用于电阻式柔性应变传感器的导电聚合物复合材料研究进展

作为物联网的触角,传感器迎来了新的发展机遇。而随着可穿戴行业的发展,电阻式柔性应变传感器在人体穿戴实时监测、机器人仿生皮肤、医学健康跟踪、运动肢体捕捉以及生产振动检测等领域展现出广阔的应用前景。聚合物导电复合材料是电阻式柔性应变传感器最常用的应变传感核心材料,具有柔性好、应变检测范围大以及成本低的优势。但现有的基于聚合物导电复合材料的传感器普遍存在迟滞明显、线性度低、导电网络稳定性差的缺点,此外对于某些复合材料在应变过程中的导电机理阐释也存在缺陷。因此,近年来诸多学者从聚合物导电复合材料导电机理、不同导电填料的特性、聚合物本身特性以及不同的制备工艺等方面开展了大量的研究工作。在解释聚合物导电复合材料的导电机理方面,目前多采用渗流理论解释其导电过程。目前聚合物导电复合材料所用的导电填料主要分为碳系导电填料和金属系导电填料两大类,由于碳系导电填料的导电稳定性好、价格低,是目前使用的主流。而目前使用的聚合物基体主要分为硅橡胶、天然橡胶以及聚氨酯三大类,硅橡胶主要用于小应变、高灵敏度传感器,天然橡胶主要用于大应变传感器。而聚合物导电复合材料的制备工艺主要分为填充式、夹心式、吸附式三种,填充式的传感器应变范围较大,而夹心式和吸附式传感器应变范围相对较小。本文对聚合物导电复合材料的导电机理、导电填料、聚合物基体以及不同制备工艺进行了归纳和分析,并展望了柔性应变传感用聚合物导电复合材料今后可能的研究热点和发展趋势。     

MXenes在柔性力敏传感器中的应用研究进展

随着可穿戴柔性电子技术的发展, 高灵敏度和宽感应范围的柔性力敏传感器的需求量逐渐增大, 如何选择兼具高导电性和良好柔性的材料作为传感器的敏感材料是获得高性能传感器的关键。近年来, MXene材料因其导电性好、柔韧性高、亲水性好以及合成可控等优点成为一种极具潜力的导电敏感材料。本文就MXene基柔性力敏传感器的类型、敏感材料的微结构设计方式、传感性能及传感机理等方面的研究进展进行了阐述和总结。     

导电橡胶复合材料压力传感特性研究

基于填充型导电高分子柔性复合材料压阻效应,研究导电橡胶压力传感过程中的特殊性能。确定了实验材料与合成工艺,实验室制备出了炭黑填充型导电硅橡胶柔性复合材料,研究了复合材料压力传感特性主要影响因素。分别采用气相法和液相法对炭黑粒子进行表面氧化改性,可有效提高炭黑在基体材料中的分散性,从而改善和提高压力传感性能。双组分基体材料压阻特性优于单组分材料,粘度越大,压阻特性越好,压力传感过程中的电阻弛豫时间越短,电阻迟滞特性系数越小。炭黑与多壁碳纳米管并用,可增强复合材料力敏效应,提高复合材料压力传感性能。     

基于石墨烯/聚合物的柔性力敏材料研究进展

石墨烯(G)作为一种性能优异的二维纳米材料,其高电导率、灵活性为柔性力敏材料的发展打下了坚实基础,G/聚合物复合材料可用作高弹性和高灵敏度的柔性传感器。文中从材料结构角度归纳G/聚合物柔性力敏材料的研究进展,总结了逾渗导电网络结构、层状结构、网状G填充柔性基体和G填充于网状聚氨酯海绵结构等多种不同结构类型的柔性力敏材料,并对材料结构与形态、机电性能及应用进行了相应的表征和分析,最后展望了G/聚合物柔性力敏材料领域的挑战与发展趋势。     

聚合物/MXene柔性力敏材料制备及应用研究进展

MXene作为一种新型的二维纳米材料,拥有优良的导电性,在柔性力敏材料领域有广泛的应用前景。为了构筑柔性力敏材料,通常将MXene与柔性聚合物或多孔聚合物相结合,从而实现柔性及大形变。柔性力敏材料中,MXene的分布、导电网络结构与形态由制备方法决定,进而决定传感器的类型和应用类型及场合。文中从MXene柔性力敏材料的制备策略角度出发,总结了浸渍法、喷涂法、真空过滤法、冰模板法及其它方法对MXene柔性力敏材料性能的影响,同时归纳了MXene柔性力敏材料在生理信号、细微人体动作、关节运动信号监测以及对信号进行示踪等方面的应用进展。     

聚乙烯醇导电水凝胶增强剂的研究进展

聚乙烯醇是一种应用极为广泛的水溶性材料，能过通过交联形成水凝胶。聚乙烯醇导电水凝胶具有良好的亲水性、生物可降解性、生物相容性、高结晶性和与纳米纤维素混合的可行性。聚乙烯醇导电水凝胶同时也具有较好的导电性，使得其在生物医学、柔性传感等领域具有广泛的应用前景。综述了聚乙烯醇导电水凝胶在柔性传感领域的最新发展，重点了介绍了导电填料和增强剂，包括聚合物多交联、纳米复合材料、甘油及乙二醇。进一步介绍了此类水凝胶的力学性能和电性能。最后，讨论了聚乙烯醇水凝胶在柔性传感领域面临的挑战和未来展望。     

聚合物基柔性导电应力应变复合材料的研究进展EI北大核心CSCD

柔性导电应力应变材料具有优异的拉伸性、导电性,在传感器、可折叠电子设备等方面有广泛的应用,其中聚合物基柔性导电应力应变材料因制备方法简单且性能优异而受到广泛的关注。文中综述了应用于应力应变传感方面的聚合物基柔性导体的制备方法的研究进展,包括直接混合法、表面改性法、喷涂打印法和渗透填充法以及表征手段,并总结了该领域存在的问题,展望了该领域今后的研究方向。     

聚合物基柔性导电应力应变复合材料的研究进展

柔性导电应力应变材料具有优异的拉伸性、导电性,在传感器、可折叠电子设备等方面有广泛的应用,其中聚合物基柔性导电应力应变材料因制备方法简单且性能优异而受到广泛的关注。文中综述了应用于应力应变传感方面的聚合物基柔性导体的制备方法的研究进展,包括直接混合法、表面改性法、喷涂打印法和渗透填充法以及表征手段,并总结了该领域存在的问题,展望了该领域今后的研究方向。     

不同制备工艺对硅橡胶智能复合材料应变传感肩峰现象研究

导电聚合物复合材料通常使用弹性体作为应变传感材料的基体。然而，弹性聚合物复合材料在电阻-应变响应性能中通常表现出肩峰现象，从而限制应变传感材料的应用。以消除肩峰现象为目的，分别采用机械共混法与溶液共混法制备出多壁碳纳米管(MWCNT)/甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)导电纳米复合材料，研究不同制备工艺对复合材料微观形貌、导电性能、应变传感性能的影响。结果表明：机械共混法制备出的复合材料，渗流阈值更低、灵敏度更高，电阻响应信号更加稳定，即使在2 500次循环加载-卸载过程保持良好的稳定性及重复性，没有出现肩峰现象，同时解释了肩峰现象的机理。明确了该应变传感器具有对大变形隔震支座进行实时应变监测的潜力。     

碳系填料对聚氨酯弹性体导电性能的影响

为改善柔性传感器基体材料的力传感性能,利用物理共混的方式将碳系填料(乙炔炭黑、超导炭黑、碳纳米管、纳米石墨)填充到聚醚型聚氨酯预聚体中,经过扩链、硫化形成导电聚氨酯弹性体。分析了碳系填料在基体中的分布情况,测试了导电聚氨酯弹性体的渗滤阈值、压阻特性及压阻范围,讨论了导电聚氨酯弹性体的迟滞性与弛豫性。研究表明,乙炔炭黑在基体中分散性最好;超导炭黑填充型导电聚氨酯弹性体的导电性能与电阻弛豫性最好;纳米石墨填充型导电聚氨酯弹性体的压阻范围最小;乙炔炭黑填充型导电聚氨酯弹性体电阻迟滞性最优。     

填充复合型导电高分子材料导电机理及导电性能影响因素研究概况

采用渗流理论、量子力学隧道效应理论和场致发射效应等理论,对填充复合型导电高分子材料的导电机理进行了分析介绍;从聚合物的结构、导电填料的种类、性能、用量、复合材料制备方法、加工及使用条件等因素,分析了影响填充复合型导电高分子材料导电性能的主要因素.     

柔性可穿戴电子应变传感器的研究进展

柔性可穿戴电子应变传感器因可承受力学形变、质轻及实时监测等优点，是柔性电子领域的研究热点之一，本文从材料选择、器件结构、传感原理、疲劳失效及数值模拟等方面进行了综述。应变传感器的力电转化效率与寿命从本质上取决于导电网络演变和功能层/基底界面，需综合衡量材料的导电性和浸润性等属性，提高其传感性能。功能层结构分为螺旋、褶皱、编织、多孔及仿生五类。传感原理包括压阻、电容及压电式，其中压阻式分为断开机制、裂纹扩展及量子隧道效应。疲劳特性研究表明，交变应力会导致功能层屈曲、开裂及脱落。利用官能团改性、构建三维自交联阵列、引入拓扑结构及形成有序纳米晶畴可改善器件服役行为。疲劳失效模型归纳为拉、弯及扭转形式，在此基础上讨论了模型建立原则、力学本构关系及寿命预测精度。结合数值模拟和应变传递理论构建等效导电路径模型可揭示传感过程中的形态变化、应变分布及界面作用，实现对外界刺激的精准测量。下一步应从基底热力学稳定性、极端条件下服役行为、力电转换机制及穿戴舒适性等方面深入探究，为构建综合性能良好的传感器奠定基础。     

厚膜电阻材料的物化特性对钌系厚膜电阻应变系数的影响

通过对厚膜电阻导电相、玻璃相的粒径控制、粒径比搭配以及在导电相、玻璃相中掺杂,研制成一种厚膜力敏电阻浆料,其应变系数GF可达15～17、工作温度可达150℃.介绍了厚膜力敏应变系数的测量方法,研究了厚膜电阻材料的物化特性对钌系厚膜电阻应变系数的影响,探讨了提高应变系数的技术途径,同时,对其导电机理作了简要的阐述.     

力敏导电橡胶中的应变和压阻效应及工作原理分析

分析了应变和压阻效应对"负压力-电阻特性"(NPC)的影啊程度,揭示出力敏导电橡胶的工作原理.当填料用量处在渗流区中心时,电阻率的减小在NPC效应中占主导,导电橡胶的工作原理主要为压阻效应.随着填料用量的增多,电阻几何系数的减小在NPC效应中起主导,其工作原理主要为应变效应.在某一特定填料用量范围,力敏导电橡胶的工作原...     

柔性生物电传感技术

生物电信号作为监测人体健康的关键特征信号具有重要意义,因此人们一直在不断地探索和改进生物电信号传感技术。随着可穿戴电子技术的不断发展,传统的生物电传感设备在生物相容性、可穿戴性、便携性、制作成本等方面的问题也越来越突出,已很难满足当前的应用需求。近年来,新型柔性生物电传感设备迅速发展,相比于传统的生物电传感设备,柔性传感设备具有可拉伸性好、便携性强、体积小、成本低、皮肤接触界面更加稳定等巨大优势,为生物电传感技术带来了革命性的变化。由于柔性材料大多是绝缘的且与金属的结合力较差,因此出现了亟待解决的新问题,例如柔性基底材料和导电材料的选型问题、电极的设计和加工问题等。另外,生物电监测易受噪声干扰,因此减小其运动伪影、延长有效监测时间、提高生物相容性、提高信号采集质量也是柔性生物电传感器件的主要研究热点。电极是柔性传感设备重要的组成单元,生物电检测电极的质量决定了生物电传感器的检测灵敏度、信号质量、使用寿命等。如今已经取得较好效果的柔性生物电检测电极主要有金属纳米线电极、柔性导电复合物电极等。其制备方法主要是:(1)在柔性材料中掺杂金、银、碳纳米管等导电材料来使其具有导电性能,再对结构和形状进行加工;(2)在柔性衬底上沉积或电镀导电材料,再对导电材料进行图案化加工等。制备工艺主要包含光刻、蒸镀、气相沉积、键合、喷涂、滴铸、旋涂、浸涂和真空过滤等。本文归纳了柔性生物电传感技术的研究进展,对柔性生物电传感器的组成单元和工作原理、柔性基底材料的选择、柔性生物电监测电极的制备方法进行了论述,并对柔性生物电传感技术在心电、脑电、肌电、眼电等监测方面的应用进行概述,分析了柔性生物电传感技术面临的问题并展望其前景,以期为柔性传感技术在生物电监测方面的进一步发展提供参考。     

基于微结构的柔性压力传感器设计、制备及性能

随着科技的快速发展,电子皮肤和柔性可穿戴设备由于在人体运动、健康监测、智能机器人等领域具有重要应用而引起了人们广泛的关注。传统的基于贵金属或金属氧化物半导体的压力传感器成本高、柔韧性差,而新型的基于微结构的柔性压力传感器具有灵敏度高、应变范围宽、低成本、低功耗、响应速度快等优势,在电子皮肤和柔性可穿戴设备等方面发挥重要作用,成为当前柔性电子材料与器件主要研究热点之一。本文系统总结了近年来颇受关注的基于金字塔形、微球形、微柱形、仿生结构、褶皱等不同柔性基底微结构和多孔导电聚合物材料的柔性压力传感器在材料选择、结构设计、制备方法、传感性能等方面取得的重要进展,并对柔性压力传感器的未来发展进行了展望。      

碳纳米管导电网络结构对复合材料拉伸变形的响应性

基于碳纳米管(CNT)优异的导电能力和聚氨酯(PU)弹性体的大变形特性,原位聚合制备CNT/PU复合材料,并研究其在拉伸变形过程中CNT网络结构的演变,及其电学性能对拉伸应变的响应敏感性。结果表明,CNT/PU复合材料具有显著的电阻-应变响应敏感性,其在大应变范围(0～200%)内电阻率变化高达6个数量级以上,这与CNT导电网络在拉伸过程中的结构演变密切相关。复合材料在拉伸过程中的体积膨胀使得CNT体积分数随应变的增加而逐渐降低,当CNT含量低于渗流阈值时,CNT网络呈断开状态并导致复合材料电阻的急剧增加;此外,CNT含量对复合材料电阻-应变响应敏感性也有显著影响。CNT/PU复合材料电阻对拉伸应变的响应敏感性使得该材料可望应用于结构诊断、应变传感、安全监控、智能材料与结构系统等领域。     

基于取向结构的聚合物基柔性力敏材料的研究进展

柔性力敏材料是可穿戴材料领域的重要基础材料。与未取向的复合材料相比,具有取向结构的柔性力敏材料拥有更加优异的电学、力敏性及力学性能。文中从制备方法的角度归纳了具有取向结构聚合物基柔性力敏材料的研究进展,包括阵列结构与柔性聚合物复合、静电纺丝法、定向冷冻法及电场取向等,并从形态、结构及电学、灵敏性和力学性能方面对取向结构进行了表征,最后展望了具有取向结构的柔性力敏材料的发展趋势。     

聚合物基柔性导电复合材料的制备和研究进展

柔性可穿戴电子器件的研制是未来科技发展的方向之一,柔性导电材料是可穿戴电子器件的重要支撑材料。由于聚合物具有优异的柔性,由聚合物基导电复合材料制备柔性导体是一种重要的途径和方式。文中从制备和表征方法方面归纳了聚合物基柔性导电复合材料的研究进展,重点阐述了实现柔性导体的关键因素,即聚合物优异高弹性的保持和可拉伸的稳定的导电网络的实现,详细介绍了简易地利用高弹性基体和纳米填料的直接共混法和目前应用较多的结构可拉伸导体的设计与制备,并总结了目前研究中存在的问题。     

填充型聚合物基复合材料的导电和导热性能

研究了高密度聚乙烯为基体、炭黑和炭纤维为填料复合体系的导电和导热性能。发现当导电填料的含量达到渗流阈值时,复合材料的电导率急剧升高;而在渗流阈值附近,其热导率未出现突变。这表明电导渗流现象不完全是由导电粒子通过物理接触生成导电链所致。其导电机制是相当数量的导电粒子相互发生隧道效应。