高性能EVA基可修复应变传感器的制备及其性能

作     者：谢明辉 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董余兵

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：乙烯-醋酸乙烯酯 碳纳米管 MXene 形状记忆效应 自修复 

摘      要：近年来,可穿戴设备由于具有良好的柔韧性、可折叠性、体积小、质量较轻,以及优异的生物相容性等优势而受到广泛重视。作为可穿戴设备的核心部件,柔性热应变传感器已在人机交互、身体运动和健康检测以及电子皮肤等应用领域中具有前所未有的机遇。由高分子材料与导电填料所构成的导电聚合物复合物(Conductive polymer composites,CPCs)拥有优异的柔韧性、易加工以及良好的力学特性和电性能等优势,在柔性应变传感器等方面表现出了巨大的发展潜力。然而,开发具有高灵敏度、宽传感范围和卓越耐用性等优异特性的高性能CPCs柔性应变传感器仍然是一项巨大的挑战。一方面,高灵敏度和宽传感范围这两个性能指标是矛盾的,前者要求在微小应变下发生显著的结构变化,而后者需要在大变形下保持形貌完整性;另一方面,制备CPCs应变传感器基体均为粘弹性聚合物,使用过程中传感器总是伴随着导电网络的破坏而使得器件无法长久使用。因此,如何解决上述难题引发学者的广泛思考。本论文紧扣高性能CPCs应变传感器对高灵敏度、宽传感范围和卓越耐用性的需求,采用具有形状记忆性能的乙烯-醋酸乙烯酯(Poly(ethylene-co-vinyl acetate),EVA)为基体材料、优异导热性和光热转换性的一维碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)与二维MXene为导电填料、优异粘附性能的聚多巴胺(Polydopamine,PDA)为粘附剂,分别制备了PDA@CNTs/EVA纤维和MXene/CNTs/EVA纤维基应变传感器,并对其结构和性能开展了系列研究,具体内容如下:(1)为了获得宽传感范围、高灵敏度和卓越耐用性等优异特性的柔性应变传感器,以EVA、CNTs和PDA为主要原料,通过双螺杆挤出机挤出拉伸制备EVA纤维,先后采用溶胀-超声法和原位聚合法制得CNTs/EVA纤维和PDA@CNTs/EVA纤维。采用SEM、万能试验机、TGA、电化学工作站和静电计等仪器设备,表征分析了该纤维的微观结构、力学性能、热稳定性和传感性能,并探究了该纤维在人体运动监测方面的应用性能。实验结果表明:CNTs均匀地嵌入EVA表面,PDA呈颗粒状黏附在CNTs上面,形成了稳定牢固的导电网络;PDA@CNTs的引入增强了EVA纤维的力学性能,改善了EVA纤维的热稳定性;同时,PDA@CNTs/EVA应变传感器具有大应变传感范围(330%)、高线性度(应变0～75%,R≥99%)、快响应速度(257.8 ms)、优异的静态稳定性和动态耐用性(3000次循环);此外,PDA@CNTs/EVA应变传感器在人体运动(包括肘关节的运动、手指的弯曲)检测具有良好的响应,表明传感器在可穿戴设备具有潜在的应用前景。(2)为了进一步提高应变传感器的灵敏度、并且实现可修复从而延长传感器使用寿命,本章在(1)的基础上,引入二维MXene协同一维CNTs构建微裂纹结构导电网络,制备了MXene/CNTs/EVA纤维。探究了MXene和CNTs对MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度和传感范围的影响。通过对MXene/CNTs/EVA纤维表面形貌结构和拉伸敏感行为的研究,阐明了MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度、传感范围、传感机理、响应时间及动态耐用性。基于残余应变的产生,探究了EVA基体粘弹性对MXene/CNTs/EVA应变传感器动态耐用性的影响,并且研究了MXene/CNTs/EVA纤维的熔融-结晶温度和形状记忆性能。基于MXene/CNTs优异的导热性和光热转换性,采用直接加热和红外光加热的方式对MXene/CNTs/EVA纤维进行修复,并通过对修复后的MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度、动态耐用性和力学性能测试,评估MXene/CNTs/EVA应变传感器的热和光修复效果。此外,采用修复后的MXene/CNTs/EVA应变传感器,检测人体细微和大幅动作(包括膝关节和手指的弯曲、说话和嘴巴开/合),进一步评估MXene/CNTs/EVA纤维在可穿戴柔性应变传感器的价值。实验结果表明:在制备传感器过程中,可通过改变MXene和CNTs用量来实现灵敏度和传感范围的可调节,二维MXene与一维CNTs用量比值越大,MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度越高,应变传感范围越小;制备所得的MXene/CNTs/EVA纤维形成了牢固且灵敏的导电网络,CNTs和MXene牢固地嵌入EVA纤维表面,一维线状CNTs彼此缠绕并连接相邻的MXene二维片层。同时,该应变传感器具有优异的传感性能,其兼具宽传感范围(190%)、高灵敏度(82.5)、超快响应速度(178.9 ms)和优异的耐用性和稳定性(10000次循环)。而且,该应变传感器具有光热双重自修复性能,经长期使用后形成的残余应变可在80°C加热2 min或红外光照射5.4 s(808 nm,120 m W/cm)进行修复,其力学和电学性能可以恢复到原来的92%和94%。此外,再修复的MXene/CNTs/EVA应变传感器也能准确监测人体细微和较大的运动。综上所述,本论文所制备的EVA基导电复合材料应变传感器兼具宽传感范围、高灵敏度、高线性度、超快响应速度、优异的耐用性和光热双重自修复性能,在自修复可穿戴应变传感器领域的具有潜在的应用价值。