【摘 要】
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随着人工智能的蓬勃发展,可穿戴式压力传感器受到了前所未有的关注。导电高分子复合材料（Conductive polymer composites,CPCs）基压力传感器以柔性好、成本低、易于规模化生产等独特的优势已经成为当前的研究热点,但其高灵敏度和宽响应范围难以兼得、耐疲劳性差、热力学性能不稳定等问题仍亟待解决。因此,本论文以强度高、温度耐受性好的聚酰亚胺（Polyimide,PI）为高分子基体,
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随着人工智能的蓬勃发展,可穿戴式压力传感器受到了前所未有的关注。导电高分子复合材料（Conductive polymer composites,CPCs）基压力传感器以柔性好、成本低、易于规模化生产等独特的优势已经成为当前的研究热点,但其高灵敏度和宽响应范围难以兼得、耐疲劳性差、热力学性能不稳定等问题仍亟待解决。因此,本论文以强度高、温度耐受性好的聚酰亚胺（Polyimide,PI）为高分子基体,通过结构优化设计,制备了轻质、多孔的导电复合气凝胶基压力传感器。具体的研究内容如下:1.以PI的水溶性前聚体聚酰胺酸（Poly（amic acid）,PAA）为基体,碳纳米管（Carbon nanotube,CNT）为导电填料,通过冷冻干燥和热酰亚胺化工艺,成功制备了一种轻质多孔的PI/CNT复合气凝胶。由于PI和CNT之间较强的界面结合力及高孔隙率,所制备的PI/CNT复合气凝胶展现出优异的结构稳定性和高可压缩性,可以承受高达80%的压缩、180°的弯曲甚至360°的扭曲。该复合气凝胶作为压力传感器,表现出超宽的传感范围（80%应变,61 k Pa）、超低的检出限（0.1%应变,<10 Pa）,快速响应/回复时间（50 ms/70 ms）和优异的机械耐疲劳性（1000循环）。此外,该复合气凝胶在不同温度退火后依旧能保持稳定的传感能力,证明了优异的高温耐受性和结构稳定性。最后,PI/CNT复合气凝胶基压力传感器可有效地监测人体的各种运动（包括气流、脉搏、声带振动和人体运动）;同时,将其组装成电子皮肤,还可以高效地识别外部压力分布,充分显示作为柔性可穿戴电子设备的巨大潜力。2.以聚酰亚胺纳米纤维（polyimide nanofiber,PINF）为基体,PAA为粘连剂,新型二维填料MXene为导电填料,通过冷冻干燥和热酰亚胺化工艺获得了具有特殊分层孔结构的PINF/MXene复合气凝胶。由于特殊的多孔结构和PINF与MXene之间的牢固结合,所得到的复合气凝胶展现出超低的密度、良好的耐高/低温性和高达90%的压缩回复性。该复合气凝胶作为压力传感器,具有超宽的响应范围（90%应变,85.21 k Pa）,超低的检测极限（0.5%,0.01 k Pa）,良好的耐疲劳性（1000循环）和响应稳定性。其在-196℃-150℃的温度范围内依旧具有稳定的响应性,表现出在极端高-低温环境中的应用潜力。此外,基于该复合气凝胶的压力传感器可有效用于脉搏、呼吸、发音、摇头等人体信号检测。最后,得益于质轻、多孔、疏水的特性,复合气凝胶能够有效吸附多种油和有机溶剂,吸附量高达55.85-135.29 g·g-1,显示出作为油水分离材料的巨大应用潜力。
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