基于纳米纤维纺织品的柔性可穿戴多模式力学传感器的构筑与应用
发布时间：2021-11-26 00:27
在新兴的可穿戴电子器件领域,柔性可穿戴力学传感器由于具有模拟人体皮肤将外界力学刺激转换为可处理的电学信号的功能,日益受到人们的广泛关注,并在移动医疗监控、人体运动检测、软机器人和人机交互等领域呈现出巨大的应用潜力。智能可穿戴器件需要直接与人体的皮肤接触,显然人们日常穿着的纺织品是智能可穿戴器件的最佳产品形式和载体。近年来,针对用于监测个人健康信号和环境变化的需求,急需对传感材料以及器件结构进行合理的设计以实现可穿戴传感器的高灵敏、快速响应、宽量程和复杂信号检测。纺织品是由无数细长纤维和纱线组成的三维多孔网状交织结构,这些结构特点使其易于负载各种功能纳米材料,目前的常用方法是将碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒和纳米线等导电纳米材料涂覆或嵌入到纺织纤维基体内以实现纤维功能化,从而在纺织品载体上构建高性能的可穿戴传感器。静电纺纳米纤维兼具纳米材料与纤维材料的双重优点,因具有尺度极细、比表面积大、结构可控和易于掺杂功能改性等优良特性,已经作为一种理想材料广泛应用于柔性传感器、电子皮肤、光电器件以及能量收集与储存等智能可穿戴领域。本文立足于纳米纤维与纺织品在材料性能和结构工程上的显著优势,以弹性多...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
用于监测人体活动和个人健康的柔性可穿戴力学传感器[11]
系列基于纳米纤维膜、纱线和织物的可穿戴多模式力学传感器，主要研究了传感器对不同力学刺激包括压力、拉伸和弯曲和环境刺激如温度的传感性能，初步探索了其应用于可穿戴人体健康监测、复杂环境监测以及智能纺织品等领域的可行性。1.2柔性力学传感器的研究1.2.1柔性力学传感器的分类柔性力学传感器是一类能够感知外部力学刺激，如压力、拉伸、振动、弯曲和剪切等，并能将力学信号或者机械变形转化成可读的电信号，具有良好的柔韧性的电子器件[38,39]。柔性力学传感器一般由力学传感元件和电信号输出电极构成[11,40]。如图1-2所示，目前柔性力学传感器的传感机理主要分为压电式、摩擦电式、电容式和电阻式四类[39]。图1-2（a）压电式、（b）摩擦电式、（c）电容式和（d）电阻式柔性力学传感器的传感机理Figure1-2Sensingmechanismsof(a)piezoelectric,(b)triboelectric,(c)capacitiveand(d)resistiveflexiblemechanicalsensors.柔性力学传感器因具有高灵敏度以及良好的柔韧性和可穿戴性等诸多优良特性，在个性化健康和运动监测、人机交互和智能机器人等领域具有广泛的应用前景。例如，柔性压力传感器可以用于人体健康信号监测、声音振动监测以及空间应力分布识别等[31,41]；而可拉伸的柔性应变传感器可以集成到衣服上或直接贴附于皮肤表面用于监测从心跳和呼吸等细微的生理信号到人体腕关节弯曲等剧烈运动的全范围人体活动[27,42,43]；此
江南大学博士学位论文4微裂纹的扩展，导致导电纳米材料之间的导电通路减少和接触电阻显著增加[27,60]。在应变作用下，导电纳米材料的分离或滑动导致纳米材料本身仅产生较小的应变，在这种情况下由前两种机制引起的电阻变化相对较小，则由后两种机制引起的电阻变化占主导地位。图1-3基于重叠RGO片结构的“鱼鳞”式柔性应变传感器（a）扫描电镜图像；（b）分别在0%（左）和50%应变（右）时的电镜图像以及应变传感机理示意图；（c）典型的相对电阻-应变曲线；（d）检测手指弯曲时的相对电阻响应[61]Figure1-3Thefish-scale-like(FSG)strainsensorbasedonoverlappedrGOsheetsstructure.(a)Scanningelectronmicroscopy(SEM)image.(b)SEMimagesat0%strain(left)and50%strain(right),respectively.Schematicillustrationofstrainsensingmechanism.(c)Typicalrelativeresistance–straincurves.(d)Relativeresistanceresponsesindetectingfingerbending.在应变传感器上负载拉伸应变会导致导电纳米材料之间滑动或断开，从而减小导电纳米材料之间的接触面积，导致电阻增加。目前已经研发出许多基于断开机理的高灵敏应变传感器。其中基于二维石墨烯纳米片和一维银纳米线（AgNWs）导电网络的应变传感器以其高GF和可调的灵敏度得到了广泛的研究[27,62]。如图1-3所示，清华大学Liu[61]等人创造性地提出了一种基于石墨烯的“鱼鳞”式应变传感器，这种基于断开机制的微结构是由还原氧化石墨烯（RGO）薄片和弹性基体组成的复合膜而得到。负载拉伸应变前，上层的RGO片与下层的重叠，就像鱼鳞一样。负载拉伸应变后，相邻RGO切片的重叠区域发生变化，导致其接触电阻发生变化。这种特殊的“鱼鳞”式微结构赋予该应变传感器很大的应变传感范围（高达82%的应?
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性可穿戴电子传感器研究进展[J]. 钱鑫,苏萌,李风煜,宋延林. 化学学报. 2016(07)
博士论文
[1]等离子体处理对PBO纤维、碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响[D]. 刘哲.大连理工大学 2014
[2]环境响应型石墨烯复合材料的设计、三维构筑与性能研究[D]. 侯成义.东华大学 2014
[3]碳纳米管/聚合物复合材料力敏特性及柔性传感器研究[D]. 王志峰.清华大学 2013
[4]导电聚（3，4-乙烯二氧噻吩）复合物的合成及基于有机表面的图案化[D]. 梁杰.北京化工大学 2010
硕士论文
[1]石墨烯柔性应变传感材料的制备及性能研究[D]. 黄智明.华南理工大学 2018
[2]基于薄膜压制的微流控芯片制造工艺与配套设备研发：新体系与新策略[D]. 芦耀.西南大学 2018
[3]染料敏化太阳能电池织物对电极的制备及性能研究[D]. 李梅霞.武汉纺织大学 2015
[4]溶剂对EDOT液相沉降聚合制备导电PEDOT/PI复合膜的影响及PEDOT/PI膜电化学镀铜的研究[D]. 王炯.华南理工大学 2015
[5]基于压力脉搏波的心血管疾病的诊断[D]. 袁涛.燕山大学 2013
[6]新型聚（3，4-乙烯二氧噻吩）复合物的制备及其在抗静电涂料中的应用[D]. 王兴平.东华大学 2013
[7]聚酯类纤维织物的表面改性及化学镀的工艺研究[D]. 杜宁.北京化工大学 2007
本文编号：3519073
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
用于监测人体活动和个人健康的柔性可穿戴力学传感器[11]
系列基于纳米纤维膜、纱线和织物的可穿戴多模式力学传感器，主要研究了传感器对不同力学刺激包括压力、拉伸和弯曲和环境刺激如温度的传感性能，初步探索了其应用于可穿戴人体健康监测、复杂环境监测以及智能纺织品等领域的可行性。1.2柔性力学传感器的研究1.2.1柔性力学传感器的分类柔性力学传感器是一类能够感知外部力学刺激，如压力、拉伸、振动、弯曲和剪切等，并能将力学信号或者机械变形转化成可读的电信号，具有良好的柔韧性的电子器件[38,39]。柔性力学传感器一般由力学传感元件和电信号输出电极构成[11,40]。如图1-2所示，目前柔性力学传感器的传感机理主要分为压电式、摩擦电式、电容式和电阻式四类[39]。图1-2（a）压电式、（b）摩擦电式、（c）电容式和（d）电阻式柔性力学传感器的传感机理Figure1-2Sensingmechanismsof(a)piezoelectric,(b)triboelectric,(c)capacitiveand(d)resistiveflexiblemechanicalsensors.柔性力学传感器因具有高灵敏度以及良好的柔韧性和可穿戴性等诸多优良特性，在个性化健康和运动监测、人机交互和智能机器人等领域具有广泛的应用前景。例如，柔性压力传感器可以用于人体健康信号监测、声音振动监测以及空间应力分布识别等[31,41]；而可拉伸的柔性应变传感器可以集成到衣服上或直接贴附于皮肤表面用于监测从心跳和呼吸等细微的生理信号到人体腕关节弯曲等剧烈运动的全范围人体活动[27,42,43]；此
江南大学博士学位论文4微裂纹的扩展，导致导电纳米材料之间的导电通路减少和接触电阻显著增加[27,60]。在应变作用下，导电纳米材料的分离或滑动导致纳米材料本身仅产生较小的应变，在这种情况下由前两种机制引起的电阻变化相对较小，则由后两种机制引起的电阻变化占主导地位。图1-3基于重叠RGO片结构的“鱼鳞”式柔性应变传感器（a）扫描电镜图像；（b）分别在0%（左）和50%应变（右）时的电镜图像以及应变传感机理示意图；（c）典型的相对电阻-应变曲线；（d）检测手指弯曲时的相对电阻响应[61]Figure1-3Thefish-scale-like(FSG)strainsensorbasedonoverlappedrGOsheetsstructure.(a)Scanningelectronmicroscopy(SEM)image.(b)SEMimagesat0%strain(left)and50%strain(right),respectively.Schematicillustrationofstrainsensingmechanism.(c)Typicalrelativeresistance–straincurves.(d)Relativeresistanceresponsesindetectingfingerbending.在应变传感器上负载拉伸应变会导致导电纳米材料之间滑动或断开，从而减小导电纳米材料之间的接触面积，导致电阻增加。目前已经研发出许多基于断开机理的高灵敏应变传感器。其中基于二维石墨烯纳米片和一维银纳米线（AgNWs）导电网络的应变传感器以其高GF和可调的灵敏度得到了广泛的研究[27,62]。如图1-3所示，清华大学Liu[61]等人创造性地提出了一种基于石墨烯的“鱼鳞”式应变传感器，这种基于断开机制的微结构是由还原氧化石墨烯（RGO）薄片和弹性基体组成的复合膜而得到。负载拉伸应变前，上层的RGO片与下层的重叠，就像鱼鳞一样。负载拉伸应变后，相邻RGO切片的重叠区域发生变化，导致其接触电阻发生变化。这种特殊的“鱼鳞”式微结构赋予该应变传感器很大的应变传感范围（高达82%的应?
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性可穿戴电子传感器研究进展[J]. 钱鑫,苏萌,李风煜,宋延林. 化学学报. 2016(07)
博士论文
[1]等离子体处理对PBO纤维、碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响[D]. 刘哲.大连理工大学 2014
[2]环境响应型石墨烯复合材料的设计、三维构筑与性能研究[D]. 侯成义.东华大学 2014
[3]碳纳米管/聚合物复合材料力敏特性及柔性传感器研究[D]. 王志峰.清华大学 2013
[4]导电聚（3，4-乙烯二氧噻吩）复合物的合成及基于有机表面的图案化[D]. 梁杰.北京化工大学 2010
硕士论文
[1]石墨烯柔性应变传感材料的制备及性能研究[D]. 黄智明.华南理工大学 2018
[2]基于薄膜压制的微流控芯片制造工艺与配套设备研发：新体系与新策略[D]. 芦耀.西南大学 2018
[3]染料敏化太阳能电池织物对电极的制备及性能研究[D]. 李梅霞.武汉纺织大学 2015
[4]溶剂对EDOT液相沉降聚合制备导电PEDOT/PI复合膜的影响及PEDOT/PI膜电化学镀铜的研究[D]. 王炯.华南理工大学 2015
[5]基于压力脉搏波的心血管疾病的诊断[D]. 袁涛.燕山大学 2013
[6]新型聚（3，4-乙烯二氧噻吩）复合物的制备及其在抗静电涂料中的应用[D]. 王兴平.东华大学 2013
[7]聚酯类纤维织物的表面改性及化学镀的工艺研究[D]. 杜宁.北京化工大学 2007
本文编号：3519073
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