MXene柔性薄膜表面微结构构筑及传感机理研究
随着智能时代的到来，人们对柔性和软体电子设备的需求日益增长。通过适合的材料选择和精妙的结构设计制备传感性能优秀，机械性能满足需求的智能传感器一直以来都是人们关注的焦点。对此，本文首先采用湿化学法得到MXene(Zi3C2Tx)这一导电性能优异，表面活性基团丰富的新兴二维材料，而后采用制备过程简单，成本低廉的基底收缩法设计并制备两种不同微结构的MXene柔性薄膜压力式传感器，探究纯质MXene应用柔性传感器时，材料本身的性能及片层结构对于传感性能的影响。并探索敏感元件表面不同的微结构设计对传感性能带来的增益效果并进一步分析所制备传感器的传感机理。根据传感器的传感特性进行应用前景的预测。具体研究内容如下:(1)采用湿化学法制备MXene分散液，所得到MXene刻蚀程度较完全，并未检测出来自其母体(Ti3AlC2)的Al元素的存在。单个片层尺寸可达到微米级别。采用真空抽滤法沉积得到的MXene自支撑膜具有一定的柔韧性，其断面呈现为片层交互堆叠的结构。探究MXene制备过程中分层过程中的片层变化发现通过结合不同的分层方法可以调控产物的片层尺寸及产率。据此，可通过调整参数得到适合目标需求的MXene产物。 (2)基于前期得到的MXene分散液，采用单轴预拉伸基底后收缩的方法设计并制备了具有连续褶皱结构的MXene柔性薄膜，后将其应用于柔性传感器中。经过测试，发现组装的传感器在轻微的压力下可以显示出极高的灵敏度(593.25kPa-1)，传感范围为0.49Pa-29.4kPa。并且在连续压力作用下，传感器可以输出相对稳定的电信号，展现出一定的循环稳定性。传感器最低可以测出一粒小米(2.4mg)的压力。在小应力下响应及恢复时间为40/53ms。针对传感器的灵敏度特性曲线以及力学原理，进一步探讨并提出了连续褶皱结构MXene柔性薄膜压力传感器的传感机理，建立简易力学模型进行分析讨论，对传感机理进行了展示。进一步结合传感特性，实现了传感器对微小物体的精确识别及质量测试，并探究了该传感器用于人体生理信号测试的可能性。 (3)采用预拉伸后应力收缩结合温度收缩的双模式收缩方法设计并制备了具有扭结结构的MXene膜柔性压力传感器。在连续应力作用下，该压力传感器可以输出相比于褶皱结构的MXene压力传感器更加稳定的电信号，并且具有更加优秀的循环稳定性。根据三种不同拉伸比下得到柔性薄膜的传感特性测试对比，100％拉伸比的柔性薄膜组装得到的传感器综合性能最优。该传感器在微小应变下的灵敏度为64.56kPa-1，传感范围为4.9Pa-98kPa，传感器也可识别出精细物体并输出稳定的电信号。在小应力下响应及恢复时间为59/15ms。针对该传感器具有更加稳定的循环电信号（18000次循环），对比探讨不同的薄膜表面微结构设计对于传感器传感特性的影响。结合前章关于褶皱MXene薄膜传感器传感机理的分析，并根据输出的灵敏度特性曲线，通过搭建模型对扭结MXene薄膜传感器的传感机理加以说明。进一步结合传感器传感特性实现人类面部微表情的识别，探究该传感器用于人机交互，机器人领域的可能性。
压力传感器;柔性薄膜;微结构设计;基底收缩法;传感性能
北京化工大学
硕士
材料工程
潘凯;袁灿耀
2021
中文
TP212
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）