【摘 要】
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近些年来,灵敏度高、响应应变大、循环稳定性好的应变传感器被广泛研究,可用在电子皮肤、人体运动检测、机器人、智能穿戴等领域。然而金属、半导体基的应变计只能在小于5%的应变范围内使用,一些研究发现将导电材料和弹性优异的聚合物材料结合起来制成纳米导电复合材料,能够有效地提升应变传感材料的弹性工作范围,可以满足大应变的应用要求。构成的导电网络和导电物质与基体材料之间的界面作用对器件的灵敏度有显著的影响,但
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近些年来,灵敏度高、响应应变大、循环稳定性好的应变传感器被广泛研究,可用在电子皮肤、人体运动检测、机器人、智能穿戴等领域。然而金属、半导体基的应变计只能在小于5%的应变范围内使用,一些研究发现将导电材料和弹性优异的聚合物材料结合起来制成纳米导电复合材料,能够有效地提升应变传感材料的弹性工作范围,可以满足大应变的应用要求。构成的导电网络和导电物质与基体材料之间的界面作用对器件的灵敏度有显著的影响,但同时实现传感器的高伸缩性和高灵敏度仍然是个挑战,选择合适的聚合物与导电物质制成传感材料、设计微观结构、改良制备工艺等是目前的提高传感器性能的主要研究方向。本实验通过合成碳纳米管（CNT）和苯乙烯-丁二烯共聚物（SBS）作为导电复合材料制备了灵敏度和拉伸性能优异的应变传感器;研究了以聚醚酰胺嵌段共聚物（Pebax）作为基体材料和多种导电材料复合制备的应变传感材料的综合性能,并分析了导电物质、制备工艺、器件结构对于应变传感器的性能影响。本文的主要工作如下:1.采用溶剂共混法把浇铸的SBS-CNT/SBS-SBS（SCS）膜与CNT/SBS共混膜制成应变传感器。使用多种检测手段对复合材料的结构和形貌进行了表征,证明成功制备了SCS和CNT/SBS复合材料。CNT显著提高复合材料的导电性,经测试计算得出共混体系的渗流阈值为0.35 wt.%,实验结果表明三明治结构的应变范围（167%）比共混结构（120%）更大,同在120%的应变下三明治结构的灵敏度因子（GF）为3003,而共混结构的GF=2099,以上结果都证明三明治结构的应变传感器性能更加优秀。不同CNT浓度的应变传感材料的性能表现出明显差异,应变、拉伸速率等测试条件对器件性能有着不同程度的影响。此外,传感器具备良好的重现性和稳定性,能够实时检测手指、手腕、膝盖等关节的运动,表现了极强的应用潜力。2.使用Pebax作为基体,添加CB为导电物质,经过溶液共混、螺杆挤出、注塑成型得到CB/Pebax应变传感材料。研究发现利用CB作为填充物所制备的复合材料渗流阈值很高（26.97 wt.%）,需添加大量的CB才能形成稳定的导电网络。使用同样的方法分别制备了CNT、聚苯胺（PANI）为导电物质的应变传感器,实验结果表明填充碳材料的器件性能更优越,一维结构的填料能有效降低填充量,导电材料对传感器性能起决定性作用。为研究制备方法和器件结构对性能的影响,通过原位聚合生长法制备PANI/Peabx,Pebax/PANI/Peabx传感材料,构建的三明治结构明显改善了器件的稳定性;采用喷涂法和溶液共混法分别构建了Pebax/碳纤维（CF）/Pebax三明治结构应变传感器,对比发现喷涂法制备的器件灵敏度更高但稳定性稍差,共混法制造的器件灵敏度较低但稳定性极好。以上结果表明,应变传感器的材料、结构和制备方式对其性能都有显著影响,在未来的研究中可以通过改变材料、设计结构和探索制备方法来达到提高传感性能的目的。
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