碳化气凝胶柔性传感器及智能柔性人台开发与应用

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柔性压力传感器是实现智能设备发展的关键要素,在健康监测、运动监控、电子皮肤等领域都发挥着巨大的功能。然而,对于制备具有超压缩特性、高灵敏度、宽检测限和低滞后的柔性压力传感器仍然是一个很大的挑战。探索开发灵敏度高、响应范围广、可应用于智能设备的柔性力学传感材料是至关重要的。本文使用天然生物基巴尔杉木为基材,采用生物质直接碳化技术,制备了聚氨酯/碳化木基气凝胶(TPU/CWBA)柔性压力传感器。本文利用TPU浸泡处理的方法,解决了碳化材料的脆性问题,提高了CWBA的压缩性和回弹性。利用天然木块的分级多孔结构,碳化处理形成三维拱形分层结构。通过Micro-XCT的三维扫描成像技术对其进行扫描及定量分析,TPU/CWBA复合材料在自然状态下孔隙率达到55.73%,其中连通孔隙占55.70%,表明其孔隙是广泛互联的,有利于TPU的渗透,可提高其力学性能。其在压缩50%状态下孔隙率为41.74%,孔径长径比值<1的占98.49%,表明材料孔隙具有良好的各向异性,实现了TPU/CWBA传感器的超压缩特性(压缩应变达87.8%),并有效地将传感器灵敏度提高至61.02 kPa-1和检测范围扩大至60 kPa。且传感器具有4.87%的低迟滞率和很高的稳定性(10 000次压缩循环)。该柔性压力传感器可应用于人体生理监测和运动监测。本文将TPU/CWBA传感器进一步应用于智能设备中,开发了基于柔性压力传感器的智能柔性人台,并采用压电传感器进行对比测试。利用智能柔性人台自身配置的传感器,能够直接获得不同风速下人体不同部位的压力数据,极大降低了现有服装风洞减阻测试的难度。其中,大腿正面所受压力大于其他部位,在16m/s风速下,大腿正面、外侧、内侧和后面所受压力分别为1.25N,0.55N,0.51N,0.48N。并且,迎风正面所受压力随着风速的增加而增大,在风速为20m/s时,大腿正面所受压力达到最大,为1.68N,约比大腿后面所受压力高71.25%。该智能柔性人台能够模拟运动姿态下人体肌肤的力学性能,可用于研究服装与装备系统的风洞空气阻力测试以及服装生产,为研究体育竞速类服装减阻结构设计与评价体系提供技术支持和参考依据。
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