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透明可拉伸PVDF压电传感器的制备及性能分析

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透明可拉伸PVDF压电传感器的制备及性能分析

作者：袁月武汉理工大学

学位级别：硕士

压电传感器是一类自供能、可感知外界压力/应变的电子器件,在电子皮肤、运动侦测和能量收集等领域具有重要的应用前景。但是,目前的压电传感器存在拉伸变形能力不够高以及可拉伸性和透光性难以兼容的问题,难以满足可穿戴电子的应用要求... 详细信息

压电传感器是一类自供能、可感知外界压力/应变的电子器件,在电子皮肤、运动侦测和能量收集等领域具有重要的应用前景。但是,目前的压电传感器存在拉伸变形能力不够高以及可拉伸性和透光性难以兼容的问题,难以满足可穿戴电子的应用要求。本文以聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）为研究对象,围绕压电传感器的拉伸性能和透光性能,从传感器微观结构设计的角度出发,设计并制备了立式多层堆叠、面内-面外双级波浪和三维螺旋形PVDF压电微纤维及其传感器,使传感器兼具高拉伸变形能力、高透光性和传感性能。本文主要研究工作如下:（1）分析了压电理论,结合PVDF压电纤维实验研究中常用的两种应变方式,将压电方程具体到PVDF纤维阵列进行了推导。分析了PVDF的极化,优化了纺丝路径,对静电纺丝极化过程进行了分析并对典型实验条件下获得的PVDF纤维做了晶型表征,β相含量为83.82%。（2）结合器件透光率和增加信号输出两个方面,通过静电纺丝以自对准形式制备层层堆叠的PVDF纤维,再转移至透明VHB基底获得透明多层PVDF压电传感器。整个器件的透光率不会随纤维层数的增加而降低,能达到90%以上。多层堆叠结构可改善纤维受力情况提高直纤维的拉伸性能,能够在应变150%的情况下稳定输出信号。进行压电响应测试,信号输出随着层数增加而增加。将传感器应用于关节弯曲运动侦测,传感器能够稳定输出压电信号。能够区别不同手关节的运动。在手指和手腕关节的运动过程中起主导作用的应变方式不同,分别对应关节压力的作用即模式和拉伸的作用力即模式。（3）提出了兼具面内和面外两种波浪结构的高拉伸压电应变传感器。通过预编程实现了面内初级波浪的振幅-波长比调控,并通过预拉伸基底方法实现了面外波浪的振幅-波长比调控。面外波浪按照面内波浪轨迹排布,充分发挥了波浪形结构的变形能力,能够承受超350%的拉伸应变。结合实验和有限元模拟,分析了双级波浪结构的形成条件和表面受力情况。面外波浪形成的关键因素是静电纺丝直射流到达基板后形成带状纤维。预拉伸应变大小直接影响面外波浪振幅的大小。进行了透光率实验,表面铺设40根PVDF微纤维传感器平均透光率达79.6%,当铺设60根纤维时传感器仍有76%的平均透光率。验证该传感器对拉伸应变具有敏感的压电信号,对手指和手腕的弯曲具有敏感的响应。（4）为了进一步提高PVDF压电传感器的拉伸性能,提出了三维螺旋结构PVDF压电微纤维。利用静电纺丝直射流与接收端的挤压作用产生周期性力学绕曲,克服了PVDF纤维因柔软而立体结构难以保存维持的缺陷。分析了纤维绕曲现象。研究了三维螺旋结构PVDF微纤维形成机理以及实验条件对螺径大小的影响,制备拉伸能力超过500%的三维螺旋结构的PVDF压电传感器,结合有限元模拟,证明了离面螺圈部分没有基体的约束可以发生自由屈曲,进而有效改善纤维的拉伸受力情况。通过实验证明了传感器的压电响应灵敏,能够有效检测微压力。

关键词：柔性电子压电传感器高拉伸聚偏二氟乙烯透光率

基于氢键自修复可拉伸导电纤维的制备及力电性能研究

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基于氢键自修复可拉伸导电纤维的制备及力电性能研究

作者：杨丹哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

生物电极是实现生物组织与外部电气硬件信息交流的关键界面器件,其在人类大脑研究、生物电子医疗和神经义肢等科学研究领域起着至关重要作用。为匹配生物组织的拉伸特征,例如,人体肌肉具有40%的伸缩,要求电极具有一定的柔韧性和可伸缩性... 详细信息

生物电极是实现生物组织与外部电气硬件信息交流的关键界面器件,其在人类大脑研究、生物电子医疗和神经义肢等科学研究领域起着至关重要作用。为匹配生物组织的拉伸特征,例如,人体肌肉具有40%的伸缩,要求电极具有一定的柔韧性和可伸缩性,使其在拉伸状态下具有低电阻变化率,避免因电阻变化巨大,形成低清晰度、不准确的电信号,甚至电极失效。然而,典型导电材料(金属、碳、导电聚合物等)的不可拉伸性,很难使电极在高拉伸甚至损坏情况下保持导电路径的互连性。在本课题中,首先使用缩聚反应设计合成一种高拉伸、室温条件下具有快速自修复性的聚硅氧烷弹性体。实验结果表明,通过改变反应配比,基于动态氢键交联自修复弹性体的力学性能和自修复性能得到有效调控。得到柔性基底表现出良好的力学性能(拉伸应变达到744%,拉伸应力达到1.86 MPa),室温下快速高效的自修复性能(～96%)和缺口不敏感性。随后,提出双微裂纹耦合结构,利用滚动封装技术得到基于自修复基底的双层纤维状电极。此设计利用导电通路间彼此互补,使电极在拉伸过程中保留更多的导电路径,同时完成对电极的封装。与PDMS金电极相比,制得自修复基底对金的界面附着力有所提高,为获得双层结构设计提供了保证。实验结果表明,100%应变下其电阻变化(R/R)约为6倍,远低于相同应变下的其它设计(薄膜电极R/R≈50,单层纤维状电极R/R≈16),并具有～200%的导电拉伸性;即使电极带有缺口,仍可承受～300%的拉伸应变,弥补了PDMS金电极在微小裂纹下快速断裂的缺陷。此外,该电极在室温下愈合12 h后具有～85%的断裂应变。最后,我们证明了其在记录人体运动信号、植物生理信号方面的应用。该设计为柔性电极的高延伸性提供了一种新的可行性策略。

关键词：柔性电极自修复氢键高拉伸信号检测

基于Cassie-Baxter态抗液体干扰和抗细菌黏附可穿戴柔性应变传感器的研究

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基于Cassie-Baxter态抗液体干扰和抗细菌黏附可穿戴柔性应变传感...

作者：蔡娴芳广州大学

学位级别：硕士

可穿戴式柔性应变传感器逐步被投入至消费产品领域、医疗健康领域、工业和军事等领域。因为可不断与电子医疗、人工智能、生物芯片、大健康、云数据等战略性新兴产业进行融合创新,未来的可穿戴式柔性应变传感器将更具挑战性和发展前景... 详细信息

可穿戴式柔性应变传感器逐步被投入至消费产品领域、医疗健康领域、工业和军事等领域。因为可不断与电子医疗、人工智能、生物芯片、大健康、云数据等战略性新兴产业进行融合创新,未来的可穿戴式柔性应变传感器将更具挑战性和发展前景。为实现其多领域的应用,可穿戴式柔性应变传感器不仅仅需要攻克柔性器件本身的传感性能(超灵敏、宽应变传感范围)的升级突破技术难题,更需亟待解决在复杂运行环境下能够抗液体干扰而稳定传感运行的问题。复杂的环境(如水、酸、碱、盐、微生物等)会干扰柔性应变传感器,导致其电导率的不稳定性,从而影响柔性应变传感器的稳定性和缩短其使用寿命。例如:细菌若黏附在传感器表面将产生微生物腐蚀破坏导电层,水分子或其它分子渗入导电层中不仅影响其电学性能且产生污损。避免液体干扰的传统技术是利用聚合物封装传感器,但存在传感性能下降和封装工艺复杂等问题。为此,提出非封装直接在可穿戴式柔性电子应变传感器表面构筑Cassie-Baxter润湿状态实现抗液体干扰传感研究策略并揭示其内在机制,具有重要的研究意义。本文提出了抗液体干扰的可穿戴式柔性应变传感器的设计策略。通过对Wenzel润湿状态的MWCNT/G-PDMS可穿戴式传感器的电学性能和润湿性能的系统研究,探索液体影响拉伸应变传感机理。结合理论分析,设计了一种Cassie-Baxter润湿状态抗液体干扰和细菌黏附的超灵敏、高拉伸F/Ag/MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性传感器(FAMG)。该传感器采用三明治结构,底层为超弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底,中间层为Layer-By-Layer式碳纳米管/石墨烯(MWCNT/G)导电层和(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)键合层,外层为修饰的银纳米粒子和氟化层。从微纳结构设计、表面润湿理论和传感机制等方面阐明了其获得抗液体干扰和抗细菌黏附的关键技术理论,并揭示了新型多级结构的超灵敏宽拉伸范围的内在传感机制。论文的主要研究内容如下:(1)研究构建Wenzel润湿状态的MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性应变传感器。通过分析液滴/油滴/细菌液滴滴落在MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性应变传感器表面的润湿状态和黏附状态探究液体对拉伸应变传感性能的影响性规律,综合传感器的自清洁性、疏水性、抗细菌黏附性和水下疏油性能,提出液体干扰应变传感的机理模型。结果表明,基于Wenzel润湿状态的MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性应变传感器的导电层为厚度在5μm左右的微平面结构,MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性应变传感器表面易黏液滴、油滴和细菌液滴。因MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性应变传感器不具有自清洁性能、疏水性能、抗细菌黏附性能和水下疏油性能,不能免疫大部分液体(绿茶、红茶、橙汁、可乐、牛奶和酸性溶液(pH=1)、碱性溶液(pH=10)、盐溶液(0.4mol/L)和细菌溶液(10CFU/mL))对其传感应变性能的干扰。且因液体/液体中其他杂质的干扰和渗入,导电通路发生变化,导致Wenzel润湿状态的MWCNT/G-PDMS柔性应变传感器的拉伸传感性能严重下降。(2)在液体干扰电学性能模型分析基础上,提出了基于Cassie-Baxter态抗液体干扰和抗细菌黏附的超灵敏高拉伸FAMG可穿戴柔性应变传感器。通过结构形貌分析,该传感器具有厚度在5-10μm的褶皱态的多级微纳结构导电层,且导电材料分布均匀,结构稳定。通过分析液滴/油滴/细菌液滴在传感器表面的润湿状态和黏附状态探究抗液体干扰关联性,结果表明,该传感器因具有自清洁性、疏水性、抗细菌黏附性和水下疏油性而具有优异的抗液体干扰性。因液滴、油滴和细菌液滴等不易黏附在传感器表面,从而避免其电学性能受到液体(绿茶、红茶、橙汁、可乐、牛奶和酸性溶液(pH=1)、碱性溶液(pH=10)、盐溶液(0.4mol/L)和细菌溶液(10CFU/mL))的影响,保证了其电学性能的稳定性。该传感器具有灵敏度2059,拉伸范围0.1-170%,最小测试值0.1%,响应和恢复时间150ms,拉伸循环1000次后电阻依旧稳定的电学性能。同时在复杂环境下可对人体全范围动作进行精准同步监测。在模拟的人工降雨环境下,FAMG可无视液体影响对电子鸟进行精准监控测量。也能忽视细菌液的影响,在人体测试中(脉搏、手腕、手肘、膝盖),对人体动作部位进行多方位、全面的监测。这很好的表明了FAMG的抗液体干扰和细菌黏附性,以及优异的电化学性能。(3)研究揭示了抗液体干扰传感性能的内在机制。通过FAMG可穿戴式柔性应变传感器的结构形貌和表面润湿性分析,揭示了多级结构的Cassie-Baxter润湿态表面是抗液体干扰的关键技术理论基础。通过研究传感器表面的油、水润湿状态以及细菌液滴和细菌的黏附状态,揭示了超疏水和水下疏油润湿特性是抗细菌黏附的内在机制

关键词：抗液体干扰可穿戴柔性应变传感器超灵敏高拉伸防细菌黏附

高强度、极端环境自适应超弹性纳米复合水凝胶的设计及性能研究

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高强度、极端环境自适应超弹性纳米复合水凝胶的设计及性能研究

作者：李政合肥工业大学

学位级别：硕士

水凝胶由于其高度的生物相容性和兼具流体与固体的性能而被广泛的用于生物医学、柔性传感、能源储存等广泛的领域。然而,随着材料科学的不断发展,对材料提出了更高的要求。对于水凝胶来说,其单一的性能(弱的机械强度、高温失水、低温冻... 详细信息

水凝胶由于其高度的生物相容性和兼具流体与固体的性能而被广泛的用于生物医学、柔性传感、能源储存等广泛的领域。然而,随着材料科学的不断发展,对材料提出了更高的要求。对于水凝胶来说,其单一的性能(弱的机械强度、高温失水、低温冻结、有机溶剂相分离等)已经无法满足人类的需求。极端环境相容的纳米复合水凝胶越来越成为材料科学家的研究热点。基于此,本文通过穿插异质二重网络、乳液杂化交联等策略构建了高强度、超弹性、极端环境相容的纳米复合水凝胶。本文具体研究内容如下:1.采用银纳米线,丙烯酰胺,N,N-二甲基双丙烯酰胺,过二硫酸钾和四甲基乙二胺进行取向冷冻,放置一夜,形成均质多孔银纳米线-聚合物壁结构的超弹性水凝胶。紧接着以该超弹性水凝胶为基底,丙酮脱水,通过光引发剂907形成银-硫配位键对银纳米线-聚合物壁进行修饰,最后通过油性前体溶液浸泡,紫外光聚形成穿插异质网络的有机水凝胶压力传感器。该有机水凝胶体现出优异的超弹性、抗疲劳性、耐低温、抗油溶胀性能。在达到70%的压缩形变下可以很好地恢复到其原始形状,甚至在-50 C,不同的油性环境中可以维持着较高的加载-卸载循环,优异的压敏性能。2.采用氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷在十二烷基硫酸钠的作用下,辅以一定的温度在水相中形成均质的乳液微球。缓慢滴加氯金酸溶液,在一定的温度下围绕着微球周围原位生长金纳米颗粒,通过N,N-双(丙烯酰)胱胺对“核壳”进行改性构建乳液杂化大分子交联剂,最后参与构建水凝胶三维网络,形成多功能的原位还原杂化水凝胶。该杂化水凝胶显示出优异的机械强度、超弹性、卓越的极端环境适应性;在达到3000%的拉伸条件下(拉伸应力2.3 MPa)恢复到原长,在-20～90 C可以保持机械弹性,在有机溶剂中可以自适应且高效的光热转化。因此,该复合水凝胶材料在更为广阔的领域有着良好的应用前景。

关键词：高拉伸超弹性极端环境复合水凝胶材料配位键

基于纤维素膜的三氟苯甲醛改性聚乙烯醇水凝胶柔性传感器的制备及性能研究

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纤维素科学与技术 2024年第2期32卷 8-13页

作者：李存志史珺李晓斌孔晨光王杭州黄有诚江淑敏杨立中国科学院广州化学研究所广东广州510650 中国科学院大学北京100049 中国科学院新型特种精细化学品工程实验室广东广州510650 国科广化韶关新材料研究院广东南雄512440 国科广化(南雄)新材料研究院有限公司广东南雄512440 南雄市科学技术开发服务中心广东韶关512499

以对甲苯磺酸为催化剂,将疏水单体3,4,5-三氟苯甲醛(TBA)通过缩醛反应接枝到聚乙烯醇(PVA)侧基中,通过溶剂置换策略激活内部疏水结构,从而制备一系列高拉伸抗溶胀聚乙烯醇水凝胶。对合成的水凝胶进行了拉伸实验、溶胀实验、含水量和传... 详细信息

以对甲苯磺酸为催化剂,将疏水单体3,4,5-三氟苯甲醛(TBA)通过缩醛反应接枝到聚乙烯醇(PVA)侧基中,通过溶剂置换策略激活内部疏水结构,从而制备一系列高拉伸抗溶胀聚乙烯醇水凝胶。对合成的水凝胶进行了拉伸实验、溶胀实验、含水量和传感性能测试。结果表明,随着三氟苯甲醛的含量由3%增加到4%时,水凝胶的拉伸性能产生了明显提高,拉伸强度达到1.3 MPa,断裂伸长率达到985%;当含量由4%增加到5%时其力学性能趋于稳定,不再发生明显变化。三氟苯甲醛的引入显著提高了PVA水凝胶的抗溶胀性能和疏水性。PVA-TBA水凝胶在水中浸泡5天后,溶胀率基本维持在0%,并且其含水量随着TBA含量的增加呈现下降趋势。将改性水凝胶与纤维素膜结合组装成柔性应变传感器,其不仅可以用作拉伸传感器对关节运动如手指弯曲、手腕弯曲和膝盖弯曲等进行检测,也可用作压力传感器对压力准确试别。综上三氟苯甲醛的引入显著改善了聚乙烯醇水凝胶的力学和抗溶胀性能,为水下传感器基体材料提供了一个可靠的选择。

关键词： 3,4,5-三氟苯甲醛水凝胶应变传感器溶剂置换高拉伸抗溶胀