可拉伸导电绷带的制备及其可穿戴传感应用研究

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可穿戴力学传感器能够对多种人体生理信号进行监测,对于监控和评价人体的健康水平和运动能力具有重要意义。由于柔性电子材料本身的限制,难以同时实现大响应范围和高灵敏度的力学信号传感,限制了其在可穿戴力学传感领域的应用。针对这一需求,研究者通过组分和结构设计来改善可穿戴力学传感器的性能,然而这通常会涉及昂贵组分和复杂制备工艺,难以通过低成本和易制造的方法研发性能优异的可穿戴力学传感器,成为其量产化制备和应用推广的关键限制因素。因此,开发具备优异性价比的可穿戴力学传感器及其制备方法是该领域的重点攻关方向。针对上述难题,本论文基于各方面性能优异且低廉的商用自粘绷带,开发了一种灵敏度和响应范围高度可调的可拉伸电阻式应变传感器,系统研究了制备参数对其各方面性能的影响,及其对压力、拉伸和弯曲的传感性能,探索了其作为可穿戴传感器监测人体健康和运动相关力学信号的可行性,为新型柔性电子材料和可穿戴力学传感器的研发和应用奠定了理论和实践基础。论文主要内容如下:(1)建立了一种基于静电喷雾法的材料制备平台,通过选择褶皱结构、可拉伸、生物相容、透气且廉价的商用自粘绷带作为柔性基底材料,力学性质较为硬脆、容易在形变时发生裂缝的碳纳米管(CNTs)为导电覆层,研发了一种结合褶皱和裂缝结构的(CNTs)/自粘绷带导电复合材料(CBs)。(2)通过力电响应测试得到了CBs的最佳制备参数,制备得到的CBs具有宽的响应范围(0-100%)、可调控的灵敏度GF(24-580)、低响应时间(120 ms)、较低的杨氏模量(84 kpa)以及在5000次循环拉伸下优异的稳定性。此外,还揭示了褶皱和裂缝微结构对其力电性能和力学传感性能的影响和机理。褶皱微结构的舒展程度会CNTs的空间分布,从而在宏观上影响材料的导电性。而裂缝微结构能够控制CNTs表面的导电路径数量,从而在微观上影响材料的导电性。因此,对能够影响褶皱和裂缝微结构的两个关键参数(预拉伸量和力学锻炼)进行了深入研究,并探究了其产生调控作用的机理,按需制备得到了灵敏度和响应范围可调的导电绷带材料。(3)基于不同参数下制备了具有不同力电响应性的CBs。大响应范围但灵敏度较低的CBs(0-100%的监测范围内GF=2.4)用于监测不同区域的关节活动;响应范围和灵敏度居中的CBs(在0-12%内GF=52,在12%-30%内GF=203);用于监测非关节区域肌肉活动引发的表皮形变;响应范围较小但灵敏度极高的CBs(HS-CBs在0-6%内GF=70,在6%-13%内GF=580)用于监测呼吸和脉搏等微小力学信号。系统的验证了CBs对人体全范围应变信号的可穿戴传感能力。
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