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面向压力传感和热声执行的新型碳基柔性器件及功能集成研究

面向压力传感和热声执行的新型碳基柔性器件及功能集成研究

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作者：王冠亚重庆大学

学位级别：硕士

在物联网技术的推动下,可穿戴设备受到广泛青睐并成为学术界和产业界的研究热点。伴随着可穿戴设备的蓬勃发展,柔性电子技术应运而生。自富勒烯、碳纳米管、石墨烯相继问世以来,碳基材料的众多优良属性引起了研究人员的普遍关注,也为柔... 详细信息

在物联网技术的推动下,可穿戴设备受到广泛青睐并成为学术界和产业界的研究热点。伴随着可穿戴设备的蓬勃发展,柔性电子技术应运而生。自富勒烯、碳纳米管、石墨烯相继问世以来,碳基材料的众多优良属性引起了研究人员的普遍关注,也为柔性器件的发展带来了新的机遇。本论文以碳基材料为核心,围绕其压阻效应、焦耳效应、热声效应,从压力传感器、热声执行器和多功能集成化器件三个方面开展了创新性研究,获得了一系列新型碳基柔性器件,并且探索了这些器件在可穿戴领域的应用价值。在压力传感器方面,提出了基于还原氧化石墨烯的夹层式多尺度结构压力传感器。采用高温还原作为基本方法,制备出珍珠纹棉柔巾与还原氧化石墨烯复合的互联导电网络。根据独特的纹理特征建立了图案面相向形成的互锁结构,得到了高性能压阻传感层。进一步利用多孔石墨烯和聚苯乙烯微球作为调控手段,增强了压力传感器的性能。多尺度的结构设计使得传感器既能检测到微弱的生理信号,又能探测到大幅度的动作信号。在热声执行器方面,提出了基于热解丝绸碳质织物的单模双用加热发声器。采用高温热解作为基本方法,制备出兼顾力学和电学特性且保有原始编织结构的碳化重绉丝绸织物。通过测试碳化导电网络在恒定电压下的温度输出和时变电压下的声音输出,验证了其良好的电热和热声性能。进一步利用纺织物的属性,发挥出高度灵活优势,执行器不仅可以在各种程度形变下保持稳定的表面温度分布,还可以在衣物上传播出高辨识度的声音信息。在多功能集成化器件方面,提出了基于激光诱导石墨烯的压力传感-热温执行器和压力传感-声音执行器。采用激光直写作为基本方法,在一种芳香族聚酰胺绝缘纸上制备出具有高导电性能的图案化石墨烯。通过将两片激光加工过的基底进行面对面组装,实现了压力传感模块与热温执行模块的集成,由此可以将力学行为指令作为切换温度输出状态的触发信号。为获得属性更加多样的石墨烯,进一步提出了两步激光书写制备法,同时研究了激光参数对石墨烯导电性能和品质的影响。利用三种激光功率获得的具有不同侧间导电特性的双面激光诱导石墨烯作为不同的模块层,通过依序堆叠组装,实现了压力传感模块与声音执行模块的集成,由此可以将力学信号和声学信号分别作为输入动作指令和输出信息反馈完成人机交互。本论文的研究成果充分展现了碳基材料在新型柔性器件领域的应用潜力,也为新型多功能集成方案的开发提供了新的思路。

关键词：碳基材料柔性器件压力传感器热声执行器多功能集成

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