柔性导电材料的制备及其在可穿戴传感器件上的应用

发布时间：2017-04-20 07:15

  本文关键词：柔性导电材料的制备及其在可穿戴传感器件上的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于同时存在柔弹性和导电性,柔性导电材料被广泛应用于健康管理材料,压力传感器和组织工程等领域。现今的柔性导电材料往往通过在弹性体表面复合超薄导电功能层以同时获得导电和弹性双重性能。然而这种方法存在界面剥离和导电性能下降的缺陷。本实验首先使用柔性聚氨酯海绵作为弹性体层,将经改进的Hummers法制备的氧化石墨烯经由浸渍、吸附、干燥和还原等过程获得了石墨烯/聚氨酯海绵复合材料。通过数显推拉力计和RLC数字电桥表征了该复合材料的导电率-外加应力的关系,确认了材料应用于压力传感器的可能性并进而针对性地采用数显式推拉力计和电化学工作站对该复合材料的循环稳定性,灵敏度和响应时间等进行了表征,实验结果表明,该复合材料具有良好的循环稳定性,响应时间为0.3s,在0~6kPa的范围内,灵敏度S的值为0.17kPa-1,在6~25kPa的范围内,灵敏度S的值为0.005 kPa-1,在0~200kPa内均能响应,呈现出较好的传感性能。但是,应用于微弱人体生理信号监测的传感器需要在超低压力段(2kPa)具有极高的灵敏度,实验中设计并制备了表面微阵列化纳米纤维基自支撑弹性导电材料,以期在生理信号监测(如脉搏监测)上获得较好的效果。采用以激光刻蚀获得微阵列的硅片作为模具,将原位聚合聚吡咯的导电PVA-co-PE纳米纤维和POE纳米纤维的悬浮液混合均匀后,利用溶液浇铸的方式复制硅片模具表面的微阵列,干燥后脱模获得了表面微阵列化纳米纤维基自支撑弹性导电材料,使用SEM观察到了纳米纤维膜表面具有的微阵列。然后将两张膜具有微阵列的表面面对面组装后获得压力传感器。测试了压力传感器在超低压力段的稳定性和灵敏性,它在0-0.15kPa,0.15kPa-1kPa以及1-7kPa的压力范围内的灵敏度S值分别为1.24kPa-1,0.89kPa-1以及0.02kPa-1。将压力传感器组装成了大面积压力传感器以判断其在电子皮肤上的应用潜力。最后将压力传感器和蓝牙模块相连并搭建了由压力传感器收集和蓝牙模块传递的人体脉搏监测系统,最终在一台iPhone上输出了与心电图测试结果呈现出频率一致,波形相近的结果。
【关键词】：柔性导电材料 导电纳米纤维 导电墨水 压力传感器 无线脉搏监测
【学位授予单位】：武汉纺织大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 可穿戴电子器件10-13
• 1.2.1 可穿戴电子器件定义10
• 1.2.2 可穿戴电子器件的制备10-11
• 1.2.3 可穿戴电子器件的应用11-12
• 1.2.4 可穿戴技术与智能服装12-13
• 1.2.5 可穿戴技术的发展趋势13
• 1.3 柔性压力传感器13-15
• 1.3.1 压力传感器定义13-14
• 1.3.2 压力传感器的种类14-15
• 1.3.3 压力传感器的应用15
• 1.4 电阻式压力传感器15-18
• 1.4.1 电阻式压力传感器的结构15-16
• 1.4.2 电阻式压力传感器的设计与研究进展16-18
• 1.5 本课题主要来源与主要工作内容18-20
• 2 还原氧化石墨烯/聚氨酯海绵制备压力传感器20-33
• 2.1 引言20
• 2.2 实验部分20-24
• 2.2.1 实验原料20-21
• 2.2.2 实验设备21
• 2.2.3 石墨烯的制备21
• 2.2.4 石墨烯/聚氨酯海绵柔性导电材料的制备21-22
• 2.2.5 压力传感器的组装22
• 2.2.6 rGO/聚氨酯化学结构测试22
• 2.2.7 rGO/聚氨酯海绵微观形态22
• 2.2.8 传感器灵敏性测试22-23
• 2.2.9 传感器的循环稳定性测试23
• 2.2.10 传感器的响应时间23-24
• 2.3 结果与讨论24-32
• 2.3.1 石墨烯与还原氧化石墨烯的XRD表征24-25
• 2.3.2 石墨烯与还原氧化石墨烯的TEM测试25-26
• 2.3.3 rGO/聚氨酯海绵化学结构测试26-27
• 2.3.4 rGO/聚氨酯海绵微观形态27-28
• 2.3.5 传感器敏感性测试28-30
• 2.3.6 传感器的循环稳定性测试30-31
• 2.3.7 传感器的响应时间31-32
• 2.4 小结32-33
• 3 表面结构化复合纳米纤维制备超灵敏压力传感器及可穿戴脉搏监测系统33-51
• 3.1 引言33
• 3.2 实验部分33-39
• 3.2.1 实验试剂33-34
• 3.2.2 实验仪器34
• 3.2.3 纳米纤维悬浮液的制备34
• 3.2.4 纳米纤维膜的微观形态34-35
• 3.2.5 混合导电纳米纤维悬浮液的制备35-36
• 3.2.6 压力传感器的制备36
• 3.2.7 不同浴比PPy@PVA-co-PE纳米纤维膜的电导率36-37
• 3.2.8 表面结构化纳米纤维膜的微观形态37
• 3.2.9 压力传感器对压力的灵敏性测试37
• 3.2.10 压力传感器对压力的持续响应性测试37
• 3.2.11 压力传感器对不同段压力的响应时间测试37
• 3.2.12 压力传感器的循环性能测试37-38
• 3.2.13 压力传感器的全彩LED灯测试38
• 3.2.14 压力传感器在大面积压力传感器上的应用38
• 3.2.15 压力传感器在人体脉搏监测上的应用38-39
• 3.3 结果与讨论39-49
• 3.3.1 不同浴比PPy@PVA-co-PE纳米纤维膜的电导率39-40
• 3.3.2 纳米纤维膜的微观形态40
• 3.3.3 表面结构化纳米纤维膜的微观形态40-42
• 3.3.4 压力传感器对压力的灵敏性测试42-43
• 3.3.5 压力传感器对压力的持续响应性测试43-44
• 3.3.6 压力传感器的循环性能测试44-45
• 3.3.7 压力传感器的全彩LED灯测试45-46
• 3.3.8 压力传感器在大面积压力传感器上的应用46-47
• 3.3.9 压力传感器在人体脉搏监测上的应用47-49
• 3.4 小结49-51
• 4 结论51-52
• 参考文献52-56
• 硕士期间发表的文章和申请的专利如下56-57
• 致谢57

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9 裴

本文编号：318165