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导电高分子复合材料(CPCs)是将一种或多种导电填料(如:碳系材料,金属,金属氧化物等)与高分子基体复合制成的一类具有导电功能的复合材料。CPCs不仅具有优异的电学性能与可加工性,而且还对外场作用(如应变,温度,气体,液体等)表现出丰富的响应行为,其中,CPCs在应力场中表现的应变敏感响应行为,为其在柔性可拉伸传感器领域的应用打下了基础。在本文中,我们通过填料选择,结构调控分别制备出了具有不同结构的CPCs,重点研究了它们在不同类型应变下(如拉伸,弯曲,扭曲等)的应变响应行为,分析了CPCs结构与性能的内在关系。我们将制备好的CPCs组装为电阻型柔性应变传感器,探索了其在实际应用中的人体运动监测效果,发现材料具有优异的响应灵敏度、超低的检测线和高稳定性,这表明材料在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。具体研究内容和结论如下:1、银纳米线(AgNWs)/热塑性聚氨酯(TPU)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)导电高分子复合材料的制备及应变敏感行为研究(1)我们制备了AgNWs作为导电填料,然后通过静电纺丝技术制备出TPU电纺膜作为柔性基底。利用真空抽滤的方法将AgNWs转移到TPU表面,构建导电网络,后悬涂PDMS制备出具有自成型三明治夹层结构的AgNWs/TPU/PDMS导电复合材料。PDMS-TPU-PDMS三明治结构自成型的关键在于TPU电纺膜的多孔性以及PDMS的流动性。(2)对AgNWs的形貌以及结构进行了详细表征,证明了AgNWs结构的均匀性和高纯度。对TPU电纺膜及复合材料形貌进行了详细的研究,进一步探明了复合材料中“自成型三明治”结构的形成机制。(3)详细研究了该复合材料在拉伸及弯曲应力场中的应变-响应行为。发现复合材料具有很大的响应范围(50%)以及良好的循环性能(1600循环),同时其响应行为在不同的拉伸速率下具有优异的稳定性;复合材料同时具备良好的弯曲循环响应性能(800循环)。该复合材料具有优良的电导率(5000 S/m),且在30天内几乎无变化,这证明复合材料三明治结构的设计使AgNWs的电性能得到了很好的保护。(4)我们基于该复合材料的组装了电阻型应变传感器,并固定在人体各个部位,实现了对人体运动如手指弯曲,手腕动作和握拳动作等运动的实时检测,表明它在可穿戴电子应用领域中有着广阔的应用前景。2、基于碳纳米管(CNT)导电油墨修饰的纤维状柔性导电高分子复合材料的制备及应变敏感行为研究(1)通过超声法制备了一种CNT油墨修饰的纤维状导电高分子复合材料,该纤维具有特殊的双层结构,芯层为天然橡胶(Rubber),皮层为聚丙烯纤维(PP)。通过SEM对纤维拉伸过程中的结构演变进行了详细观察,发现复合材料外层螺旋PP纤维由肩并肩紧密排列同时转变为两个层次的大小裂缝,这种结构设计使得该复合材料具备了优异的应变敏感性能。(2)研究了该复合材料在小应变下的拉伸-响应行为,发现该复合材料具备超低的检测线(0.01%应变)。通过对比实验,我们发现只有一级大裂缝或者只有一级小裂缝的复合材料检测线分别是0.2%与1.0%,远远地高于我们的复合材料,这也证明了对复合材料两个层次的大小裂缝结构的设计是材料具有极低的检测线的根本原因。(3)系统研究了复合材料的拉伸应变-响应行为,发现其具有非常大的拉伸应变监测范围(200%应变),极高的响应速度(70 ms)以及极好的耐久性(20000循环),并且响应行为几乎不受应变作用速度的影响。(4)详细研究了复合材料的弯曲应变-响应行为,发现其在弯曲形变中,滞后性小并且具有良好的可重复性与稳定性(5000循环)。(5)详细研究了复合材料的扭曲应变-响应行为,得益于复合材料独特的外层螺旋状纤维状结构,它可以有效地将检测范围扩大至1000 rad/m,这是平面状应变传感器所不具备的优良性能,此外,复合材料还具备非常优异的扭曲应变循环响应性能(5000循环)。(6)鉴于该复合材料在各种应变-响应行为中的良好性能,我们组装了电阻型柔性应变传感器分别对人体微小的生理活动(如手腕脉搏,说话和呼吸)和剧烈的肢体运动(如手指弯曲和下肢运动,如散步,跳跃和慢跑)进行在线监测,发现均可获得良好的检测效果,这为其在可穿戴设备中的应用奠定了良好的理论基础和实验依据。