【摘 要】
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柔性传感器是智能可穿戴电子设备和物联网（Io T）的重要组成部分,特别是柔性压阻传感器,因具有响应时间快、成本低和耐用性高等优点,已成为当前传感器领域的研究热点之一。但目前,柔性传感器在压力检测范围宽、灵敏度高、稳定性好和制备简单等方面,相互制约,各种性能均优难以同时获得。柔性压阻传感器的性能可通过优化敏感元件的结构和选取合适的导电感应材料两方面来提高。为此,本文选择二维材料MXene（Ti3C2
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柔性传感器是智能可穿戴电子设备和物联网（Io T）的重要组成部分,特别是柔性压阻传感器,因具有响应时间快、成本低和耐用性高等优点,已成为当前传感器领域的研究热点之一。但目前,柔性传感器在压力检测范围宽、灵敏度高、稳定性好和制备简单等方面,相互制约,各种性能均优难以同时获得。柔性压阻传感器的性能可通过优化敏感元件的结构和选取合适的导电感应材料两方面来提高。为此,本文选择二维材料MXene（Ti3C2Tx）为新型的导电感应材料,以生活中随处可见的砂布状聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜及清洁海绵为衬底,通过Ti3C2Tx的碱化处理及与多壁碳纳米管（MWCNT）的复合,采用层层组装技术（LBL）制备了3D褶皱状Alk-Ti3C2/PDMS及MWCNT/Ti3C2Tx海绵两类柔性压阻传感器,重点研究了PDMS基底的粗糙度、Ti3C2Tx的碱化程度及MWCNT/MXene重量比对相应的传感器的性能的影响,并将研制的两类传感器尝试应用于监测人体的活动（手腕脉搏、指尖关节弯曲、声带振动）及监测水的重量。主要工作及研究结果如下:（1）采用层层组装（LBL）技术将Na OH碱化的3D褶皱状的Alk-Ti3C2作为导电感应材料,包裹在以粗糙的砂布为模板制备的表面具有砂粒状的微结构PDMS薄膜上,制备了凹凸不平的Alk-Ti3C2/PDMS导电薄膜。（2）研究了砂布的粗糙度对压阻传感器性能的影响。依次选取24、36、46、60和120目的砂布为模板,制备不同粗糙度的PDMS薄膜。发现:随着目数的增加,PDMS薄膜越粗糙,其中,46目砂布因其具有合适的结构,所制备的粗糙基底具有最优异的传感性能。（3）研究了Na OH的碱化浓度对压阻传感器性能的影响。分别采用0、1、3、5和7 M的浓度对Ti3C2Tx进行碱化处理,得到不同褶皱程度的Alk-Ti3C2/PDMS。发现:随着浓度的增加（0-5 M）,Alk-Ti3C2的褶皱程度越明显,但是浓度达到7M时,褶皱程度反而下降。其中,5 M Na OH碱化处理的Alk-Ti3C2具有最明显的褶皱现象,而且增加了Alk-Ti3C2表面-OH和-O官能团,有利于导电材料与柔性基底的结合,提高了传感器的灵敏度。（4）研究了5 M Na OH碱化的Alk-Ti3C2与46#PDMS所制备的相应的压阻传感器（5NMP传感器）的性能。发现:在具有超宽的工作范围（>800 k Pa）的同时,还提高了传感器的灵敏度至1104.38 k Pa-1（1-200 k Pa）。而且5NMP传感器还具有快的相应时间（100 ms）,低的检测极限（～17 Pa）,在300 k Pa大的压强下,循环3000次,说明该传感器具有出色的稳定性。并该传感器已经用于检测脉搏,喉咙振动和重量监测等。（5）采用简单的LBL法将MWCNT/Ti3C2Tx混合物复合在清洁海绵上,制备了导电的MWCNT/Ti3C2Tx海绵。具有高弹性和亲水性的清洁海绵作为柔性基底,将一维MWCNT和二维Ti3C2Tx混合作为导电材料包裹在海绵骨架上,形成独特的3D网络结构的导电海绵。（6）研究了MWCNT/Ti3C2Tx的混合物的不同重量比（0:1,1:2,1:1,2:1,1:0）对柔性压阻传感器的性能影响。发现:MWCNT/Ti3C2Tx的重量比为1:2时,更利于均显负电性的MWCNT/Ti3C2Tx的分散,更利于导电材料与柔性基底的结合。（7）研究了重量比为1:2的MWCNT/Ti3C2Tx海绵制备的压阻传感器（1CNT@2MX传感器）的性能。发现:该传感器具有宽的工作范围（0-35 k Pa）和高的灵敏度(0.086 k Pa-1),快的响应时间（80 ms）和出色的稳定性（5000次）。并且,已经将该传感器用于监测人体活动（关节弯曲）等。本文通过简单的LBL法研制了基于MXene的两类不同结构类型的柔性压阻传感器,并且分别研究了它们的基底材料和导电材料对压阻传感器的性能影响以及将传感器应用到实际生活中。这些研究结果拓宽MXene在传感器领域的应用,对制备高性能的可穿戴电子器件具有重要的参考意义。
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