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基于铁纳米线敏感复合材料的柔性应变传感器设计及性能研究

基于铁纳米线敏感复合材料的柔性应变传感器设计及性能研究

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作者：苟欣重庆邮电大学

学位级别：硕士

随着柔性电子产业的快速发展,特别是在人工智能、电子皮肤、人机交互、医疗健康等领域,高性能柔性拉伸应变传感器已成为一个热门的研究课题。但对于柔性拉伸应变传感器而言,如何同时实现高灵敏度、大拉伸和线性响应仍是一个具有挑战性... 详细信息

随着柔性电子产业的快速发展,特别是在人工智能、电子皮肤、人机交互、医疗健康等领域,高性能柔性拉伸应变传感器已成为一个热门的研究课题。但对于柔性拉伸应变传感器而言,如何同时实现高灵敏度、大拉伸和线性响应仍是一个具有挑战性的难题。其中,铁纳米线(Fe NWs)具有高长径比、较高的饱和磁化强度及适中的电导率,有望构建灵敏度高且线性范围大的柔性拉伸应变传感器。因此,本文提出对易氧化的Fe NWs进行复合优化,并引入结构完成两类复合柔性拉伸应变传感器的构筑;利用实验平台对其进行性能研究,并结合微观表征完成其传感机理分析。最后,成功研制出一款具有高灵敏、大拉伸、线性响应等优异性能的柔性应变传感器。本文具体研究内容和结论如下:1.阐述了柔性应变传感器优化研制及性能研究的重要意义,综述了当前柔性应变传感器的研究现状,明确了当前柔性应变传感器研究存在的挑战,指明了可能解决该问题的途径,从而引出本文研究内容。2.明确了本文研制柔性应变传感器的性能参数指标,拟定了柔性应变传感器的构筑方案,介绍了本文所用到的实验平台、表征设备以及对应的测试方案。3.针对Fe NWs抗氧化性差的问题,选用具有优异导电性和稳定性的Ag,通过液相还原法和层加岛生长方式制备高长径比的Fe@Ag NWs,引入静电纺丝制备的PMMA纤维基为敏感单元载体,通过喷涂法制备Fe@Ag NWs纤维基传感器。结果表明:喷涂4次2层组成的Fe@Ag NWs纤维基传感器具有最优的电学性能。该传感器最大拉伸范围为55%,灵敏系数为3.16,10%应变下的响应时间小于210ms,超过1000次的稳定性,且在该拉伸范围内具有优异的线性响应(R=0.9974)。4.选取了具有高弹性的碳系材料(碳纳米管(CNTs),还原氧化石墨烯(r GO))通过浸泡法对Fe NWs进行物理包覆,并引入海绵以形成一个刚柔耦合三维互联导电网络的应变传感器。结果表明,浸泡3次Fe NWs后再浸泡碳材料的传感器有着相对优异的导电性及C-V曲线,且CNTs具有更好的包覆效果,从而该类(CNTs@Fe PUS)传感器具有较高电导率(24.37 S/cm)。进一步对比分析了不同碳材料包覆后传感器的应变曲线。其中,CNTs@Fe PUS在110%的大应变范围内具有出色的线性响应(R=0.981)和优异的灵敏系数(GF,～7.404),在50%的应变(～1000次循环)下具有良好的重现性。除此之外,该传感器在10%应变下的响应时间仅为130 ms,这表明其具有快速响应特性。5.根据前期的微观表征及性能分析结果,结合隧穿效应、裂缝传导效应、叠层分离等传感机制理论,完成Fe@Ag NWs纤维基柔性应变传感器以及基于铁纳米线/碳材料的海绵多孔柔性应变传感器的传感机理分析。结果表明,Fe@Ag NWs纤维基传感器借助纤维的柔韧性及Fe@Ag NWs粗糙的表面,构建了稳定的错位叠层导电网络。基于铁纳米线/碳材料的海绵多孔柔性应变传感器借助于海绵、Fe NWs、碳材料三者构建的刚柔耦合导电网络,取三者之长互补,最终制备出在大应变下具有高灵敏度且线性响应的CNTs@Fe PUS传感器。将CNTs@Fe PUS传感器贴附于人体各部位,发现该传感器适用于抓取物体、关节弯曲、微表情等人体各种运动的检测。

关键词：拉伸应变传感器铁纳米线性能测试实验机理分析

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