PDMS海绵基柔性应变传感材料的制备与性能研究

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随着可穿戴智能设备的快速发展,对柔性应变传感器的需求越来越大。然而,传统金属或无机半导体应变传感器的拉伸性和灵敏度较差,在一定程度上限制了其在该领域的应用。近年来,基于聚合物和纳米导电材料组成的压阻式应变传感器以其重量轻、柔韧性好、可拉伸性好、易于加工等优点备受关注,在人体运动检测、人造肌肉、机器人皮肤等领域表现出巨大的应用潜力。本文以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性基底,氧化石墨烯(GO)和银纳米线(AgNWs)作为纳米导电材料,制备了两种PDMS海绵基柔性应变传感材料,并对其机械性能、电化学性能及电阻灵敏度进行了研究。首先,在制备纳米导电材料方面,通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),采用XRD、FTIR和SEM对氧化石墨烯结构进行表征。利用水热法合成AgNWs,采用SEM对其表面结构进行表征,通过四探针电阻率测试仪测试银纳米线的导电性。其次,以不同糖分的方糖作为牺牲模板制备不同孔隙率的PDMS海绵,再先后在壳聚糖(CS)溶液和GO分散液中挤压浸泡,然后经抗坏血酸还原制备出还原氧化石墨烯(RGO)/PDMS海绵。探讨了孔隙率和固化温度对PDMS海绵力学性能的影响,发现孔隙率与PDMS海绵强度成反比关系,并确定了100℃的固化温度。证实了CS处理有助于RGO在PDMS海绵表面的附着。在70%应变的压缩-释放循环中,RGO/PDMS1:2的电阻变化波形最佳。除此之外,还初步测试了RGO/PDMS海绵的电化学性能,当电流密度为0.025 m A·cm-2时,其体积比电容为6.75 m F·cm-3。最后,通过滴涂法将AgNWs与RGO/PDMS海绵复合制备AgNWs/RGO/PDMS海绵。在70%应变的压缩-释放循环中,AgNWs/RGO/PDMS1:1海绵电阻变化有规律,波形稳定;线性伏安(I-V)曲线在各种压缩应变(从0%到60%)下遵守欧姆定律;在压缩应变的响应表征中,有较宽的响应区间(60%应变),其中压缩应变从0%到10%时,GF值最大,为5.75;在2400次压缩-释放(40%应变)循环中,电阻波形的变化保持良好的重复性和再现性。同时,在每个测试周期中压缩应力变化相似,说明该海绵具有良好的机械性能。除此之外,AgNWs/RGO/PDMS1:1海绵还具有监视人体运动的能力,比如手指弯曲和手臂弯曲等。
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