金属纳米线基弹性导体的构筑及其应变传感器应用研究

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随着科技的发展,人们对可拉伸以及可穿戴电子器件的需求不断扩大。传统硬质导电材料已经无法满足人们的需求,新一代柔性电子器件正越来越受到人们的关注。弹性导体是构筑柔性电子器件的关键部件,其柔性/可拉伸性能是最重要的性能指标。为了获得弹性导体,研究者们主要从构型设计、导电材料甄选和弹性基底优化三个方面着手来提高其柔性/可拉伸性能。传感器作为弹性导体一个重要的应用在柔性电子设备中呈现了显著的应用价值。传统的传感器存在材质坚硬、可穿戴性较差的性质,相比之下,柔性应变传感器由于其柔性/可拉伸性能展示出巨大的应用潜力。研究者们对此做了大量的工作,其中主要是从灵敏度、有效监测范围、降低成本等方面着手实现高性能应变传感器的生产应用。  虽然,人们在弹性导体材料的制备及其在柔性应变传感器应用方面做了很多优秀的工作,但是导电材料与弹性基底之间的结合稳定性以及开发高灵敏度、宽检测范围和性价比高的柔性传感器一直困扰着人们。基于此,本论文开展了金属纳米线基弹性导体的构筑及其应变传感器应用研究工作,具体如下:  (1)以准原位聚合法制备了铜纳米线/聚二甲氧基硅氧烷(Cu NWs/PDMS)弹性导体,显著地提高了导电材料与弹性基底之间的界面结合能力。研究了热处理温度和预聚合时间的条件对弹性导体机械性能和抗氧化性能的影响。当热处理温度为230℃时,Cu NWs导电网络具有最好的导电性能,而且,在80℃下预聚合10min后所得到的弹性导体Cu NWs/PDMS-10具有最佳的导电性、可拉伸性和可弯折性和抗氧化性能。最后,该拉伸弹性导体在LED连接导线和电容式应变传感器的柔性电极方面展示出了优异的性能和应用潜力。  (2)通过浸涂和氢气等离子体处理的方式以银纳米线为导电材料,具有辫状编织结构的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维和聚氨酯(PU)弹性芯组成的弹性纱线(Braid-like Weaved Yarn,BWY)为支撑骨架,制备了BWY-Ag NW弹性导体。当浸涂次数为4的BWY-Ag NW(BWY-Ag NW(4))具有最宽的平均灵敏系数和电阻变化与应变之间的线性区间(~60%)。其在电阻式应变传感器应用方面展现出了极高的灵敏度(灵敏系数最高可达50,最小检测应变为0.1%和1 rad/m),较短的响应时间(蠕变时间<1s,响应时间<150ms),较大的检测范围(0-60%,-110rad/m-110rad/m),在小应变范围内具有好的重复稳定性以及在空气室温条件下具有极好的抗氧化稳定性。
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