基于纤维素碳凝胶的柔性压阻复合材料应变传感器

发布时间：2020-11-20 01:17

　　 在可穿戴电子器件快速发展的大背景下,柔性应变传感器在健康监测、生物医疗、运动管理和电子皮肤等领域有着广泛的应用。基于金属或半导体的传统应变传感器存在柔韧性差、应变范围低等问题;近年来人们通过利用导电纳米材料如碳纳米管、石墨烯、金银纳米线等,与柔性高分子基体复合制备了系列柔性压阻复合材料传感器,有力地促进了柔性应变传感器的发展,但这些纳米材料存在制备困难、成本高等问题,限制了其广泛应用。生物质纤维素作为自然界中分布最广、含量最多的生物质材料,具有原料便宜、容易获取、可持续和环境友好等特点;相关研究表明基于生物质的纤维素气凝胶高温处理后可获得具有三维导电网络结构的碳凝胶,可用于制备柔性压阻复合材料传感器。因此开发基于生物质纤维素的柔性应变传感器,具有成本低、环保等特点,发展前景良好。本论文分别以废纸和竹子为纤维素原料,经过简单的水热反应、冷冻干燥和高温碳化过程,制备出了具有三维网络结构的纤维素碳凝胶,将纤维素碳凝胶与硅橡胶复合,获得了具有压阻效应的柔性复合材料,并成功应用于柔性应变传感器,探索了其作为可穿戴设备在人体运动、健康信号监测及热理疗等方面的应用。具体研究内容与结果如下:1.利用生活废纸为原料,经过制浆、冷冻干燥和热解处理得到了具有良好导电性的纸纤维素碳凝胶,与硅橡胶复合,成功制备出了具有压阻特性的柔性纸纤维碳凝胶/硅橡胶复合材料。纸碳凝胶/硅橡胶复合材料的电阻对应变的响应灵敏,具有速度快、可重复的特点,对0-20%内的应变响应稳定、可靠,且有效工作频率宽达0.01Hz-10Hz。纸碳凝胶/硅橡胶复合材料的抗疲劳性能优越,经过1000次压缩循环加载实验后,复合材料传感性能稳定未见明显衰减。此复合材料不仅能够用作监测人体健康信号的应变传感器,而且具有热理疗功能。基于纸碳凝胶/硅橡胶复合材料的柔性应变传感器可实现人体运动(如走路)和人体健康(如呼吸)等信号的监测。并且传感器还可以作为加热器,当工作电压为15V时,与环境间的温差可达20度。纸纤维碳凝胶/硅橡胶复合材料具有应力传感和加热双重功能,对开发多功能柔性电子设备具有重要指导意义。2.以重庆盛产的毛竹为原料,通过氧化-干燥-碳化工艺制备出了竹纤维碳凝胶,与硅橡胶复合后,制备出了竹纤维碳凝胶/硅橡胶复合材料,基于该复合材料的柔性应变传感器具有压阻灵敏度高、响应时间短(50 ms)、可重复和稳定性高等特点。通过调节起始竹纤维浆液的浓度,可制备出密度不同的竹纤维碳凝胶;结果发现在一定范围内,碳凝胶密度越小,复合材料的压阻灵敏度越高。基于竹碳凝胶/硅橡胶复合材料的柔性应变传感器可以识别手指弯曲、呼吸及声音等人体信号,在人体健康监测、人机交互方面有一定的发展潜力。总之,基于废纸与竹子的纤维素碳凝胶/硅橡胶复合材料由于其低廉的价格、适中的导电性能对人体生理信号进行监测,在电子皮肤、生物医药、可穿戴电子器件等方面具有良好的应用前景。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TB33
【部分图文】：

人们的日常生活到工业生产都会涉及到传感器技术，特别是在自动控制系统中要获取信息，都要通过传感器获取信号并转换为容易传输和处理的电信号。传感器能够感知外界物理状态（如加速度、温度、湿度）或化学状态（如气体、液体、有机物），并将探测到的相关信号以电信号的形式传递下一级。与借助简单测量工具相比，传感器的检测、测量精度更高，测量范围更广，并且可以实现远程监控。具体地说，传感器是指一种能感受规定的被测量而且可以按照一定的规律转换成可用输出信号的设备，一般由敏感元件、转换元件与测量电路组成，如图 1.1所示。其中，敏感元件能够感受所处环境的被测量的刺激源，并输出相对应的物理量信号，因此该部分的材料需要对物理量的变化有明显的反应；而转换元件则是将敏感元件输出物理量信号转换为电参量。大多数情况，经过敏感元件与转换元件后输出的信号是微弱的，所以，为了便于被测物理量的接收与处理，需要给传感器增加测量电路。测量电路的作用是将转换元件输入的电参量放大、滤波处理转换成可检测的电流或频率等电信号，能够进行显示、记录、处理的部分[4]。

硕士学位论文 1 绪感器的分类现代工业的发展，传感器的应用越来越广泛，在水利水电、地质探、医疗卫生等领域展现出了很大的潜力[6, 7]。近几年，信息处理技术及计算机技术的日趋成熟，用于传感器应用范围不断地拓展，检测、温度、光、气体、电磁等信号的研究不断深入，包含的处理过程。如图 1.2 所示，下面按照传感器的功能分类做简要的介绍。

图 1.3 装有大量传感器的火星探测器Figure 1.3 Mars Rover with Large Number of Sensors光纤传感器作为一种新型传感器，将来自光源的光信号（如光强度、波、相位）经过光探测器解调后转变为电信号输出。与传统的机械电子传，光纤传感器的独特优势凸显，更能应用在航空航天领域极端复杂的应，符合现代传感器技术的需求。日本航空航天局的 Takeda 等人[18]将光栅作为应变传感器，测量了碳纤维复合材料的加筋板由于冲击力引起的证明了光纤光栅传感器可以在极端条件下测量温度和应变，并且在航天损伤监测方面发挥着重要作用。因此，在未来航空航天传感技术领域中天光纤传感技术具有很重要的学术价值和应用前景[17]。应变传感器传感器技术在科学研究、农业生产、工业检测方面正发挥着越来越重了满足不同应用条件下的传感需求，各式各样的传感器不断地发展。
【参考文献】

相关期刊论文 前6条

1 刘旭;贾昭;王博;;PVDF柔性传感器的制备研究[J];重庆理工大学学报(自然科学);2015年04期

2 刘铁根;王双;江俊峰;刘琨;尹金德;;航空航天光纤传感技术研究进展[J];仪器仪表学报;2014年08期

3 张子栋;吴雪冰;吴慎山;;智能传感器原理及应用[J];河南科技学院学报(自然科学版);2008年02期

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本文编号：2890717