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纳米纤维基力学传感器研究及应用进展

丝绸 2023年第11期60卷 77-88页

作者：陈乘风马雨萱王意淼王航曲丽君田明伟青岛大学纺织服装学院青岛266071 青岛大学山东省特型非织造材料工程研究中心青岛266071 青岛大学智能可穿戴技术研究中心青岛266071

文章旨在对纳米纤维传感器在柔性力学传感领域的应用进行综合和总结。首先,介绍了柔性力学传感器的基本原理和应用背景;其次,重点讨论了纳米柔性纤维传感器的制备方法和关键技术,包括纳米纤维的制备工艺和纤维的功能化改性方法,并探讨... 详细信息

文章旨在对纳米纤维传感器在柔性力学传感领域的应用进行综合和总结。首先,介绍了柔性力学传感器的基本原理和应用背景;其次,重点讨论了纳米柔性纤维传感器的制备方法和关键技术,包括纳米纤维的制备工艺和纤维的功能化改性方法,并探讨了改性纳米纤维的电学性能和力学响应之间的关联关系,阐述了纳米纤维在力学传感器中的作用机制,明确了纳米纤维在传感器的灵敏度提升、力学支撑、快响应速度等方面的重大意义。随后,系统总结了近年来纳米纤维基力学传感器在医疗诊断、运动监测、人机交互、电子皮肤等领域的应用进展,为柔性传感器的发展提供了理论与实践参考。最后,对纳米柔性纤维传感器的未来发展方向进行了展望。

关键词：力学传感器纳米纤维智能可穿戴纤维改性运动监测医疗诊断

面向柔性力学传感器的静电纺丝纳米纤维复合膜的制备及性能研究

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面向柔性力学传感器的静电纺丝纳米纤维复合膜的制备及性能研究

作者：杜浩田西安工业大学

学位级别：硕士

柔性力学传感器是一种能将力学刺激转变成可检测电信号的装置,具有优异的柔韧性和力学性能,在柔性机器人、可穿戴设备、人机接口等领域具有重要应用前景。此类传感器的机械柔韧性主要来源于柔性敏感材料。因此,构筑高性能柔性敏感材料... 详细信息

柔性力学传感器是一种能将力学刺激转变成可检测电信号的装置,具有优异的柔韧性和力学性能,在柔性机器人、可穿戴设备、人机接口等领域具有重要应用前景。此类传感器的机械柔韧性主要来源于柔性敏感材料。因此,构筑高性能柔性敏感材料是发展新型柔性力学传感器的关键。但是,使用涂覆、过滤等方法制备柔性敏感材料的操作复杂,无法精确调控材料的微观结构导致相应的传感器的性能受限。采用新的制备技术调控柔性敏感材料的微纳米结构,改善材料的力学敏感性有重要研究价值。本论文以醋酸纤维素(CA)和热塑性聚氨酯(TPU)为柔性材料,采用静电纺丝法构筑柔性纳米纤维膜,同时在纳米纤维膜中引入功能性组分实现其对力学刺激的电信号响应性,探索纳米纤维膜在压阻式压力传感器、电容式力学传感器和压电式力学传感器中的应用。主要研究内容和研究结果如下:(1)采用静电纺丝技术和原位聚合氧化法制备醋酸纤维素/聚苯胺(PANI)复合纳米纤维薄膜,系统研究了丙酮与N,N-二甲基甲酰胺的比例和醋酸纤维素的含量对纺丝工艺及纤维形貌的影响规律。当丙酮与N,N-二甲基甲酰胺的比例为2:1,醋酸纤维素质量分数为13 wt%时,静电纺丝得到的纤维膜纤维尺寸均一。然后,将制备好的纳米纤维膜浸泡在苯胺溶液中,以盐酸作为掺杂剂,过硫酸铵作为氧化剂,在CA纳米纤维薄膜上原位聚合引入聚苯胺。所得到的CA/PANI膜具有较高的孔隙率和纳米纤维结构。在施加压力或弯曲形变时,纤维薄膜内部导电通路发生变化从而引起电阻变化,赋予纤维膜良好的力学响应性能。采用CA/PANI复合纳米纤维膜构筑的传感器灵敏度为3.02 k Pa,传感范围为0～73.4 Pa,响应时间可达0.35 s,可用于人体运动监测。(2)通过静电纺丝制备“三明治”结构纳米纤维膜,系统研究了TPU和MXene的含量对纳米纤维复合膜的纤维形貌、导电性能和力学性能的影响规律。当TPU质量分数为12wt%时,MXene质量分数为4 wt%和Ag NWs质量分数为2 wt%时,得到的薄膜具有良好的形貌、导电性能和优异的力学性能。基于这种纳米纤维膜的传感器在应变范围为0-30%和30%-150%时,其灵敏度(GF)分别为1.21和0.92,加载和卸载的响应时间分别为210 ms和280 ms,在约2000个周期内具有良好的传感稳定性。此外,在0-10 k Pa和10-70 k Pa的压力范围内,其灵敏度(GF)分别为0.029 k Pa和0.015 k Pa,并在约2000次循环中表现出出色的传感稳定性。这种力学传感器可用于监测日常生活中的应变、压力和人体运动。(3)通过同轴静电纺丝制备了由PVDF包覆TPU纳米纤维组成的核壳结构纳米纤维复合膜,系统研究了TPU与PVDF的含量对薄膜的纤维形貌和力学性能的影响规律。当TPU溶液质量分数为12 wt%,PVDF的溶液质量分数为12 wt%时,得到的TPU/PVDF复合纤维薄膜具有良好的形貌和优异的力学性能。采用这种核壳结构纳米纤维膜构筑力学传感器,其传感范围可达0.2～5 k Pa,灵敏度为0.42 V/k Pa、响应时间为100 ms、稳定性良好(>20000循环),可用于手指、手腕、手肘等人体关节运动和说话、喝水、进食等生理活动的监测。

关键词：纳米纤维膜静电纺丝力学性能力学传感器人体运动监测

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可穿戴力学传感器微结构的制备策略综述

西安工业大学学报 2023年第3期43卷 197-220页

作者：刘洋赵国旭西安工业大学材料与化工学院西安710021 海南大学生物医学工程学院海口570228

为考察可穿戴力学传感器难以兼容大范围响应和高灵敏度等技术难题,文中结合可穿戴力学传感器微结构的金字塔、柱状和裂缝等不同类型,分别从非规则表面微结构、规则表面微结构和内部微结构三个方面进行了梳理。通过系统归纳总结激光刻蚀... 详细信息

为考察可穿戴力学传感器难以兼容大范围响应和高灵敏度等技术难题,文中结合可穿戴力学传感器微结构的金字塔、柱状和裂缝等不同类型,分别从非规则表面微结构、规则表面微结构和内部微结构三个方面进行了梳理。通过系统归纳总结激光刻蚀法、静电纺丝法、阳极氧化法、加热收缩法、预拉伸法等微结构的制备策略,为以微结构为基础设计的可穿戴力学传感器的研制及应用提供了理论依据。

关键词：可穿戴器件力学传感器非规则表面微结构内部微结构健康监测

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导电弹性体复合材料及其柔性力学传感器研究进展

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西安工业大学学报 2023年第3期43卷 221-239页

作者：田光颢周宏伟西安工业大学材料与化工学院西安710021

为探究导电弹性体复合材料结构和组成对可穿戴力学传感器关键性能的影响规律,文中基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex硅胶和聚氨酯(PU)为柔性基体的导电弹性体复合材料研究进展,综述导电弹性体复合材料的制备方法,对比不同导电弹性体复... 详细信息

为探究导电弹性体复合材料结构和组成对可穿戴力学传感器关键性能的影响规律,文中基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex硅胶和聚氨酯(PU)为柔性基体的导电弹性体复合材料研究进展,综述导电弹性体复合材料的制备方法,对比不同导电弹性体复合材料的性能差异,介绍导电弹性体复合材料在电阻式、电容式和静电式柔性力学传感器中的应用。

关键词：弹性体导电复合材料力学传感器柔性电子材料

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恶劣环境力学参量传感器优化设计专栏

中北大学学报（自然科学版） 2024年第5期45卷 I0002-I0002页

力学参量是装备试验过程对性能指标表征的重要参量,受限于高温高压等恶劣环境,常规力学传感器件面临着“测不了”、“测不准”、“测不好”的技术挑战,因此,恶劣环境下力学参量的获取一直是装备试验的难题。随着材料、半导体、微纳加工... 详细信息

力学参量是装备试验过程对性能指标表征的重要参量,受限于高温高压等恶劣环境,常规力学传感器件面临着“测不了”、“测不准”、“测不好”的技术挑战,因此,恶劣环境下力学参量的获取一直是装备试验的难题。随着材料、半导体、微纳加工技术等多学科交又融合的快速发展,基于新原理、新方法、新材料的传感器技术也得到了长足的发展,尤其是面向恶劣环境的力学参量传感器,正朝着集成化、智能化、低成本、绿色低碳等方向发展。

关键词：力学传感器传感器技术测不准装备试验微纳加工技术力学参量重要参量绿色低碳

可集成于消防服的柔性力学传感器件及其性能研究

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可集成于消防服的柔性力学传感器件及其性能研究

2021中国消防协会科学技术年会

作者：柳素燕刘志豪明晓娟应急管理部上海消防研究所武汉纺织大学技术研究院

制备了一种可集成于消防服上的柔性织物力学传感器并探究了其性能,以期通过实时监测消防救援人员在作业时的身体状态,为消防服监测预警系统提供参考数据。实验探究了该传感器的透湿性能,同时采用正交实验研究了形状和大小等因素对传感... 详细信息

制备了一种可集成于消防服上的柔性织物力学传感器并探究了其性能,以期通过实时监测消防救援人员在作业时的身体状态,为消防服监测预警系统提供参考数据。实验探究了该传感器的透湿性能,同时采用正交实验研究了形状和大小等因素对传感器性能的影响,进而在不同受压面积比下对传感器的性能进行了标定。实验表明,该传感器透湿率为146.67 g/mh,面积为1 cm的圆形传感器具有更好的传感性能,低压力区(0～20 kPa)和高压力区(大于20 kPa)灵敏度分别为0.094 kPa和0.024 kPa。同时结果表明,面积为1 cm的圆形传感器在不同的受力环境下仍具有较好的传感性能。该研究证明了柔性力学传感器件的集成可能性和服用舒适性,以及传感数据的可靠性和稳定性,这些研究为该传感器在消防服上的应用提供了有效的数据支撑。

关键词：消防柔性力学传感器形状大小

来源： cnki会议评论

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碳纳米管拉曼力学传感器的研究进展

材料导报 2014年第15期28卷 69-73页

作者：任桂知邓李慧陈淙洁吴琪琳东华大学纤维材料改性国家重点实验室上海201620

碳纳米管因其拉曼光谱有明显的应力敏感性而被添加到聚合物材料中作为拉曼力学传感器。介绍了不同种类的碳纳米管及其聚集体对应力的不同响应,另外着重综述了碳纳米管拉曼传感器在检测基体受力情况以及在纤维增强材料界面性能方面的应... 详细信息

碳纳米管因其拉曼光谱有明显的应力敏感性而被添加到聚合物材料中作为拉曼力学传感器。介绍了不同种类的碳纳米管及其聚集体对应力的不同响应,另外着重综述了碳纳米管拉曼传感器在检测基体受力情况以及在纤维增强材料界面性能方面的应用。同时也介绍了碳纳米管的功能化对于应力传感效果的影响。

关键词：碳纳米管拉曼光谱力学传感器

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红色荧光蛋白力学传感器和基于smFRET的单分子酶促反应的研究

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红色荧光蛋白力学传感器和基于smFRET的单分子酶促反应的研究

作者：夏蕾南京大学

学位级别：硕士

人们对于生物体内各种细胞内的活动和蛋白等的研究总是没有办法很直观的观测,荧光蛋白和各种荧光分子的发现为人们解决了这一大难题。活生物体内的各种微小的变化不再需要入侵试地进行研究,而是可以转化成荧光信号被人们在外界更方便的... 详细信息

人们对于生物体内各种细胞内的活动和蛋白等的研究总是没有办法很直观的观测,荧光蛋白和各种荧光分子的发现为人们解决了这一大难题。活生物体内的各种微小的变化不再需要入侵试地进行研究,而是可以转化成荧光信号被人们在外界更方便的监测到。荧光蛋白被发现以来,人们立刻发现了这种蛋白可以很好的做成离子传感器用于观测生物体内离子浓度的变化,然而本文提出了荧光蛋白也可以通过对其β桶结构的控制做成力学传感器来观测生物体内力学性质的变化。对于荧光分子,人们越来越多的利用荧光共振能量转移来进行单分子研究,本文就是选取了霍利迪交叉结构来进行研究。我们将酶切位点嵌入其中,若是在霍利迪交叉分子上修饰供体和受体两个荧光分子,就可以通过荧光共振能量转移来研究酶促反应,这个体系也可以被用来做很多单分子的研究。在第一章中,我们主要介绍了整篇文章所需的背景知识。首先,我们将对蛋白质进行基础的介绍,如蛋白质的基本组成单位,空间结构和功能。然后我们简要介绍了绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Protein,GFP)的发现,空间结构和荧光基团的发光机制。由于本文中主要用到的DNA改造技术是聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR),因此我们介绍了常规,突变和大引物PCR的工作原理,反应体系和反应过程。最后,我们将介绍荧光共振能量转移(Fluorescence Resonance Energy Transfer,FRET)的原理,观测 FRET 反应所需的全内反射荧光显微镜(Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy,TIR-FM)和实验所需的基板修饰过程。在第二章中,详细介绍了我们构建的基于红色荧光蛋白的力学传感器。由于红色荧光蛋白相比于其他颜色的荧光蛋白具有穿透性强,光毒性弱,更利于体内成像等优势,更适于用于生物体中,因此我们选用红色荧光蛋白来构建力学传感器,以便以后可以有生物学意义上的应用。力学传感器的构建思路是在红色荧光蛋白的N端和C端添加片段使其对荧光蛋白的β桶结构产生收紧作用的影响,从而改变荧光强度,将荧光强度与荧光蛋白所受的力加以对应,即可成为力学传感器。另外,若是β桶结构发生了较大的变化如被强烈挤压,我们发现荧光蛋白发射光谱的发射峰也会发生蓝移,甚至会对荧光蛋白的颜色产生影响,这样的变化也可以用于观测生物体内力学性质的变化。在第三章中,我们将介绍我们构建的观测酶促反应的体系。我们选用限制性内切酶BamHI,将其序列嵌入霍利迪交叉结构中,利用单分子荧光共振能量转移的手段将实验效果放大来进行研究。由于霍利迪交叉结构在特定条件下会在两态跳跃,荧光共振能量转移的效率也会相应发生改变。若是霍利迪交叉结构的某个分支的长度发生变化,能量转移效率的两态跳跃速率也会发生变化,这就使我们很好地观测到酶促反应的动力学特征。最后,我们将对以上所有工作作出总结并提出将来可以基于以上工作继续深入研究的展望。

关键词：荧光蛋白力学传感器聚合酶链式反应荧光共振能量转移霍利迪交叉酶促反应

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差动电容敏感式力学传感器的信号提取电路

电子元件与材料 2003年第3期22卷 10-12页

作者：王宏伟张伟林宇张朝民北京信息工程学院传感技术研究中心北京100101 佳木斯大学理学院黑龙江佳木斯154004

通过对加速度计的研究,开发了一类利用差动电容敏感的力学传感器的信号检测电路.在电路中给出了所使用的电子元器件,并进行分析求解,给出了电路的输出电压和传感器信号拾取电容变化量之间的正比例关系.经过实验测试,当电容变化0.01 pF时... 详细信息

通过对加速度计的研究,开发了一类利用差动电容敏感的力学传感器的信号检测电路.在电路中给出了所使用的电子元器件,并进行分析求解,给出了电路的输出电压和传感器信号拾取电容变化量之间的正比例关系.经过实验测试,当电容变化0.01 pF时,就有10 mV的输出电压.故该电路可以检测微弱电容的变化,特别是电容变化量为0.01~1.00 pF的小电容变化.

关键词：力学传感器信号提取微机械差动电容电路

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