蚕丝织物基底上柔性能源、传感器件的构建与应用

发布时间：2019-09-29 21:41

【摘要】：随着电子科学技术的高速发展,多样化的便捷电子产品层出不穷。其中,结合柔性基底的可穿戴电子产品在医疗监测、运动康复、通信娱乐等多个领域得到了广泛的应用。相对于传统电子,可穿戴电子具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足人们对于设备的形变要求。当前,电子设备实现可穿戴的关键是能源供给装置的智能柔性化。如能发展柔性、轻质、便捷的能源转换或存储装置,并将之与柔性传感器结合,组装成自主供能、储能及传感一体的智能设备,必将极大扩展可穿戴设备的应用领域。传统织物具有极佳的可穿戴性能,具有作为柔性器件衬底材料的潜力,然而粗糙的表面结构限制了其在可穿戴电子方面的应用。因此,如何将传统织物与现代电子技术结合,开发兼具可穿戴性和能量供给/生理传感特性的可穿戴元件,是目前这一领域急需解决的问题。本研究针对以上问题,以蚕丝织物作为衬底材料,瞄准可穿戴应用领域的需求,开展了以下三方面的研究工作:1.用于人体体表散失热量收集的蚕丝织物可穿戴热电发电器件在本研究中,我们在蚕丝纤维基底上构建了利用人体表面散失的热量进行发电的可穿戴热电发电机。通过水热法成功合成了纳米结构的Bi2Te3和Sb2Te3,并将其修饰在蚕丝织物的两面以组成热电发电阵列的P型和N型热电材料。通过银浆的依次连接,组成了以12对热电偶为原型的热电发电机。实验测试了重复弯曲和扭曲对器件性能的影响。同时,在研究中,对以蚕丝为基底的热电发电机进行图案化设计,并对器件在实际应用中对人体热量的转化进行了展示。2.基于单层织物基底的全印刷柔性超级电容器我们选择蚕丝织物作为基底材料构建了具有高性能、超柔韧和较好机械稳定性能的全印刷单基底的超级电容器。集流体和活性材料层通过丝网印刷的方法分别修饰在蚕丝织物基底和聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上。从传统的夹心型超级电容器结构设计中得到启发,在电极上涂布固态电解质后,将PDMS基底上的电极材料全部转移到蚕丝织物基底上,形成了以单层蚕丝织物为基底的超级电容器。研究中,采用数码照片和场发射电子显微镜对器件的构建过程进行了表征。利用循环伏安曲线、恒电流充放电测试及电化学阻抗谱图测试了器件的电化学性能。同时,对器件的机械稳定性能和织物基底美学设计的全印刷技术进行研究,设计组装的超级电容器器件在可穿戴领域显示了良好的柔韧性能。3.Parafilm?用于图案化制备织物基底压力传感器柔性压力传感器可用于检测人体生理信号,例如呼吸频率和脉搏等。因此,迫切需要开发一种简单、低成本方法构建基于织物基底的图案化压力传感器。在本工作中,切割和热熔Parafilm?技术被用于将两片银纳米线修饰的蚕丝织物结合,构建基于织物的压力传感器件。通过简单方法切割Parafilm?,实现了图案化设计;通过热熔图案化Parafilm?,实现了上下层织物的粘合固定。研究发现,调节熔化温度可显著改变两个织物电极间的距离,进而影响器件的压力感应性能。经过实验优化发现,在100°C条件下融化组装的器件具有最佳性能。本方法制备的器件具有高灵敏度、快速反应时间以及优异的稳定性能(超过500次按压/释放循环)。这项工作展示了压力传感器在人体运动过程及生理信号监测中的潜在应用,同时提供了一种简单、低成本的方法,用于构建基于织物的压力传感器。本研究的成功可望为织物可穿戴电子元件的生产引入新方法,并进一步扩大了蚕丝织物的应用领域。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS106;TP212

【参考文献】