【摘 要】
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本论文成功制备出了两种高灵敏柔性压力传感器,并首次将再生丝素蛋白/聚氨酯复合材料作为高生物相容性压力传感器的基底,提高测试舒适感的同时也对传感器起到支撑和保护作用。本次研究采用了两种不同优化方式(表面结构化和材料功能化)压力传感器的制备及其性能。主要研究内容和结论如下:1、本论文通过模拟人体皮肤表面的不规则突起微结构多壁碳纳米管/氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(MWCNTs/SEBS)复合材
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本论文成功制备出了两种高灵敏柔性压力传感器,并首次将再生丝素蛋白/聚氨酯复合材料作为高生物相容性压力传感器的基底,提高测试舒适感的同时也对传感器起到支撑和保护作用。本次研究采用了两种不同优化方式(表面结构化和材料功能化)压力传感器的制备及其性能。主要研究内容和结论如下:1、本论文通过模拟人体皮肤表面的不规则突起微结构多壁碳纳米管/氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(MWCNTs/SEBS)复合材料压敏层为核心,再生丝素蛋白和聚氨酯蛋白质复合膜为基底,磁控溅射银电极,得到三明治结构的MWCNTs/SEBS压力传感器,其灵敏度达到0.156 kPa-1,最小能检测0.01 N的压力,压力响应时间为500ms,在0.01 N压力下经过1700次的压力循环,相对电阻变化量由10%降低到8%;应用于可穿戴设备能够检测出手指的弯曲程度和桡动脉处的脉搏波信号,通过阵列传感器的制备模拟中医把脉,得到桡动脉不同位置的脉搏波信号。2、钙钛矿结构钛酸钡(BaTiO3)、活性炭(C)、多壁碳纳米管(MWCNTs)三种不同填充物对聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物基复合材料介电性能的提高作用因其自身结构和物理性质不同而有着明显差距。BaTiO3含量高达40%时,复合材料介电常数相对于纯PDMS的提高量仅有157%;球状结构的活性炭加入到PDMS中,在添加量低于5%时,复合材料的介电常数无明显的规律性变化;多壁碳纳米管具有较高的长径比,碳管含量为3%时,复合材料介电常数高达64.24,比纯PDMS增加了 2020.12%。说明多壁碳纳米管(MWCNTs)在较小添加量下可以得到较高的介电常数提升,是理想的高介电复合材料填充物。3、通过第三章研究讨论的结果,从材料的角度出发设计出介电可调控的介电压敏层,利用简单的研磨制备工艺,可以大面积低成本地制备出MWCNTs/PDMS复合膜。实验分析获得压力灵敏度最高的3%MWCNTs/PDMS介电层,用来制备高灵敏度的触觉压力传感器,该传感器的灵敏度可达3.801 kPa-1,压力响应时间仅200ms,最低能检测到一只蚂蚁的重量(0.66mg),可承受高于20000次的循环测试。如此高灵敏度的传感器可以用于检测人体咽喉处的呼吸、发声信号以及桡动脉处的脉搏跳动信号,这对于生物医用领域人体大健康的检测有着重要意义。4、对比两种不同优化方式(表面结构化和材料功能化)的柔性压力传感器,通过材料功能化的设计传感器的压力灵敏度到达3.801 kPa-1,最小可以测量出一只蚂蚁的重量(0.66 Pa),响应时间更短,大大减少加工制备工序,从而可以大面积制备出低成本的柔性压力传感器,满足不同功能的使用。平整的表面结构使得传感器能够承受住两万次以上的循环测试,这是表面结构化传感器不能达到的循环稳定能力。
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