基于聚丙烯酰胺离子水凝胶的柔性自供电电子皮肤研制
发布时间：2022-07-12 13:52
模拟人体皮肤特性的电子皮肤（E-skin）在可穿戴电子、医疗监控、人工智能等领域中有着广泛的应用,是目前最热门的研究方向之一。由于器件的能源供应问题严重制约了电子皮肤的灵活性和可拉伸性,本文开发设计了一种以聚丙烯酰胺（PAAm）离子水凝胶为基体的透明柔性自供电电子皮肤,依靠离子水凝胶耦合离子电流和电子电流的能力,能够同时实现触觉传感和能源收集功能,且经过硅烷偶联强化的界面保证了器件在极端环境下的性能以及长时间存放后的寿命。其中离子水凝胶采用添加了Li Cl和海藻酸钠（SA）后的PAAm-SA-Li Cl杂化离子水凝胶,该水凝胶拥有超高的透明度（可见光波段平均透过率89.39%）、优秀的机械性能(最大拉伸比λc≈14、弹性模量E=15.85 k Pa、断裂能Γ=687.26 J·m-2)以及极低的电阻率（0.13Ω·m）;而且还不易失水,在干燥环境（25℃,RH=20%）下裸露放置3天后质量剩余90.8%。使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和3M VHB（Very High Bond）弹性胶封装离子水凝胶后得到的柔性透明的PDMS e-skin和V...
【文章页数】：112 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 电子皮肤简介
1.2.1 电子皮肤的基本特性
1.2.2 电子皮肤的传感原理
1.2.3 自供电电子皮肤
1.3 水凝胶离子电子学简介
1.3.1 水凝胶离子电子学概述
1.3.2 水凝胶离子电子学材料
1.3.3 基于水凝胶的离子电子学器件
1.4 水凝胶基摩擦纳米发电机研究现状
1.4.1 摩擦纳米发电机的基本原理
1.4.2 基于水凝胶的摩擦纳米发电机
1.5 本文的主要研究内容
第2章 试验材料、设备及方法
2.1 试验材料
2.2 试验设备
2.3 试验方法
2.3.1 PDMS的制备工艺
2.3.2 聚丙烯酰胺水凝胶的制备工艺
2.3.3 电子皮肤基体结构的构建
2.3.4 PDMS与基体水凝胶连接界面的改善处理
2.4 试验表征
2.4.1 水凝胶的微观形貌
2.4.2 红外光谱分析
2.4.3 透光度测试
2.4.4 机械性能测试
2.4.5 电学性能测试
2.4.6 抗失水性能测试
2.4.7 电子皮肤自供电性能测试
2.4.8 PDMS与水凝胶的剥离测试
2.4.9 PDMS表面润湿角测量
第3章 聚丙烯酰胺离子水凝胶的性能研究
3.1 引言
3.2 聚丙烯酰胺水凝胶的交联机理及表面形貌
3.2.1 PAAm-LiCl离子水凝胶的交联网络分析
3.2.2 PAAm-SA杂化水凝胶的交联网络分析
3.2.3 聚丙烯酰胺水凝胶的表面形貌
3.3 聚丙烯酰胺水凝胶的性能研究
3.3.1 交联剂加入量对聚丙烯酰胺水凝胶性能的影响
3.3.2 离子浓度对聚丙烯酰胺水凝胶性能的影响
3.3.3 原料配比对PAAm-SA杂化水凝胶性能的影响
3.3.4 PAAm-SA-LiCl杂化离子水凝胶的性能
3.4 聚丙烯酰胺水凝胶的失水特性
3.5 本章小结
第4章 自供电电子皮肤的构建及性能表征
4.1 引言
4.2 电子皮肤基体结构的构建
4.2.1 电子皮肤的基体结构
4.2.2 水凝胶-弹性体结构的基本性能
4.3 电子皮肤的自供电性能
4.3.1 电子皮肤的自供电原理
4.3.2 VHB e-skin的 TENG输出特性
4.3.3 PDMS e-skin的 TENG输出特性
4.4 电子皮肤的循环耐用性
4.4.1 VHB e-skin的循环输出特性
4.4.2 PDMS e-skin的循环输出特性
4.5 电子皮肤的传感特性
4.5.1 水凝胶-弹性体结构的电阻式应变传感
4.5.2 水凝胶-弹性体结构的电容式压力传感
4.5.3 基于TENG输出的电压式压力传感
4.6 本章小结
第5章 自供电电子皮肤的性能优化及结构改进
5.1 引言
5.2 单电极水凝胶基TENG输出特性的影响因素调研
5.2.1 结构基本尺寸对单电极TENG输出性能的影响
5.2.2 工作环境对水凝胶基TENG输出性能的影响
5.3 氧等离子体处理对水凝胶与弹性体界面的强化
5.4 水凝胶与弹性体界面的功能性硅烷偶联处理
5.4.1 PDMS的表面硅烷修饰
5.4.2 界面强化后对电子皮肤性能的改善
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
本文编号：3659242
【文章页数】：112 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 电子皮肤简介
1.2.1 电子皮肤的基本特性
1.2.2 电子皮肤的传感原理
1.2.3 自供电电子皮肤
1.3 水凝胶离子电子学简介
1.3.1 水凝胶离子电子学概述
1.3.2 水凝胶离子电子学材料
1.3.3 基于水凝胶的离子电子学器件
1.4 水凝胶基摩擦纳米发电机研究现状
1.4.1 摩擦纳米发电机的基本原理
1.4.2 基于水凝胶的摩擦纳米发电机
1.5 本文的主要研究内容
第2章 试验材料、设备及方法
2.1 试验材料
2.2 试验设备
2.3 试验方法
2.3.1 PDMS的制备工艺
2.3.2 聚丙烯酰胺水凝胶的制备工艺
2.3.3 电子皮肤基体结构的构建
2.3.4 PDMS与基体水凝胶连接界面的改善处理
2.4 试验表征
2.4.1 水凝胶的微观形貌
2.4.2 红外光谱分析
2.4.3 透光度测试
2.4.4 机械性能测试
2.4.5 电学性能测试
2.4.6 抗失水性能测试
2.4.7 电子皮肤自供电性能测试
2.4.8 PDMS与水凝胶的剥离测试
2.4.9 PDMS表面润湿角测量
第3章 聚丙烯酰胺离子水凝胶的性能研究
3.1 引言
3.2 聚丙烯酰胺水凝胶的交联机理及表面形貌
3.2.1 PAAm-LiCl离子水凝胶的交联网络分析
3.2.2 PAAm-SA杂化水凝胶的交联网络分析
3.2.3 聚丙烯酰胺水凝胶的表面形貌
3.3 聚丙烯酰胺水凝胶的性能研究
3.3.1 交联剂加入量对聚丙烯酰胺水凝胶性能的影响
3.3.2 离子浓度对聚丙烯酰胺水凝胶性能的影响
3.3.3 原料配比对PAAm-SA杂化水凝胶性能的影响
3.3.4 PAAm-SA-LiCl杂化离子水凝胶的性能
3.4 聚丙烯酰胺水凝胶的失水特性
3.5 本章小结
第4章 自供电电子皮肤的构建及性能表征
4.1 引言
4.2 电子皮肤基体结构的构建
4.2.1 电子皮肤的基体结构
4.2.2 水凝胶-弹性体结构的基本性能
4.3 电子皮肤的自供电性能
4.3.1 电子皮肤的自供电原理
4.3.2 VHB e-skin的 TENG输出特性
4.3.3 PDMS e-skin的 TENG输出特性
4.4 电子皮肤的循环耐用性
4.4.1 VHB e-skin的循环输出特性
4.4.2 PDMS e-skin的循环输出特性
4.5 电子皮肤的传感特性
4.5.1 水凝胶-弹性体结构的电阻式应变传感
4.5.2 水凝胶-弹性体结构的电容式压力传感
4.5.3 基于TENG输出的电压式压力传感
4.6 本章小结
第5章 自供电电子皮肤的性能优化及结构改进
5.1 引言
5.2 单电极水凝胶基TENG输出特性的影响因素调研
5.2.1 结构基本尺寸对单电极TENG输出性能的影响
5.2.2 工作环境对水凝胶基TENG输出性能的影响
5.3 氧等离子体处理对水凝胶与弹性体界面的强化
5.4 水凝胶与弹性体界面的功能性硅烷偶联处理
5.4.1 PDMS的表面硅烷修饰
5.4.2 界面强化后对电子皮肤性能的改善
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
本文编号：3659242
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3659242.html
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