【摘 要】
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柔性应变传感器在人造电子皮肤和生物医疗等领域具有广泛的应用前景。应变敏感材料是应变传感器的关键组成部分。在实际研究过程中,制备兼具高灵敏度、宽检测范围的柔性应变传感复合材料一直是应变传感领域的重要挑战。二维导电纳米材料具有良好的柔性,优异的导电性和机械性能,是理想的柔性应变敏感材料。本论文以二维导电纳米材料（石墨烯或MXene）作为活性敏感材料,进一步与柔性的醋酸纤维（CAF）和聚氨酯（PU）纤维
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柔性应变传感器在人造电子皮肤和生物医疗等领域具有广泛的应用前景。应变敏感材料是应变传感器的关键组成部分。在实际研究过程中,制备兼具高灵敏度、宽检测范围的柔性应变传感复合材料一直是应变传感领域的重要挑战。二维导电纳米材料具有良好的柔性,优异的导电性和机械性能,是理想的柔性应变敏感材料。本论文以二维导电纳米材料（石墨烯或MXene）作为活性敏感材料,进一步与柔性的醋酸纤维（CAF）和聚氨酯（PU）纤维进行复合获得柔性导电传感材料。通过控制纤维束的空间排布以及构建微结构化的导电纤维网络结构,设计并制备了高灵敏度柔性应变传感复合材料。系统研究了传感层的微观结构对传感性能的影响,研究结果如下:（1）将具有良好导电性的还原石墨烯（RGO）纳米片组装到CAF纤维束表面,成功制备了柔性CAF/RGO复合纤维阵列。研究结果表明CAF/RGO复合纤维阵列的力学传感性能与纤维的阵列结构和本征的卷曲性密切相关。在拉伸形变下,垂直于应变轴的纤维阵列随着形变的增加而分离,纤维之间的接触面积减小,从而使得垂直于阵列方向的相对电导变化发生显著变化;同时纤维本征的卷曲结构能够保证CAF/RGO纤维阵列在较大的拉伸形变下（75%）依然保持结构完整。CAF/RGO复合纤维阵列对多种形变都具有良好的电学响应,表现出高的灵敏度（应变系数=-25）,低的检测限（拉伸形变:0.05%;压力:2 Pa;振动:振幅8μm）、较宽的传感范围（拉伸形变:0-75%;压力:2 Pa-36 k Pa）和良好的循环稳定性。同时,该纤维阵列对复杂的肢体活动和微弱的生理信号也很敏感,如关节活动、呼吸和脉搏等。（2）为了进一步提高复合材料的传感性能,我们结合静电纺丝和组装技术制备了具有良好弹性和导电性的MXene/PU纤维膜;通过预拉伸-断裂拉伸手段在纤维膜表面的MXene层引入了褶皱或裂纹结构,进一步改善传感性能。研究结果表明纤维膜的多孔网络结构和MXene表面的褶皱结构可以缓冲形变;同时MXene层的缺陷结构作为机械薄弱点,对应变非常敏感,从而使MXene/PU导电纤维膜表现出优异的综合应变传感性能。研究发现通过调控预拉伸-断裂拉伸形变量可以实现对应变传感范围和灵敏度的有效调控。该MXene/PU导电纤维膜对各种形变,如拉伸、压缩、弯曲、振动都具有良好的传感响应。拉伸形变的灵敏度达1000,传感范围可达120%。
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