柔性可穿戴应变传感器的制备及性能研究

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1、学校代码10459学号或申请号201612194022128密级硕士学位论文柔性可穿戴应变传感器的制备及性能研究作者姓名：王亚龙导师姓名：代坤教授学科门类：工学专业名称：材料加工工程培养院系：材料科学与工程学院完成时间：2018年4月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterPerformanceandStudyonPreparationofFlexibleandWearableStrainSensorByYalongWangSupervisor:Prof.KunDaiMaterialsProcessing

2、EngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineeringApril2018摘要摘要柔性可穿戴应变传感器可用于人体运动监测、电子皮肤和机器人等领域，近年来受到研究者的广泛关注。导电高分子复合材料（CPCs）具有优异的可拉伸性和可加工性，CPCs可将应变信号通过体系导电网络结构变化转化为电信号，因而成为柔性可穿戴应变传感器的理想材料。本文中，为了制备测试范围大、灵敏度高的柔性可穿戴应变传感器，我们以柔性高分子材料为基体，以具有优异电性能的还原氧化石墨烯（RGO）和碳纳米管（CNTs）为导电填料，通过不同方法构建了导电网络，分别制备了具有优异

3、应变敏感性能的RGO/热塑性聚氨酯（TPU）导电复合材料和聚多巴胺（PDA）/CNTs/橡皮筋（EB）柔性可拉伸导电复合材料，论文的主要研究内容和结论如下：（1）RGO/TPU应变传感器的制备及性能研究以TPU为柔性基体，以具有大比表面积和优异电性能的RGO为导电填料，通过静电纺丝和超声分散的方法制备了具有预构导电网络结构的RGO/TPU导电复合材料。微观结构形貌表明，RGO均匀地包覆在TPU静电纺丝纤维表面，RGO纳米片之间彼此搭接，在TPU纤维表面形成了良好的RGO导电通路。这些导电通路以柔性TPU三维网络为骨架相互连接，构成完善的三维导电网络。RGO/TPU导电复合材料受

4、到外界应变刺激时，导电网络的变化包括两部分，即导电填料之间距离的变化（RGO纳米片之间）与材料几何形状的变化（TPU三维网络和RGO包覆的单根导电纤维）。性能测试表明，RGO/TPU导电复合材料拥有优异的电学性能（电导率0.2S/m）和可拉伸性能（断裂伸长率670%）。可以对其进行任意拉伸、弯曲和扭转等操作。此外，RGO/TPU导电复合材料应变范围大（200%），灵敏度高（155.7），响应时间快（200ms），耐久性好（6000次循环拉伸）。RGO/TPU导电复合材料能够全面监测人体运动信号，不仅能监测大应变的人体运动信号（步行，跑步，跳跃，手臂弯曲等），还可以进行微小应变信

5、号的监测（脉搏跳动、喉咙发声、面部微表情等）。RGO/TPU导电复合材料的监测信号具有良好的稳定性和可重复性，展现出其在柔性可穿戴设备领域良好的应用前景。（2）PDA/CNTs/EB应变传感器的制备及性能研究以力学性能优异的EB为基体，以具有大长径比和优异电学性能的CNTs为I摘要导电填料，采用具有良好粘附性能的PDA为表面保护层，制备了一种同时具有大应变范围和高灵敏度的PDA/CNTs/EB导电复合材料。微观形貌分析表明，CNTs在EB表面和内部同时形成良好的导电网络，两者之间呈并联关系。包覆在CNTs/EB表面的PDA可有效防止CNTs的脱落，使复合材料的电性能更稳定。PD

6、A/CNTs/EB导电复合材料的响应机理为，拉伸过程中PDA/CNTs/EB表面出现微小缺陷导致体系导电网络结构的变化。随应变的增加，缺陷的数量和面积也随之增加，与此同时，PDA/CNTs/EB内CNTs导电网络受到更大程度的破坏，体系电阻值因此升高。拉伸过程中出现肩峰现象，这主要是由体系导电网络的破坏与重建之间的竞争导致。此外，我们发现PDA/CNTs/EB的滞后效应（HM）与肩峰的强度密切相关。当HM值超过10%时，PDA/CNTs/EB出现肩峰现象，随着HM的增加，肩峰现象愈发明显。拉伸敏感测试表明，PDA/CNTs/EB具有大的应变范围（920%），高的灵敏度（应变为7

7、80%-920%时灵敏度为129.2），快的响应速度（220ms）和高的耐久性（10000循环）。PDA/CNTs/EB导电复合材料能够监测人体肌肉和关节的运动，进行人机交互，且表现出良好的稳定性和可重复性，为设计出同时具有大应变范围和高灵敏度的柔性可穿戴应变传感器提供了新思路。关键词：导电高分子复合材料静电纺丝超声技术导电网络柔性可穿戴应变传感器灵敏度人体运动监测IIABSTRACTABSTRACTFlexibleandwearablestrainsensorshavereceivedex