碳基柔性复合材料制备及其应变传感性能研究

发布时间：2024-06-01 07:52

　　柔性可穿戴应变传感器在远程精准医疗、人体运动检测、人工智能等领域应用潜能巨大。传统的半导体和金属基刚性应变传感器难以同时满足高拉伸、高灵敏度的要求,严重影响其测量稳定性、测量精度和测量范围,而新型的碳材料由于具有良好的导电性和机械性能、生物相容性、物理化学性质稳定以及表面易于修饰等优点,是柔性可穿戴应变传感器的理想备选材料。本论文工作利用共价交联、表面修饰与微纳多级导电网络构建等策略,设计制备系列柔性的应变传感器材料,其中包括共价交联的三维石墨烯泡沫材料、石墨烯/亚麻织物碳复合材料、石墨烯纳米带/聚酰亚胺高分子聚合物超薄复合薄膜材料,传感器检测的灵敏性和稳定性优良,成功应用于人体关节运动和脉搏、发声振动等监测。主要研究内容如下:(1)基于共价交联策略构建超高弹性三维石墨烯泡沫压力传感材料。通过聚醚胺(D400)与氧化石墨烯表面含氧官能团的共价交联,制备得到三维氧化石墨烯泡沫材料,温和热还原脱除氧化石墨烯表面含氧官能团,得到的共价交联石墨烯泡沫具有良好的压缩性和导电性。共价交联的石墨烯泡沫在不同的压缩应变下具有可调的电导率和超灵敏的压力响应(在3.5-5 kPa范围内压力灵敏度为0.04...

【文章页数】：152 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
    1.1 应变传感器的结构
    1.2 碳基应变传感器材料
        1.2.1 炭黑基应变传感器
        1.2.2 碳纳米管基应变传感器
        1.2.3 石墨烯基应变传感器
        1.2.4 纺织材料应变传感器
        1.2.5 复合型碳材料基应变传感器
    1.3 本论文的研究思路与内容
2 实验
    2.1 实验原料
    2.2 实验设备及表征仪器
    2.3 材料组成与结构表征方法
        2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)
        2.3.2 透射电子显微镜(TEM)
        2.3.3 X射线衍射(XRD)
        2.3.4 元素分析(EA)
        2.3.5 拉曼光谱(Raman)
        2.3.6 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)
        2.3.7 X射线光电子能谱(XPS)
        2.3.8 热重分析(TGA)
    2.4 材料传感性能测试
        2.4.1 泡沫材料压力传感测试方法
        2.4.2 材料拉伸应变传感测试方法
        2.4.3 薄膜材料压力传感测试方法
3 石墨烯基泡沫材料压力传感性能研究
    3.1 引言
    3.2 材料制备
        3.2.1 氧化石墨烯的制备
        3.2.2 模板法石墨烯泡沫的制备
        3.2.3 共价交联石墨烯泡沫的制备
    3.3 模板法石墨烯泡沫制备及其性能研究
        3.3.1 不同浓度氧化石墨烯对石墨烯泡沫的影响
        3.3.2 石墨烯泡沫复合材料压敏性能研究
    3.4 共价交联石墨烯泡沫压力传感性能
        3.4.1 交联剂使用量对石墨烯泡沫的影响
        3.4.2 热处理温度对复合型石墨烯泡沫的影响
        3.4.3 复合型石墨烯泡沫作为压力传感器性能研究
    3.5 本章小结
4 石墨烯/织物衍生碳复合结构应变传感器
    4.1 引言
    4.2 材料制备
        4.2.1 棉织物衍生碳复合型传感器的制备
        4.2.2 银纳米线的制备
        4.2.3 银纳米线/石墨烯/亚麻织物碳复合型柔性传感器的制备
    4.3 棉织物衍生碳复合型传感性能研究
        4.3.1 基底材料选择
        4.3.2 碳化温度对基底材料的影响
        4.3.3 石墨烯/棉纺织物衍生碳传感器
    4.4 银纳米线/石墨烯/亚麻织物衍生碳复合型柔性传感器
        4.4.1 亚麻织物衍生碳材料传感性能研究
        4.4.2 石墨烯载量对传感器性能的影响
        4.4.3 银纳米线修饰对复合型传感器性能响
    4.5 柔性可穿戴传感器
    4.6 本章小结
5 石墨烯纳米带/聚酰亚胺复合型超薄柔性可穿戴压力传感器
    5.1 引言
    5.2 材料制备
        5.2.1 石墨烯纳米带的制备
        5.2.2 水溶性聚酰胺酸的制备
        5.2.3 石墨烯纳米带/聚酰亚胺复合型传感器的制备
        5.2.4 银纳米线/石墨烯纳米带/聚酰亚胺复合型传感器的制备
    5.3 氧化石墨烯纳米带的制备及表征
    5.4 石墨烯纳米带/聚酰亚胺复合膜的研究
    5.5 银纳米线/石墨烯纳米带/聚酰亚胺复合薄膜传感器
    5.6 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3985594