基于分级多孔结构柔性压阻传感层的制备与应用

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柔性力敏传感器由于在人体生理信号监测,机器人与电子皮肤等近年来的热门领域等方面的潜在应用引起了广泛关注。它柔软舒适易贴合皮肤,可以将外力刺激转化为电信号或者其他信号输出,能够更加准确的检测外力的大小。本文对其研究进展进行综述,并针对多孔结构敏感材料的柔性力敏传感器这一研究领域进行分类,详细研究了其特点、制备方法及应用领域,并总结出构造具有参数差异的分级多孔是其发展的主要方向。针对目前绝大多数柔性力敏传感器无法同时具备高灵敏度和宽检测范围,同时佩戴在皮肤表面存在透气透湿性较差的问题,本课题提出一种具有分级多孔结构的柔性力敏层及其传感器。该传感器同时具备较高灵敏度、较宽检测范围和较好透气透湿性能。本课题采用便捷的非溶剂致相分离法(NIPS)来制备分级多孔结构的柔性传感层,以去离子水为非溶剂,将不同质量分数聚氨酯溶液(10%,12%,14%,16%)分层置入非溶剂中构造具有分级程度分别为0,2,4,6的分级多孔聚氨酯膜10%PU,10%12%PU,10%14%PU,10%16%PU。再将一维的碳纳米管(CNT)和二维的MXene采用超声的方式分散在分级多孔膜上,构造了具有多维导电路径的分级程度分别为0,2,4,6的复合多孔膜10%PU@MXene+CNT,10%12%PU@MXene+CNT,10%14%PU@MXene+CNT,10%16%PU@MXene+CNT。然后与丝网印刷的单面电极一起封装成柔性压阻传感器。研究了不同分级程度的多孔膜的结构及其对多孔膜透气透湿性、力学、电学和压阻性能的影响。实验表明,不同质量分数的溶液发生相分离后形成的多孔结构具有不同的形态,随着质量分数的增大,孔径、孔体积及孔隙率逐渐减小,表面积逐渐增加,构造的分级程度越大的多孔膜上下层结构区别越显著。分级多孔程度最高的10%16%PU@MXene+CNT柔性传感器在0.7到20 k Pa的宽检测范围内的灵敏度表现优良,均高于其他分级程度多孔膜,具有大于8000次循环的高稳定性。同时10%16%PU@MXene+CNT的透气率和透湿率分别为0.9922 L/m~2/s和1123.6 gm-2d-1,分别为无孔膜的1.35和4.40倍。综上,构造的分级多孔结构柔性压阻传感器同时具备较高灵敏度和较宽检测范围,且透气透湿性较好。此外,使用制备的传感器对人体运动和生理信号进行检测,验证其实用性。
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