用银纳米线、氧化石墨烯和富勒烯制备了一种基于可滑移层状结构的纳米复合材料。该传感器能够同时具有较好的拉伸性(最大62%应变)和极高的灵敏度(在3%-62%应变范围内灵敏系数大于400),这种优异的传感性能远超其他材料。得益于这种优异的性能,该器件探测到了人体的腕部脉搏信号、面部表情信号和腕部弯曲信号。二、上个研究课题中制备的基于滑移结构的应变传感器无法探测到膝关节的弯曲,这主要是由于器件的拉伸性稍显不足。针对这个问题,我们提出了将机械增韧机理运用于柔性应变传感材料的理论,使用银纳米线、MXene、多巴胺和氯化镍制备了一种具有多重界面作用的复合材料。该传感材料具有更加优异的性能,其拉伸能力超过80%,灵敏度超过8700,并能够承受5000次的循环使用不损坏。这种优异的传感性能,使其能够探测到其他传感器探测不到的人体运动信号,包括人体在不同的运动状态下的脉搏和膝关节的弯曲信号。三、针对柔性压力传感材料中普遍存在的灵敏度和工作范围性能不佳的情况,通过对常见多孔材料的结构进行分析,指出其性能不佳的原因在于材料在受压状态下法向方向产生的体积膨胀(正泊松比行为)。我们针对这个问题设计并制备了一种具有负泊松比行为的多孔传感材料。这种特殊的负泊松比现象使得传感材料在压缩过程中具有更明显的体积收缩行为,导致孔壁产生更多的接触。由于这种特殊的性质,该传感器能够具有较高的灵敏度(最大灵敏系数在990.4k Pa-1)和较大的工作范围(工作区间在0-1.5 k Pa),远超过其他压力传感材料。四、材料的结构调控对传感性能的有了极大的提升,为进一步提升压力传感材料的传感性能,针对传感材料纳米级别的结构做出创新,提出了“3C”(复合材料Composite material、通道结构Channel structure、交联界面Cross-link interface)的柔性压力传感材料设计策略。并根据该策略制备了一种基于MXene和超低模量分子链的气凝胶压力传感材料。组成该气凝胶的孔壁材料具有MXene和超分子的夹层结构。该压力传感器表现出超低的检测限(0.0063 Pa)和超高的灵敏度(最大灵敏系数在1929.8 k Pa-1)。得益于远超其他材料的传感性能,该器件能够探测到一些极其微弱的信号,包括人体颈部静脉的信号、蚊子起飞降落的信号等。
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