柔性纳米复合材料压阻传感器的工作稳定性及多功能化研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:silawangyue
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
基于导电纳米复合材料的柔性压阻传感器在健康监测、人体运动跟踪、电子皮肤、机器人等领域具有巨大的应用潜力。近年来,人们对基于导电纳米复合材料的柔性压阻传感器进行了大量研究,相关研究多集中于提升传感器的灵敏度、可穿戴性等方面。柔性可穿戴器件在实际应用中,很容易受到环境温度、湿度等因素的影响;然而,目前的研究报道多集中于常温环境,缺乏对传感器宽温域下综合性能的系统研究,尚未有针对复杂环境工况用高性能柔性压阻传感器进行开发设计。此外,新一代可穿戴电子设备亟需多功能化集成,以满足对传感、储能、电热等特定需求的应用。如何制备兼具多功能性与工作稳定性的高性能导电纳米复合材料,是未来发展高性能柔性压阻传感器的重要挑战。因此,本文致力于新型导电纳米复合材料及其柔性可穿戴压阻传感器的设计、制备及功能化研究,以满足柔性电子器件的实际应用需求。主要研究内容与结论如下:(1)探索导电纳米复合材料的温度相关力电响应行为,对于柔性压阻传感器在宽温域下的高精度感知至关重要。本部分首先制备了在柔性压阻传感领域中广泛使用的碳纳米管(CNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料,随后研究了其在-150oC~150 oC宽温度范围的力学、电学和压阻性能。在-150 oC,CNT/PDMS复合材料变脆,不具有可逆压缩特性和传感特性;当温度高于90 oC,CNT/PDMS复合材料在热氧作用下发生物理软化,也不具备可逆传感特性。在-60 oC~90 oC范围内,CNT/PDMS复合材料兼具可逆的压缩特性与传感特性,其压缩模量与电阻率都随着环境温度逐渐升高而降低,而灵敏度则随着温度升高逐渐减小。通过循环稳定性研究发现,CNT/PDMS复合材料在室温下比低温和高温下具有更好的机械和压阻稳定性。鉴于温度变化对导电纳米复合材料的传感特性影响显著,在设计和制备柔性压阻传感器时必须考虑到环境温度变化的影响。(2)为了避免环境温度对于传感器工作稳定性的干扰,发展具有零温度电阻系数(TCR)的可穿戴压阻传感器意义重大。本部分通过简易的直写打印技术成功制备了石墨烯纳米片(GNP)/CNT/硅橡胶(GCE)纤维状纳米复合材料。该GCE纤维状纳米复合材料中的CNT具有负温度电阻系数(NTC),而GNP具有正温度电阻系数(PTC),通过优化调节CNT和GNP的质量比,获得了具有近零TCR(1.14×10-4/℃)的GCE纤维状复合材料柔性压阻传感器。所制备的GCE压阻传感器具有高灵敏度(100%,GF=14550.2),较宽的应变工作范围(<100%),极低的应变检测极限(>1%)、较短的响应时间(170 ms)和优异的循环稳定性(10000次循环)。此外,GCE压阻传感器具有良好的宽温域工作稳定性,并证实了其应用于人体运动监测时具有良好的抗环境干扰的能力。(3)除了环境温度,柔性压阻传感器还容易受到光照、环境湿度等因素的干扰,这大大影响了它们的应用稳定性。本部分以具有超高导电性的Ti3C2Tx MXene和优异生物相容性的竹纤维素(BCF)为起始原料,通过冷冻干燥法制备了孔隙率可调的MXene/BCF(MB)海绵,并利用硅橡胶对MB海绵进行封装,制备了一种具有PDMS@MXene/BCF(PMB)复合材料的柔性压阻传感器。该PMB传感器不但具有出色的压阻传感性能,即压力感知范围高达2 MPa、线性度R~2高达0.96,而且表现出了良好的生物相容性。此外,PMB柔性压阻传感器具有优异的工作稳定性,可在空气中长时间存储,可抵抗温度变化、湿度/水分侵蚀及紫外线照射。最后,成功验证了其在人体运动监测和软体机器人触觉感知等方面的应用。(4)除了工作稳定性,柔性压阻传感器的多功能化也是其重要发展方向。本部分通过真空抽滤工艺制备出一种具有传感、储能、电热等多种功能特性的MXene/竹纤维(BF)纳米复合材料。得益于MXene与竹纤维间的氢键作用,该MXene/BF复合材料的拉伸强度高达49.46 MPa,电导率高达4.8×10~3 S/m,在经受1000次拉伸、弯曲和压缩循环载荷后仍能保持良好的电学稳定性。基于MXene/BF复合材料制备了堆叠式柔性压阻传感器,其具有较高的灵敏度(0.153 k Pa-1)和较宽的线性检测范围(0~2.5 k Pa);基于MXene/BF复合材料的电加热器表现出优异的电热性能,当最低输入电压为2.5 V时,MXene/BF复合材料表面与空气之间的温差可达20 oC,可满足电热理疗的应用需求;基于MXene/BF复合材料的对称型固态超级电容器,与基于纯MXene的电容器相比,其体积比容量和质量比容量均有大幅提升,并且能够在弯曲、扭转、折叠等变形下表现出色的储能稳定性。因此,MXene/BF复合材料在可穿戴传感、储能、电热等方面具有良好的应用前景。
其他文献
基于表面等离激元效应的表面增强红外吸收光谱技术是解决光与物质相互作用弱的新兴技术,可以以无损无标记的方式获取痕量目标分子的化学结构和物质种类等信息,有望进一步推广至环境检测、食品安全、生物医疗、化学化工、科学研究和航天军事等关系民生国防的众多领域。相对于金属岛膜的表面等离极化激元,超材料纳米天线诱导的局域表面等离激元共振在红外波段具有吸收强度高、近场增强强和共振可调等优势,有效突破金属岛膜灵敏度低
学位
煤炭运量快速增长的同时,选煤厂装车站在末煤外运过程中会产生大量的煤尘及灰尘,对选煤厂周围及沿途环境造成严重污染。而洗车平台是煤矿车辆进出运输防尘污染比较重要的一个环节,此环节把控好不仅在环保方面能满足相关政策的要求,还能在运输中减少不必要的安全隐患,并在冬季车辆频繁运输的情况下减少路面结冰及事故发生的可能。基于此,本文主要介绍了一种新型洗车平台的特点及在我公司的运行情况。
期刊
随着现代社会经济的发展,人们生活水平的提高,私家车保有量的增加,城市交通拥堵、环境污染等“城市病”日益严重,已成为社会关注焦点。国家提出“交通强国”战略并指出:智能交通是现代交通发展的趋势。基于交通物联网泛在感知的大规模交通数据是智能交通的基础。现有交通数据主要为公共交通数据和出租车数据,较少涉及私家车数据。事实上,私家车是城市道路交通最重要的组成部分,开展城市私家车交通出行研究具有很强的现实意义
学位
虽然铁元素在自然环境中的储量丰富,但因其特殊的化学性质,生物可利用性极低,导致铁成为海洋与淡水环境中浮游植物生长的限制因素之一。蓝藻对铁的需求明显高于其他光合生物。蓝藻中铁用于多种酶和蛋白质的组装,参与光合作用和呼吸作用等重要的生物过程。因此,铁限制会影响蓝藻的生理特性,改变蓝藻细胞的化学计量关系,影响碳、氮等多种元素的生物地球化学循环,进而可能影响生态系统中的群落结构。微囊藻(Microcyst
学位
借助成熟的挤出造粒和注塑成型工艺,人们可以低成本批量生产形状复杂、精度高、耐腐蚀、质轻且性能稳定的短切纤维增强热塑性树脂基复合材料(SFRTPC)结构件。目前,SFRTPC在航空航天装备、军工装备以及机械等领域具有广泛的应用,其服役时经常面临极端高、低温环境,环境温度的变化会引起纤维/基体界面应力传递效率发生变化,进而改变复合材料的宏观力学行为。目前,有关SFRTPC力学行为的研究大多集中于室温性
学位
操控员手动控制港口长效抑尘系统,通过现场反馈使用效果进行调整的操作方式,存在自动化程度低、精度不足等问题。文中通过研究煤炭含水率与起尘关系、使用粉尘检测仪检测粉尘浓度以及使用超声波物位计检测粉尘浓度等方法,研究翻车机底层洒水自动化控制系统,可减少人工参与,提升控制精准度。测试结果显示,采取超声波物位计检测粉尘浓度与翻车机、堆料机起尘规律相结合的方法,编写翻车机底层洒水自动控制程序,可实现翻车机底层
期刊
随着通讯技术的飞速发展和移动创新应用的爆发式增长,边缘计算正引领着移动应用朝着功能更强、量级更轻和体验更好的方向发展。它以计算卸载技术为突破点,为移动设备带来了低时延的本地算力、存储和网络资源,彻底改变了面向终端设备能力开发移动应用的传统模式。突破了终端硬件资源决定应用体验上限的限制,有效弥补了移动设备硬件发展放缓和软件算力需求激增之间的性能缺口。作为边缘计算的核心功能之一,计算卸载将移动应用中的
学位
地表水源藻类爆发期间,常规净水工艺难以去除的藻类有机物(AOM)给饮用水处理带来巨大挑战。水处理系统中残留的AOM不仅会加剧超滤单元膜污染,而且AOM中嗅味物质、藻毒素及次生消毒副产物会显著影响供水水质,进而威胁人体健康。因此亟需有效去除AOM并控制其引起的超滤膜污染,以保障高藻期的饮用水处理效果。臭氧(O3)氧化技术被用来处理水中AOM,但O3对AOM矿化率较低,对AOM引起的膜污染缓解效果有限
学位
影视创作作为文艺表现的重要形式之一,通过叙事内容的承载与叙事手法的实践,实现文化所特有的民族认同、价值凝聚效验。基于文化自信审视,影视创作的叙事经历了“他者的机器—精神的失落—价值的重组—可持续发展”的不断探索并趋向充实的过程。国家形象的文化自信根源于深厚的中国文化积淀,论文选取影片《跨过鸭绿江》为研究对象,从“为什么讲—怎么讲—讲什么—谁在讲”四个维度进行链条式诠释,将叙事的主体性作为核心要素,
期刊
我国拥有辽阔的海域和丰富的海岛资源,海岛对于发展海洋经济和维护海洋权益具有极高的价值。可靠的供电是全面发挥海岛价值的前提。然而,海岛特殊的地理位置塑造了其独特且脆弱的生态环境,加之“双碳”目标对于电力行业的减排要求,海岛供电亟需摆脱对化石燃料机组的依赖。为此,就地开发海岛新能源,建设海岛低碳微电网,对于扭转供电对海岛环境破坏的趋势、兼顾供电的经济和低碳性具有关键作用。本文受“国家自然科学基金委员会
学位