基于静电纺丝技术的纤维基柔性压力传感器多层级微结构的构筑及性能研究
随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，高性能柔性压力传感器受到了国内外研究学者们的广泛关注。一直以来，柔性压力传感器敏感层微结构的构建被认为是提高压力传感器综合性能最直接和高效的策略。然而，目前大多数微结构的构筑主要是基于实心的聚合物膜或块材，限制了压力传感器灵敏度与压力范围的提高。目前大多数微结构的构筑主要是基于一些高成本、高耗时、复杂工序的技术手段，比如磁控溅射、微模板转印、牺牲模板法等，这极大地限制了柔性压力传感器的商业化应用。针对上述问题，本研究以TPU为原料，利用模板化静电纺丝技术，通过改变接收器的形态结构实现TPU微结构的有效调控，制得了具有表面微凸起和内部三维网络结构的TPU纤维膜；通过在TPU纤维表面沉积CNTs的方式赋予其导电性能，将其作为敏感层集成制得柔性压力传感器；得益于多层级微结构之间的协同作用，制得的柔性压力传感器表现出优异的传感性能。主要研究内容与结果如下： （1）基于静电纺丝纤维的多层级微结构柔性压力传感器的制备。以不同目数的丝网作为接收器调控静电场中电场力的分布，进而影响TPU纤维的分布状态，最终制备得到一种具有表面微凸起的TPU纤维膜；以不同浓度的CNTs分散液超声浸渍TPU纤维膜，调控CNTs在TPU纤维表面的负载量，获得具有不同电导率的TPU薄膜；最终通过面对面组装的方式，集成了KMFS-TPU/CNTs柔性压力传感器。 （2）基于静电纺丝纤维的多层级微结构柔性压力传感器的性能表征。以灵敏度和工作范围为评价指标，分别探究了丝网目数及CNTs浓度对其性能的影响；当丝网目数为100目，CNTs分散液浓度为0.2mg/mL，制备的柔性压力传感器的灵敏度可达63.93kPa-1，工作范围可到160kPa，最低检测限为0.7Pa，响应时间大约为40ms以及大于10000次的耐疲劳稳定性。 （3）基于静电纺丝纤维的多层级微结构柔性压力传感器的应用。通过对人体微弱信号及运动信号的实时监测，验证了KMFS-TPU/CNTs柔性压力传感器的监测性能；通过3×3传感阵列的集成，验证了KMFS-TPU/CNTs柔性压力传感器的空间感知能力，表明KMFS-TPU/CNTs柔性压力传感器在未来有应用于大面积电子皮肤制备和人机交互关键设备的潜力。 （4）基于静电纺丝纤维的多层级微结构柔性压力传感器的响应机理分析。结合等效电路图与有限元建模分析，揭示了多级微结构柔性压力传感器的响应机制，同样也验证了纤维状多级微结构对于压力传感器性能提升的有效性，为纤维状材料体系的电力性能预测提供了系统的分析框架。
柔性压力传感器;微结构;纤维基薄膜;灵敏度;有限元分析
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
程博闻;童树华
2022
中文
TP212
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）