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二维导电材料/柔性聚合物复合材料基可穿戴压阻式应变传感器的研究进展

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精细化工 2021年第4期38卷 649-661,859页

作者：郭茹月鲍艳陕西科技大学轻工科学与工程学院陕西西安710021 陕西科技大学轻化工程国家级实验教学示范中心陕西西安710021

可穿戴应变传感器在人体运动检测、健康监测、可穿戴电子设备和柔性电子皮肤等新兴领域具有极大的应用前景。近年来,由二维(2D)导电材料和柔性聚合物基体组成的可穿戴压阻式应变传感器具有较高的灵敏度、良好的拉伸性和柔韧性、优异的... 详细信息

可穿戴应变传感器在人体运动检测、健康监测、可穿戴电子设备和柔性电子皮肤等新兴领域具有极大的应用前景。近年来,由二维(2D)导电材料和柔性聚合物基体组成的可穿戴压阻式应变传感器具有较高的灵敏度、良好的拉伸性和柔韧性、优异的耐久性、可调的应变传感性和易加工等特点,受到广泛关注。基于此,该文对基于2D导电材料/柔性聚合物复合材料(2D-CPC)的可穿戴压阻式应变传感器的类型、传感机理、性能指标、影响因素及应用等进行了综述,并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词：可穿戴应变传感器压阻式传感器 2D导电材料柔性聚合物

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基于柔性压电应变传感器的可穿戴装置及应用

基于柔性压电应变传感器的可穿戴装置及应用

作者：季振杰天津大学

学位级别：硕士

世界卫生组织已宣布COVID-19为全球流行性疾病,其常见症状之一是呼吸困难,主要表现为呼吸频率和心跳频率加快,因此能够持续监测呼吸和心跳的可穿戴设备受到重点关注。传统检测设备体积较大,限制了其在生命体征测量系统中的发展与应用,... 详细信息

世界卫生组织已宣布COVID-19为全球流行性疾病,其常见症状之一是呼吸困难,主要表现为呼吸频率和心跳频率加快,因此能够持续监测呼吸和心跳的可穿戴设备受到重点关注。传统检测设备体积较大,限制了其在生命体征测量系统中的发展与应用,柔性可穿戴传感器应运而生,主要应用包括对人体压力与应变的测量。然而,可穿戴传感器受灵敏度和可靠性的限制,对许多人体压力或应变信号响应微弱,所获取的信号受到不同类型噪声的干扰。本论文开发了一套基于柔性压电薄膜的高信噪比可穿戴应变传感装置,应用于测量胸腔部位的呼吸与心跳信号。通过对已有的蛇形图案进行改进,提出具有不同夹角的创新性弧形结构设计,能够使有机压电薄膜具有较高可拉伸性,制作的图案化聚偏二氟乙烯柔性压电应变传感器厚度仅168μm,电压灵敏度达到0.97mV/μe,有效模量为13.5MPa,能够贴合皮肤实现人体微小应变的检测。该装置由具有蛇形布局的高灵敏度可拉伸压电应变传感器、信号模块、数据采集与分析模块组成。将传感器固定在胸腔合适部位,表面振动由压电传感器捕获,产生与心跳呼吸活动共形映射的输出电压信号,通过信号处理模块实现放大与滤波以提高信号质量,将采集的数据通过经验模态分解算法提取其中相应的心跳信号和呼吸信号。通过可穿戴设备检测例如呼吸与心跳的重要生理信号,有助于早期诊断和控制COVID-19等呼吸道疾病。

关键词：可穿戴应变传感器柔性压电薄膜心跳呼吸监测信号分解

聚丙烯酸-Al_(3+)/壳聚糖复合双网络水凝胶的制备与性能

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复合材料学报 2022年第12期39卷 5901-5911页

作者：鲁程程于振坤杨园园张玉红湖北大学化学化工学院有机化工新材料省部共建协同创新中心功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室武汉430062

水凝胶材料具有独特的仿生结构、性能及生物相容性,在可穿戴应变传感器中的应用越来越广泛。然而,制备出具有良好的力学性能和高电导率的水凝胶传感器仍然是一项很大的挑战。本文通过简单的两步法,制备了完全物理交联的、高强度和敏感... 详细信息

水凝胶材料具有独特的仿生结构、性能及生物相容性,在可穿戴应变传感器中的应用越来越广泛。然而,制备出具有良好的力学性能和高电导率的水凝胶传感器仍然是一项很大的挑战。本文通过简单的两步法,制备了完全物理交联的、高强度和敏感性的聚丙烯酸-Al_(3+)/壳聚糖复合双网络水凝胶传感器。首先将壳聚糖(CS)、聚丙烯酸(PAA)和离子交联剂Al_(3+)在水中物理混合为预凝胶,然后用预凝胶进行无机盐溶液浸泡而制备出所提出的水凝胶传感器。所得的离子水凝胶传感器显示出优异的力学性能(抗拉强度高达765.4 kPa,断裂伸长率至1025%,韧性为4.13 MJ/m^(3))。同时,基于该水凝胶应变传感器表现出较出色的拉伸灵敏度(灵敏因子约为1.54),使其能够重复稳定地检测人体大应变和微小应变。因此,通过金属盐的作用引入物理交联网络可以提高水凝胶的性能,为多功能材料的设计及在电子皮肤、可穿戴设备和生物传感器上的应用提供了新的视角。

关键词：双网络水凝胶可穿戴应变传感器壳聚糖力学性能传感性能

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基于聚乙烯醇/聚吡咯导电有机凝胶的合成及其在人体活动监测中的应用

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分析化学 2024年第7期52卷 945-954页

作者：马星悦张媛媛孙福欣张凌宇马崇博东北师范大学化学学院分析测试中心多酸与网状材料化学教育部重点实验室动力电池国家地方联合工程实验室纳米生物传感分析吉林省高校重点实验室

针对传统水凝胶在力学性能和环境稳定性方面的不足，本研究制备了一种基于聚乙烯醇（PVA）和聚吡咯（PPy）的新型导电有机凝胶，通过引入二甲基亚砜（DMSO）作为溶剂，显著改善了凝胶的机械强度和耐久性。采用红外光谱、热重分析和扫描... 详细信息

针对传统水凝胶在力学性能和环境稳定性方面的不足，本研究制备了一种基于聚乙烯醇（PVA）和聚吡咯（PPy）的新型导电有机凝胶，通过引入二甲基亚砜（DMSO）作为溶剂，显著改善了凝胶的机械强度和耐久性。采用红外光谱、热重分析和扫描电子显微镜等表征手段，考察了材料的结构特征和热稳定性。实验结果表明，有机凝胶在8%(m/m)PVA浓度下表现出最优性能，其平均孔径为5.2μm，导电率为0.65 S/cm。将PVA/PPy有机凝胶作为可穿戴应变传感器，展示了优良的灵敏度和响应性，能够精确检测关节和肌肉的运动，而且能捕捉脉搏跳动和声带振动等细微的生理信号。此凝胶在室温下放置48 h后仍能保持稳定的传感性能，显示出良好的环境适应性和长期使用潜力。本研究制备的PVA/PPy有机凝胶材料为智能医疗、健康监测和人机交互等领域的相关研究工作提供了技术支持，具有广阔的应用前景。

关键词：导电有机凝胶聚乙烯醇聚吡咯可穿戴应变传感器环境稳定性

来源：博看期刊

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高灵敏壳聚糖基复合水凝胶的制备与性能研究

高灵敏壳聚糖基复合水凝胶的制备与性能研究

作者：胡智锐中北大学

学位级别：硕士

近年来,可穿戴应变传感器在人机交互、智能机器人与虚拟现实等多种领域中展现出愈加广泛的应用潜力,得到了人们的广泛关注。为了满足实际应用的需要,研究高灵敏度、宽检测范围、快速响应时间与高循环稳定性的柔性应变传感器至关重要。... 详细信息

近年来,可穿戴应变传感器在人机交互、智能机器人与虚拟现实等多种领域中展现出愈加广泛的应用潜力,得到了人们的广泛关注。为了满足实际应用的需要,研究高灵敏度、宽检测范围、快速响应时间与高循环稳定性的柔性应变传感器至关重要。但是目前水凝胶基应变传感器普遍为压阻型传感器,在应变传感器的高灵敏度和宽检测范围这两个性能参数之间存在较大冲突。为了提高灵敏度可以通过设计微结构实现快速响应,但也容易导致较窄的检测范围,难以做到动态力和静态力的宽响应检测。因此,如何构建具备高灵敏度和动静态力检测的水凝胶基传感器仍然是当前的一个挑战。基于此,本文以智能可穿戴应变传感器的应用需求为引领,开展了一系列壳聚糖生物质基复合水凝胶的制备与性能研究,实现高灵敏度和动静态响应的检测。1、采用PVDF-TrFE为压电填料,PEDOT:PSS为压阻填料,通过物理-化学交联法,构建压电压阻多功能复合壳聚糖基导电水凝胶(CHACC/PVDF-TrFE/PEDOT:PSS水凝胶简写为Pp-水凝胶),实现高灵敏(GF=19.3)、宽响应(5-25Hz)和快速响应时间(64ms),并且可以用在人体运动检测、可穿戴传感器和柔性键盘输入等领域。2、采用PVDF-TrFE为压电填料,PEDOT:PSS为压阻填料,通过全物理交联法构建的壳聚糖/聚乙烯醇双网络导电水凝胶(PVA/HACC/PVDF-TrFE/PEDOT:PSS水凝胶简写为PHPP-水凝胶),用于应变传感器和超级电容器。水凝胶的断裂伸长率可以达到533%,拉伸强度突破7MPa。同时做到了高灵敏(GF=43.76)和快速响应,可以运用在人体运动检测及可穿戴设备领域。3、采用甲基丙烯酸酐(MA)作为光敏基团接枝在壳聚糖(CS)的氨基上,在甲基丙烯酰化的壳聚糖制备第一网络的基础上,用引发剂引发自由基聚合的丙烯酸(AA),构建第二网络,可以在紫外光的作用下1分钟固化成水凝胶,具有良好的成型性能和力学性能(压缩强度40MPa)。采用PVDF-TrFE为压电填料(MACS/AA/PVDF-TrFE水凝胶简写为CAP-水凝胶),光固化成型的水凝胶压电系数(d)为7.06p C/N,电压输出80mV。上述三种基于导电水凝胶的应变传感器都能够进行静态力和动态力的检测,将导电水凝胶应用在可穿戴电子设备领域,有望在人体运动检测、细微运动监测、柔性可输入设备、电化学储能设备等领域展现出较大潜力。

关键词：可穿戴应变传感器高灵敏水凝胶导电水凝胶压电压阻复合

基于类节肢弹性蛋白的自黏附导电水凝胶构筑及表征研究

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基于类节肢弹性蛋白的自黏附导电水凝胶构筑及表征研究

作者：胡潇上海交通大学

学位级别：硕士

蛋白质自黏附导电水凝胶,在绿色可穿戴传感器领域拥有重要的应用前景。然而,制备符合传感器力学、电学等多重性能要求的蛋白质水凝胶,仍是一个巨大挑战。本论文设计合成了基因工程类节肢弹性蛋白(Resilin-like Proteins,RLPs),通过逐级... 详细信息

蛋白质自黏附导电水凝胶,在绿色可穿戴传感器领域拥有重要的应用前景。然而,制备符合传感器力学、电学等多重性能要求的蛋白质水凝胶,仍是一个巨大挑战。本论文设计合成了基因工程类节肢弹性蛋白(Resilin-like Proteins,RLPs),通过逐级功能化,获得了兼具高延展性、可回复性、黏附性、应变灵敏和稳定性的水凝胶材料,在可穿戴应变传感器方面得到了初步应用。首先,为了调节作为基质的RLP蛋白水凝胶力学性能,本论文利用迭代克隆法构建了编码三种不同分子量RLP蛋白的重组表达质粒,在大肠杆菌宿主中通过高密度发酵实现了RLP的可溶性高效表达,产量达到370-770 mg L,其中分子量为93 k Da的R64为目前报道的分子量最大的RLP。研究发现,通过光化学交联形成的三种RLPs水凝胶,其强度、刚度和韧性与聚合物分子量正相关。其次,为了改善水凝胶的延展性,本论文利用甘油—水的二元溶剂来溶解RLP蛋白并进行光化学交联成胶。添加10-30%甘油调节溶剂,显著增加了水凝胶的延展性,断裂伸长率高达300%,比对照R64水凝胶提高了一倍有余。更令人惊喜的是,甘油的添加赋予了水凝胶黏附性,黏附强度在添加20%甘油时最高,达到24 k Pa,可支持水凝胶黏附于皮肤、乳胶、玻璃、金属、纤维素纸张等不同基质表面。这种添加甘油等多羟基醇溶剂的方法,为调控水凝胶延展性和黏附性提供了一个简单有效的新策略。最后,为了赋予RLP水凝胶导电性,本论文利用EDC/NHS活化的方法合成了石墨烯-R64酰胺化偶联物。将该偶联物与R64甘油溶液混合,经过光交联形成杂合水凝胶,不仅保持了之前水凝胶优良的延展性及黏附性,而且表现出高应变灵敏度,在200%的应变条件下其应变系数为3.415。基于上述杂合水凝胶构建的传感器,能够响应拉伸或压缩形变产生电阻变化,将这些力学行为转化为电学信号,不仅可以用于手指弯曲大幅度动作的实时监控,还可用于吞咽和发声等人体细微活动的监控。该传感器还具有良好的稳定性,模拟体表环境使用三天仅失水约30%,仍可正常用于人体活动监控。综上所述,本论文在基因工程类节肢弹性蛋白的基础上,通过调控溶剂和引入石墨烯蛋白偶联物,设计构建了一类新颖的自黏附导电蛋白质水凝胶。该水凝胶具备的高延展、可回复、黏附、灵敏和稳定性等多重特性,符合可穿戴传感器的应用需求,预期在软体机器人、组织工程和人机界面等领域拥有更广泛的应用前景。本研究建立的蛋白材料设计和功能化策略,可为其他功能材料的研究提供借鉴。

关键词：类节肢弹性蛋白水凝胶石墨烯自黏附导电可穿戴应变传感器

导电高分子纳米纤维膜的制备及其应变传感性能的研究

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导电高分子纳米纤维膜的制备及其应变传感性能的研究

作者：李蓓扬州大学

学位级别：硕士

可穿戴应变传感器被广泛用于柔性电子设备、生物监测等领域。柔性导电高分子纳米纤维复合材料具有良好的亲肤性、独特的多孔结构以及透气性,成为可穿戴应变传感器的理想材料。本论文通过超声驱动石墨烯在纳米纤维表面的组装,制备了导电... 详细信息

可穿戴应变传感器被广泛用于柔性电子设备、生物监测等领域。柔性导电高分子纳米纤维复合材料具有良好的亲肤性、独特的多孔结构以及透气性,成为可穿戴应变传感器的理想材料。本论文通过超声驱动石墨烯在纳米纤维表面的组装,制备了导电高分子纳米纤维膜。通过表面改性和结构设计赋予复合纤维膜超疏水性能。论文深入研究了材料的结构和性能的关系,并探究了其作为应变传感器时的传感机制。论文主要由三个部分构成:1.利用静电纺丝获得聚氨酯（Polyurethane,PU）纳米纤维,通过超声驱动在PU纳米纤维的表面包裹一层石墨烯（graphene）,用聚多巴胺（Polydopamine,PDA）进行改性,最后用 1H,1H,2H,2H-全氟癸硫醇（1H,1H,2H,2H-perfluorodecanethiol,PFDT）进行疏水处理。制备得到的导电高分子纳米纤维复合材料（CPNCs）具有独特的聚合物核/石墨烯壳的结构,即使在恶劣的环境下也能显示出超疏水性。PDA的引入不仅改善了单个石墨烯片之间的界面相互作用,而且改善了石墨烯与PU纳米纤维之间的相互作用。与PU纳米纤维膜相比,它们的机械性能（包括杨氏模量,拉伸强度和断裂伸长率）得到了显著改善。当CPNC用作应变传感器时,它显示出高拉伸性、可控制的灵敏度、出色的循环稳定性和耐用性。基于CPNC的应变传感器可以附着在皮肤上,精确监控不同微小或大的人体运动,在可穿戴设备中具有广阔的应用前景。2.通过静电纺丝技术制备PU纳米纤维膜,在超声作用下将graphene组装到PU纳米纤维表面,然后拉伸纤维膜在石墨烯壳层形成空隙,再次通过超声驱动使二氧化硅（SiO2）纳米颗粒吸附到上述空隙中的纤维表面,最后释放应力,纤维膜回复到无拉伸状态,制备出具有多层级结构的超疏水导电纳米纤维复合材料（SCNC）,其具有SiO2/graphene壳和PU纳米纤维核的微结构。Graphene和SiO2纳米颗粒的引入提高了PU纳米纤维膜的杨氏模量和拉伸强度,而保持其断裂伸长率。SCNC经过循环拉伸或磨损,几乎可以保持超疏水性和导电性。当用作应变传感器时,SCNC具有高拉伸性、可靠性和良好的耐用性,并且可以在恶劣环境中使用。SCNC传感器可以用于监测全方位的人体运动,使其在可穿戴设备中具有广阔的应用前景。3.通过静电纺丝技术制备得到PU纳米纤维膜,利用超声驱动将graphene组装到处于拉伸状态下的PU纳米纤维表面,纤维膜松弛后最终得到表面具有褶皱的“花瓣状”形貌的graphene/PU复合材料。制备过程简单,且材料具有良好的导电性,疏水性能也得到极大的提高。当用作应变传感器时,由于独特的褶皱结构,显示出优异的传感性能,高灵敏度以及出色的循环稳定性。

关键词：静电纺丝纳米纤维导电性超疏水可穿戴应变传感器

柔性导电高分子复合材料微结构构筑及应变敏感行为研究

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柔性导电高分子复合材料微结构构筑及应变敏感行为研究

作者：路礼军郑州大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：导电高分子复合材料应变敏感行为银纳米线碳纳米管可穿戴应变传感器