柔性碳基织物应变/磁双模式传感器的制备及其接触/非接触感应

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近年来,随着柔性电子、人工智能、多功能器件集成等技术的不断进步,柔性应变传感器发展迅速,在人机交互、运动检测和智能机器人等领域展现出巨大的应用价值与市场前景。目前,针对柔性应变传感器已开展了大量研究工作,并制备了一系列结构和性能优异的传感器。但依旧存在灵敏度与应变范围之间难以平衡的问题,且单一模式的传感器已经不能满足人们的需求的难题。本论文首先利用轻薄双绉丝绸布的织物结构,通过调控碳化工艺,热处理得到了高导电性的碳化蚕丝织物(Carbonized silk fabric,CSF);以CSF作为导电敏感材料、以合成的Fe3O4纳米颗粒作为磁传感材料,与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合成三明治结构,成功制备了一种柔性应变/磁双模式传感器;此外,通过对柔性传感器的性能测试,进一步分析了其传感机制;最后,模拟了该传感器的一些复杂应用场景,证实了传感器对应变、磁场具有接触和非接触感应;该传感器同时还具备焦耳加热和电磁屏蔽等功能。主要研究内容及结论如下:(1)研究了不同碳化工艺对丝绸结构性能的影响;利用拉曼光谱技术研究了不同碳化时间、升温速率、碳化温度等碳化工艺条件下丝绸织物的结构差异,发现在碳化温度为1100℃、升温速率为5℃/min、碳化时间为60 min的碳化工艺下,CSF的拉曼D峰与G峰的面积比为1.63,表明其石墨化程度更高,CSF的电阻为77Ω。也通过XRD、元素分析进一步分析了该碳化条件下织物的结构变化,发现其结晶结构更加完整,C元素含量由44.92%提高到81%。研究结果表明蚕丝织物经过碳化后,CSF具有了优异的导电性,可以作为应变传感器中的传感材料。(2)探讨了织物基应变传感器的传感性能及机理;将CSF与PDMS复合,成功制备性能优异的CSF/PDMS应变传感器。该传感器具有很好的柔韧性,最大应变范围达到60%,应变灵敏度(GF)达到12.7,响应时间仅有70 ms,分别在20%、40%和60%形变量下仍有良好的循环稳定性。通过超景深显微镜观察CSF/PDMS应变传感器在不同形变量下织物结构的变化,发现织物存在明显的纤维断裂。其传感机理主要依靠CSF在拉伸过程中的裂纹扩展效应,拉伸过程中形成不可逆的裂纹破坏了导电路径,导电路径随裂纹的增加而减少,间隙之间的岛结构又保证了大的应变范围。(3)应变/磁传感器的双模式传感及性能研究;通过水热法成功制备了饱和磁化强度为55.54 emu/g的Fe3O4纳米颗粒。将不同质量分数的Fe3O4纳米颗粒与CSF和PDMS弹性体复合,制备了一种CSF/Fe3O4/PDMS柔性应变/磁双模式传感器。该传感器的应变范围为0-60%,表现出可拉伸性,GF最高为9.49。Fe3O4的添加赋予了传感器对30 m T以上磁场的响应;当Fe3O4的添加量为25 wt%时,其磁场灵敏度(GFm)可达39.73%/T。证实了应变/磁传感器对应变和磁场具有优异的响应性,能够实现接触和非接触感应。(4)双模式传感的应用及多功能性初探;将CSF/Fe3O4/PDMS应变/磁传感器不仅应用于手指、手臂等大形变的运动监测中,还可以应用于脉搏、呼吸等微弱形变的监测中;并设计了一个智能口罩用于监测咳嗽程度。由于传感器对磁场的响应,还将其应用于非接触式的磁响应开关;将9个传感器单元构建了柔性感应阵列,可以同时响应压力和磁场。研究还发现利用CSF低电阻的性能,该传感器具有焦耳发热的功能;同时利用CSF与Fe3O4的协同作用,该传感器对X波段的电磁屏蔽效能达到23.5 d B,具有良好的电磁屏蔽效应。本论文研制的CSF/Fe3O4/PDMS应变/磁传感器具有多功能性。本论文成功地利用碳化蚕丝制备出了对应变和磁场均有产生响应的多功能化的柔性双模式传感器,多功能性将拓展碳基柔性应变传感器的应用范围。
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