两种柔性电子器件的制备与应用

发布时间：2020-07-25 08:13

【摘要】：随着科学技术的发展,各种便携、可穿戴的电子设备应运而生,如曲屏手机,电子皮肤,智能眼镜,小米手环等等。这些新型电子设备的出现在丰富人们生活的同时也对各种器件的柔性提出更高的要求。超级电容器及压力传感器是我们在日常生活中常见的两种电子器件,传统的超级电容器及压力传感器多为刚性结构,这很大程度上限制了其进一步的应用。本文立足于当前柔性电子学的发展,针对传统超级电容器及压力传感器的刚性结构的弊端,选用合适的柔性基底制备了一种具有自修复功能的柔性超级电容器和一种柔性的压力传感器。具体工作如下:1.超级电容器对于新能源的开发利用具有十分重要的意义,此外随着各种可穿戴电子设备的发展及器件工作环境复杂性的提升,人们对超级电容器的柔性提出更高的要求,因此我们制备了一种柔性、自修复的全固态一体化超级电容器。主要是通过冷冻-解冻的方法制备了一种物理交联的聚乙烯醇-硫酸水凝胶膜(PVA-H2SO4),该水凝胶膜不仅具有一定的柔性和自修复能力,还具有很好的导电性能、拉伸性能和水中稳定性,最后利用原位生长的方法,在这种物理交联的水凝胶膜表面原位生长上一层聚苯胺和单壁碳纳米管(SWCNT)的复合物,将生长有聚苯胺和单壁碳纳米管复合材料的水凝胶膜经过后续处理得到一种具有自修复功能的柔性全固态一体化超级电容器,该超级电容器展现出很好的柔性,经过多次弯曲测试其面积比电容仍保持很高的水平。除此之外,该超级电容器也展现出很好的自修复能力,经过五次自修复循环后其面积比电容大小仍可以达到未损坏前的80%左右。2.立足于可穿戴电子设备对人体运动的检测,本文以聚氨酯海绵为柔性基底通过简单的结构设计来实现大压力传感器灵敏度的目的,以一种具有类似石墨烯结构的过渡金属碳化物或氮化物(MXene)做为导电材料,最后通过循环浸泡的方法制备了一种灵敏度高和检测范围宽的的柔性压力传感器。该柔性压力传感器可贴附于人的身体上,实现对人体运动的实时检测,比如手指的弯曲,发声等,此外该传感器对于外界环境轻微的振动也可以做出灵敏的相应。最后经过对压力传感器稳定性进行测试,发现经过10000次循环压力测试后,该压力传感器仍能保持很好的信号响应。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TP212
【图文】：

逦ＰＶＡ－ｇ－ＰＡＡ逦ＰＶＡ－ｇ－ＰＡＡ／ＫＣｌ邋ｈｙｄｒｏｇｅｌ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逡逑图１－２自修复的ＰＶＡ－ｇ－ＰＡＡ／ＫＣｌ水凝胶电解质的合成过程示意图［１５］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｏｆ邋ｓｅｌｆ－ｈｅａｌａｂｌｅ邋ＰＶＡ－ｇ－ＰＡＡ／ＫＣｌ邋ｈｙｄｒｏｇｅｌ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ．逡逑１．２．２邋７ｊＣ凝胶的应用逡逑水凝胶柔软而富有弹性，可在水中溶胀，并且能对外界微小的刺激如温度、ＰＨ、逡逑离子、分子、光、电、压力等产生显著的应答，具有智能性等优点［１６］。如今随着合成逡逑方法的不断改进和原料种类的多样性，各种新型功能化水凝胶随之产生，其柔性、弹逡逑性、拉伸强度、导电性等都得到进一步的优化［１７，１８］，因而在传感器、固态超级电容器、逡逑电池以及药物释放等领域得到广泛的应用。例如智能水凝胶可以应用在应力传感器中

逦Ｉ邋ｈ逡逑Ｖ邋Ｐ逡逑Ａｓｓｅｍｂ，ｙ＼＾＃＾逡逑图１－３柔性、自修复超级电容器合成示意图［２５］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｄｅｓｉｇｎ邋ａｎｄ邋ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｆｌｏｗ邋ｏｆ邋ａ邋ｆｌｅｘｉｂｌｅ，邋ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ邋ａｎｄ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ逡逑ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ邋ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ．逡逑ａ邋ｒ逦ｒ逡逑￣ｓ—Ｓｏｌ－＾ｅｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑上邋Ｓｔｉｒ，邋１２邋ｈ，邋ｒｏｏｍ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逦￣、逡逑＾逦＃邋：邋Ｓｉｌｉｃａ邋ｎａｎｏｐａｒｔｉｄｅ邋Ｊ逡逑Ｖｉｒｙｈｔｒ＾ｔｆ＞ｏｘｙｓｉｌａｎｅ逦ＶＳＮＰ逡逑（ＣＨ３ＣＨ２０）３Ｓｉ｛ＣＨＣＨ２）逡逑ＶＳＮＰ逦ＶＳＮＰ邋ｃｒｏｓｓ邋Ｕｎｋｉｎｇ邋ＰＡＡ逡逑＾邋＾邋：邋ＰＡＡ邋ｃｈａｉｎ逡逑Ｒ（ＶＡ邋Ｓ逦Ｏ邋：Ｐ0Ｓ？￥？ｉ？．逡逑０＾＼0Ｈ逦0邋ｆｔｅｇａｌｗｓｉｏｎ逡逑｛一邋－．Ｈｙｄｒｏｇｅｎ邋ｂｏｎｄｉｎｇ逡逑图１－４聚合物电解质的制备流程（ａ）ＶＳＮＰｓ的制备（ｂ）ＶＳＮＰｓ－ＰＡＡ电解质的制备｜２６］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｏｌｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋ｂｙ邋ｕｓｉｎｇ邋ＶＳＮＰｓ邋ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｒ，邋（ａ）邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＶＳＮＰｓ逡逑ｆｒｏｍ邋ｖｉｎｙｌｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ．邋（ｂ）邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＶＳＮＰｓ－ＰＡＡ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋ｆｒｏｍ邋ＶＳＮＰｓ邋（ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｒ），逡逑ａｃｒｙｌｉｃ邋ａｃｉｄ邋（ＡＡ

逦ｊ逡逑ｗ逡逑图１－４具有自修复、黏性、柔性可穿戴压力传感器的合成示意图（ａ）通过动态超分子交联的得到逡逑的导电的功能化单壁碳纳米管网络（ｂ）导电、自修复、自粘性的混合网络交联的水凝胶（ｃ，ｄ）传逡逑感器的自修复过程示意图（ｅ）手腕处自粘附示意图［３（）Ｉ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｈｅａｌａｂｌｅ，邋ａｄｈｅｓｉｖｅ，邋ｗｅａｒａｂｌｅ，邋ａｎｄ邋ｓｏｆｔ逡逑ｈｕｍａｎ－ｍｏｔｉｏｎ邋ｓｅｎｓｏｒｓ邋ｆｏｒ邋ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ邋ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ邋ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．邋Ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ｄｅｌｉｃａｔｅ邋ｃｏｎｆｏｒｍａｌ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｏｆ邋（ａ）邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔｕｂｅ邋ｎｅｔｗｏｒｋｓ逡逑ｔｈｒｏｕｇｈ邋ｔｈｅ邋ｄｙｎａｍｉｃ邋ｓｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇ，邋（ｂ）邋ｔｈｅ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ，邋ｈｅａｌａｂｌｅ，邋ａｎｄ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ邋ｈｙｂｒｉｄ逡逑ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ邋ａｒｅ邋ｐｒｅｐａｒｅｄ．邋Ｔｈｅ邋ｈｅａｌａｂｌｅ，邋ａｄｈｅｓｉｖｅ，邋ｗｅａｒａｂｌｅ，邋ａｎｄ邋ｓｏｆｔ邋ｈｕｍａｎ－ｍｏｔｉｏｎ邋ｓｅｎｓｏｒｓ逡逑ａｓｓｅｍｂｌｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ邋ｃｏｕｌｄ邋ｂｅ邋（ｃ

【参考文献】

相关硕士学位论文 前2条

1 杨博;插层复合电极材料的制备及储能性能研究[D];北京化工大学;2016年

2 姚斌;导电聚合物基柔性固态超级电容器的组装及性能研究[D];武汉理工大学;2014年

本文编号：2769562