【摘 要】
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近年来,柔性应变传感器因柔韧性和延展性,在健康医疗、机器人以及人机交互等领域具有极高的潜在应用价值。其中电阻式柔性应变传感器更因结构简单、制作方便和性能优异成为当下的研究热点之一,并且在传感器的材料特性、制备方法及性能方面得到了广泛的研究。但仍存在许多技术问题:譬如如何解决传感器灵敏度与测量量程、线性度之间的矛盾,如何提高制备方法的适用性以满足多种应用场景需求,是当下的研究重点与难点。本论文提出了
【基金项目】
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国家重点研发计划课题（项目编号:2020YFB2008502）; 江苏省自然基金项目（项目编号:BK20201268）
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近年来,柔性应变传感器因柔韧性和延展性,在健康医疗、机器人以及人机交互等领域具有极高的潜在应用价值。其中电阻式柔性应变传感器更因结构简单、制作方便和性能优异成为当下的研究热点之一,并且在传感器的材料特性、制备方法及性能方面得到了广泛的研究。但仍存在许多技术问题:譬如如何解决传感器灵敏度与测量量程、线性度之间的矛盾,如何提高制备方法的适用性以满足多种应用场景需求,是当下的研究重点与难点。本论文提出了具有多孔结构的柔性应变传感器,以聚氨酯（PU）海绵为多孔微骨架结构,碳纳米管（CNT）和碳化钛纳米片（MXene）为导电复合材料,在PU海绵多孔骨架上沉积导电复合材料,完成敏感结构层的制备,并用导电胶带与聚酰亚胺（PI）膜完成电极引出组装,最后用硅橡胶（Ecoflex）对传感器完成封装,实现传感器的制备。为提高人体穿戴的便捷性与舒适度,可以根据需要对制备的样品进行任意尺寸裁剪以方便共形贴附,具体制备出具有多孔结构的柔性拉伸应变传感器和柔性压缩应变传感器,满足拉伸、压缩两类场景的应用,有效扩展了传感器的应用范围,同时传感器在综合性能方面表现优异。具体研究内容如下:（1）对CNT/MXene-PU-Ecoflex柔性应变传感器进行微观形貌表征,发现海绵骨架具有稳定的多孔微骨架结构且孔径大小分布均匀,海绵骨架被导电敏感材料完全裹覆,并随着CNT比例的增大,导电通路由局部断路逐渐变为稳定的导电回路。（2）对拉伸、压缩应变传感器分别进行多种性能测试,分析不同质量比的CNT/MXene对传感器性能的影响规律,得到最佳配比方案。综合灵敏度、测量范围、稳定性等关键性能指标,柔性拉伸应变传感器在CNT和MXene质量比为5:1时具有较高综合性能（0～24%应变内GF值为0.56,线性度为0.98和24～60%应变内GF值为1.19,线性度为0.99）;柔性压缩应变传感器在CNT和MXene的质量比为10:1时具有较高综合性能（0～3%应变内GF值为2.29,线性度为0.99;3%～17%应变内GF值为-3.34,线性度为0.99;17%～65%应变内GF值为-0.47,线性度为0.98;65%～80%应变内GF值为-1.53,线性度为0.99）。除此之外,两类传感器都表现出良好的伏安特性,在10～200mm/min的变速测试与5000次重复性实验中表现出稳定的输出特性。（3）结合CNT/MXene-PU-Ecoflex柔性拉伸应变传感器的特点以及性能,进行拉伸相关的人体运动应用监测。具体应用有小应变人体运动监测和大应变人体运动监测,传感器可以灵敏地监测出各类小应变和大应变运动,具有应用在人体运动监测的前景。（4）结合CNT/MXene-PU-Ecoflex柔性压缩应变传感器的特点以及性能,进行压缩相关的人体运动应用监测。传感器可以灵敏地监测出相关小应变和大应变运动,具有应用在人体运动监测的前景。除外,本论文还结合压缩类传感器的特点实现对LED灯的亮度及颜色变化的调控。综上所述,本论文提出并制备了一种基于PU海绵为多孔微骨架结构,以CNT和MXene为导电复合材料的电阻式柔性传感器,可以实现拉伸与压缩的功能感知。通过微观形貌表征、性能测试和应用测试可以验证传感器在灵敏度、线性度、稳定性等方面表现优异,并可以有效实现对人体运动的监测,充分展现了在健康监测、远程医疗诊断以及人机交互等领域的应用前景。
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