基于聚合物海绵的弹性导电复合材料的制备、结构及其应变传感性能研究
可穿戴应变传感器在人机界面、软体机器人和生物医学等领域具有广阔的应用前景。压阻式应变传感器基于压阻效应，能够实现对外界力学刺激的实时、快速监测，通常具有灵敏度高、响应时间快、制造简单、能耗低等优点。然而，传统的压阻式应变传感器存在重量大、回弹性差等缺点，极大限制了其在便携式和可穿戴应变传感器等领域中的应用。此外，压阻式应变传感器在日常穿戴使用过程中，需要满足在高温燃烧、焊接、锻造等极端高温环境中稳定工作。因此，发展耐受极端恶劣高温环境的压阻式应变传感材料，具有非常重要的研究和应用前景。 导电多孔海绵材料，将高弹性聚合物海绵与导电纳米颗粒相结合，从而使得其具有高导电性、高力学弹性等特性，具有制备工艺简单、成本低廉、压缩回弹性好等优点，被认为是传统压阻式应变传感材料的理想可替代材料。导电多孔海绵材料依赖导电网络的可逆重建，从而实现对外界压力的快速、实时感知。然而，导电纳米颗粒本身易于团聚，极大地限制了海绵导电网络在形变前后的稳定性，不可避免降低了导电多孔海绵材料的力学弹性、耐久性和使用寿命。因此，发展具有高弹性、高阻燃性和高灵敏度的导电多孔海绵材料具有重要的应用前景。本论文以三聚氰胺海绵作为三维弹性基底，分别通过海绵约束网络组装策略和双向冷冻策略制备了三聚氰胺海绵/蒙脱土/石墨烯复合材料(MS-(MMT/G)n)和三聚氰胺海绵/蒙脱土/银纳米线复合材料(MS-MMT-AgNW)，组装了柔性应变传感器件并系统研究了其应变传感性能。主要研究内容如下： (1)发展具有高弹性、宽应变范围和优异耐久性的可穿戴压阻式应变传感器，并可在恶劣的高温环境下可稳定工作，是迫切需要解决但又具有挑战性的课题。本章通过基于静电相互作用的海绵约束网络组装方法，在三聚氰胺海绵骨架表面交替沉积高导电性石墨烯纳米片和高阻燃性蒙脱土纳米片，获得了轻质、超弹、抗疲劳的海绵导体(MS-(MMT/G)n)。所制备的海绵导体继承了超弹性聚合物海绵、高导电石墨烯和阻燃蒙脱土等组分的优异性能，表现出高压缩性(可逆应变范围可达80%)、优异的抗疲劳性能(在压缩应变为70%时，经10000次压缩循环后其塑性变形lt;16%)和高耐形变的电导率(10000次压缩循环后，电导率保持率gt;95%)。作为压阻式应变传感材料时，海绵导体在60-80%的应变范围内灵敏度高达2.3，在60%应变下经10000次压缩循环后仍具有良好的耐久性。此外，该压阻式应变传感材料具有高的热稳定性和阻燃性，在超过250℃环境温度下放置7天以上仍可实现稳定的压阻信号输出，并可在燃烧状态下保持稳定的信号检测至少20s。本章中发展的海绵约束网络组装方法为构建轻质、超弹、阻燃的海绵导体，并实现其在恶劣的高温环境下应变信号监测等显示出了巨大的潜力。 (2)压阻式应变传感器能够模拟人体皮肤实现对力学刺激的实时、快速监测，但是弹性导电复合材料的电阻响应通常依赖导电网络的可逆重建，取决于弹性基体在应变条件下的可逆形变，因此，弹性基体材料的机械强度和结构稳定性决定了应变传感材料的传感响应性能和耐疲劳特性等。通过双向冷冻方法实现了在三聚氰胺泡沫骨架内构建了取向结构的蒙脱土/银纳米线复合片层。蒙脱土/银纳米线复合片层结构使得导电海绵复合材料在垂直于蒙脱土/银纳米线复合片层方向上具有优异的压缩回弹性能。所制备的MS-MMT-AgNW海绵导体具有高压缩弹性、高导电性、优异耐疲劳性等，在压缩应变为60%时，经过10000次压缩循环后其塑性变形量仅为4.9%，弹性模量保持率高达81.8%。作为概念性证明，基于MS-MMT-AgNW海绵导体的压阻式应变传感器在0-4%的小应变范围内显示出11.7的高灵敏度，10000次加载循环后仍具有稳定的电阻响应。此外，MS-MMT-AgNW压阻式应变传感器在80%应变范围内均具有稳定的压阻响应，同时具有优异的可穿戴传感性能，可实现对手腕、膝盖等大应变范围人体运动的实时监测。本章研究内容解决了海绵导体低应变下灵敏度低和长循环使用时塑性形变量大等难题，为构建具有高灵敏度、宽检测范围和高抗疲劳性能的轻质、超弹和功能定制的海绵导体提供了新思路。
传感器;弹性导电复合材料;聚合物海绵;制备工艺;应变传感性能
东华大学
硕士
材料物理与化学
张超
2021
中文
TP212;TP204
2021-11-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）