基于碳纳米材料的柔性应变传感器研究

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电子皮肤(e-skin)是一种模拟人体皮肤感知外界细微刺激信号的电子器件,它是将各种高性能功能传感器集成在柔性基底上形成的,在人工智能、人工交互、健康监测及运动检测等方面有着重要的应用。柔性应变传感器是组成电子皮肤的一个重要元件,它能够检测由身体不同部位引起的复杂变形。其中,电极系统是决定应变传感器稳定性的因素。近年来,随着柔性可穿戴电子设备的发展,对与主设备高度兼容的电极系统提出了越来越高的要求,要求电极能够适应复杂的变形条件并保持其稳定的性能。与主设备高度兼容的电极系统逐渐成为人们关注的热点。碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)因其优异的力学性能、导电性及良好的柔性被广泛用于柔性电子器件。在这里,我们提出了一种碳纳米管集成电极(CNTIE),薄膜为基础材料,两端的薄膜通过湿拉,形成类似于传统导电丝电极的纤维。CNTIE由作为主要功能部分的矩形碳纳米管薄膜及其自衍生电极(碳纳米管纤维)组成,电极和功能层之间具有碳纳米管固有连接。CNTIE可以转移到通用基底表面(如气球表面)或封装在热塑性聚合物(TPU)中,制备成柔性应变传感器。CNTIE/TPU应变传感器表现出较大的线性响应范围(拉伸应变可达1000%),优异的耐久性和超过5000个循环的重复性,以及检测小应变到大应变人体运动的能力。此外,我们模拟了柔性可穿戴设备在真实生活中的不同使用环境,CNTIE/TPU应变传感器不仅在汗液环境下保持稳定电阻变化,在水下和高温依旧能保持稳定工作。为了提高CNT应变传感器的灵敏度,本文基于CNTIE制备了CNTIE杂化薄膜(MXene/CNTIE和石墨烯/CNTIE)。并利用TPU封装CNTIE复合薄膜制备了应变传感器。MXene/CNTIE/TPU和石墨烯/CNTIE/TPU应变传感器在0%-800%的应变范围内表现出良好的线性度和稳定性。与CNTIE/TPU应变传感器相比,复合薄膜制备的应变传感器的灵敏度分别提高了1.46和3.97倍。基于以上结果,与传统的银丝电极和物理接触的碳纳米管纤维电极相比,本文制备的CNTIE在实现应变循环中高度稳定的性能方面发挥了重要作用。制备的自衍生一体化电极为解决传统电极的不兼容性问题及开发基于碳纳米管和其他纳米材料的高性能柔性和可穿戴系统提供了一个可靠途径。
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