基于氧化石墨烯/聚吡咯的压阻传感器研究
发布时间：2021-08-12 06:50
柔性电子领域发展迅速,在运动检测、人机界面和柔性机器人等领域都有所应用,这对柔性压阻传感器提出了更高的需求。压阻传感器可以将压力变化转换成电阻的变化,由于其具有结构简单,低耗能,高灵敏度和检测范围大等优点,得到了越来越多的关注。片状的氧化石墨烯（GO）具有许多羧基和羟基,这些大量的活性官能团及微观结构使得GO有作为复合材料支撑基质的潜力。常见的导电聚合物聚吡咯（PPy）具有高导电率,作为复合材料的填充物可以避免GO的自然团聚。GO纳米片与吡咯粒子间具有强烈的π-π相互作用,复合产生的导电材料可以均匀附着在结构基底,作为压阻传感器的导电填料。本研究采用电荷自组装法（LBL）分别将氧化石墨烯（GO）和聚吡咯（PPy）沉积在聚氨酯（PU）海绵基底上,制备出了GO/PPy@PU压阻传感器。对GO/PPy@PU压阻传感器进行灵敏度、循环稳定性等性能的测试以及传感机理的分析,进一步优化了GO/PPy@PU压阻传感器的制备工艺,最后测试了GO/PPy@PU压阻传感器在人体特定活动检测方面的应用。具体研究内容如下:1.制备了GO/PPy@PU压阻传感器,分析了海绵结构在压缩过程中的力学行为,讨论了不同...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电子设备的应用：（a）医疗监测；（b）电子皮肤；（c）电子假肢；（d）
吉林大学硕士学位论文2出了更高的需求。复杂测量环境的适应性以及灵活的测量范围是新型力敏传感器所必需的。力敏传感器有多种传感器机制，包括电容传感[26]，压电传感[27]，压阻传感[28]和摩擦电传感[29]等，如图1.2所示。其中压阻传感器可以将压力变化转换成电阻的变化，当传感器受到压力产生形变时，内部的导电填料的性能或分布发生改变，从而引起整体电阻发生变化。由于其具有结构简单，低耗能，高灵敏度和检测范围大等优点，得到了越来越多的关注。传统的压阻传感器主要由金属材料以及半导体材料制成，由于材料本身的脆性及高模量，无法满足柔性电子所需的大变形及弯曲状态下的测量条件，因此需要研发具有轻质、高灵活性、高灵敏度的柔性压阻传感器。图1.2四种典型转导机制的示意图[30]：（a）压阻；（b）压电电容；（c）压电；（d）摩擦电Fig.1.2Schematicillustrationsoffourtypicaltransductionmechanisms:(a)piezoresistive;(b)piezocapacitive;(c)piezoelectric;(d)triboelectric目前的柔性压阻传感器研究方向主要分为两种，一种以具有压阻效应的导电材料为主体，通常以柔性聚合物材料如聚氨酯、聚酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇等为基底，填充炭黑、碳纳米管、银纳米线等导电填料。这类导电复合材料制备的传感器具有良好的柔韧性，根据导电填料在柔性基质内的分布特征，复合导电材料本身具有一定压阻效应。另一种以特殊设计的宏观或微观结构为主，通过变形时材料间特殊的接触模式实现压阻效应，这类结构的压阻传感器的敏感度较高，但由于其复杂的制造工艺及昂贵的材料，传感器的应用领域受到了限制。因此，设计高灵敏度、低成本、绿色且容易大范围制造的压阻传感器仍然是一个巨大的挑战。
第1章绪论51.3.2碳纳米管碳纳米管[54,55]是一种一维的纳米材料，名称源自其长而空心的结构，其壁由石墨烯片形成，以特定和离散(“手性”)角卷曲而成。碳纳米管按石墨烯片层数可分为单壁纳米管(SWCNT)和多壁纳米管(MWCNT)，如图1.3所示。单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，多壁纳米管由多个石墨烯卷曲层(同心管)组成，直径在几纳米到几十纳米之间，与单壁碳纳米管相比，多层结构容易产生缺陷，伴随有大量的表面基团，所以多壁碳纳米管化学性质更加活泼。多壁碳纳米管的各个单层自然地对齐由范德华力固定在一起的中心线。碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，类似于石墨。这些键比烷烃和金刚石中的sp3键强，使碳纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管的结构相当于石墨片的蜷曲，超高的长径比使得其作为导电填料形成的复合材料具有很高的敏感度，在传感器领域具有广阔的应用前景。图1.3单壁和多壁碳纳米管Fig.1.3SchematicdiagramofSWCNTandMWCNT1.3.3石墨烯石墨烯[56,57]由碳原子的二维阵列组成，每个碳原子有4个价电子，碳原子通过sp2键共价连接以产生蜂窝状薄片，剩下一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，电子的运动被约束在这个平面上，在晶格中的移动基本上是不受阻力的，因此石墨烯显示出高迁移率，高导电性。其他碳材料可以被认为是由单层的石墨烯构成的，所以研究石墨烯的性质也可以对其他材料的研究产生启发。由于其高质量的晶体结构，石墨烯被认为是强度最高的材料之一，具备很好的韧性。作为严格的二维材料，所有石墨烯原子
本文编号：3337817
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电子设备的应用：（a）医疗监测；（b）电子皮肤；（c）电子假肢；（d）
吉林大学硕士学位论文2出了更高的需求。复杂测量环境的适应性以及灵活的测量范围是新型力敏传感器所必需的。力敏传感器有多种传感器机制，包括电容传感[26]，压电传感[27]，压阻传感[28]和摩擦电传感[29]等，如图1.2所示。其中压阻传感器可以将压力变化转换成电阻的变化，当传感器受到压力产生形变时，内部的导电填料的性能或分布发生改变，从而引起整体电阻发生变化。由于其具有结构简单，低耗能，高灵敏度和检测范围大等优点，得到了越来越多的关注。传统的压阻传感器主要由金属材料以及半导体材料制成，由于材料本身的脆性及高模量，无法满足柔性电子所需的大变形及弯曲状态下的测量条件，因此需要研发具有轻质、高灵活性、高灵敏度的柔性压阻传感器。图1.2四种典型转导机制的示意图[30]：（a）压阻；（b）压电电容；（c）压电；（d）摩擦电Fig.1.2Schematicillustrationsoffourtypicaltransductionmechanisms:(a)piezoresistive;(b)piezocapacitive;(c)piezoelectric;(d)triboelectric目前的柔性压阻传感器研究方向主要分为两种，一种以具有压阻效应的导电材料为主体，通常以柔性聚合物材料如聚氨酯、聚酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇等为基底，填充炭黑、碳纳米管、银纳米线等导电填料。这类导电复合材料制备的传感器具有良好的柔韧性，根据导电填料在柔性基质内的分布特征，复合导电材料本身具有一定压阻效应。另一种以特殊设计的宏观或微观结构为主，通过变形时材料间特殊的接触模式实现压阻效应，这类结构的压阻传感器的敏感度较高，但由于其复杂的制造工艺及昂贵的材料，传感器的应用领域受到了限制。因此，设计高灵敏度、低成本、绿色且容易大范围制造的压阻传感器仍然是一个巨大的挑战。
第1章绪论51.3.2碳纳米管碳纳米管[54,55]是一种一维的纳米材料，名称源自其长而空心的结构，其壁由石墨烯片形成，以特定和离散(“手性”)角卷曲而成。碳纳米管按石墨烯片层数可分为单壁纳米管(SWCNT)和多壁纳米管(MWCNT)，如图1.3所示。单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，多壁纳米管由多个石墨烯卷曲层(同心管)组成，直径在几纳米到几十纳米之间，与单壁碳纳米管相比，多层结构容易产生缺陷，伴随有大量的表面基团，所以多壁碳纳米管化学性质更加活泼。多壁碳纳米管的各个单层自然地对齐由范德华力固定在一起的中心线。碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，类似于石墨。这些键比烷烃和金刚石中的sp3键强，使碳纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管的结构相当于石墨片的蜷曲，超高的长径比使得其作为导电填料形成的复合材料具有很高的敏感度，在传感器领域具有广阔的应用前景。图1.3单壁和多壁碳纳米管Fig.1.3SchematicdiagramofSWCNTandMWCNT1.3.3石墨烯石墨烯[56,57]由碳原子的二维阵列组成，每个碳原子有4个价电子，碳原子通过sp2键共价连接以产生蜂窝状薄片，剩下一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，电子的运动被约束在这个平面上，在晶格中的移动基本上是不受阻力的，因此石墨烯显示出高迁移率，高导电性。其他碳材料可以被认为是由单层的石墨烯构成的，所以研究石墨烯的性质也可以对其他材料的研究产生启发。由于其高质量的晶体结构，石墨烯被认为是强度最高的材料之一，具备很好的韧性。作为严格的二维材料，所有石墨烯原子
本文编号：3337817
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3337817.html
