| 题名 | 三维石墨烯和自修复聚合物基柔性传感器的设计、制备与性能应用 |
| 作者 | 吴献章 |
| 答辩日期 | 2020-05-28 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王金清 |
| 关键词 | 柔性传感器，三维石墨烯，氧化石墨烯液晶，自愈合聚合物，人体监测 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 三维石墨烯基压阻传感器和聚合物基应变传感器以其传感性能稳定、检测范 围宽和响应快速等特点而成为可穿戴电子设备的理想选择。但是，针对这两类柔 性传感器的研究及应用尚处于起步阶段，仍存在诸多亟待解决的关键科学问题。 本论文从氧化石墨烯液晶出发，通过复合生物质大分子葡甘露聚糖和碳纳米管制 备了结构长程有序、密度低和导电性高的三维石墨烯蜂窝状材料，并探究了三维 石墨烯基压阻传感器的传感性能及传感机制。随后，从三维石墨烯基压阻传感器 扩展到可拉伸、弯曲和扭曲的聚合物基柔性应变传感器，通过聚氨酯反应分别设 计并制备了在室温和低温条件下可快速自愈合的聚合物弹性体，系统研究了聚合 物基柔性应变传感器在特殊环境下的传感性能及自愈合机制。最后再从聚合物基 柔性应变传感器的单一传感功能扩展到多重传感功能，探究了传感活性材料和传 感阵列在受到外界刺激时内部结构的变化规律。论文主要研究内容和结果如下： 1. 利用水热自组装和高温退火过程将高取向性的氧化石墨烯液晶分别与葡 甘露聚糖和碳纳米管复合，成功制备了具有低密度（0.94~12.65 mg cm-3）和高弹 性（杨氏模量最高可达 14.3 kPa）的新型蜂窝状三维石墨烯材料（GO-KGM 和 GCNTs）。详细研究了葡甘露聚糖、碳纳米管和氧化石墨烯液晶浓度对GO-KGM 和 GCNTs 的形貌、力学性能和导电性能的影响。研究结果显示，GO-KGM 和 GCNTs 均具有高导电性、高压阻灵敏度和快速响应等特点；基于 GO-KGM 和 GCNTs 组装的压阻传感器能够对人类运动前后的脉搏进行实时监测，并可对手 指弯曲、喉结振动和颈动脉跳动等人体生理活动进行精确检测。 2. 通过交联键和分子链设计，制备了两种新型的室温自愈合弹性体（分别 命名为 PDMS-TDI-Al 和 P-TDI-IP）。在 PDMS-TDI-Al 弹性体中，较强的 Al 配 位键和较弱的四重氢键被引入到聚合网络中，用来调整材料的力学和自愈合性能。 四重氢键作为弱动态键可以有效地分散应变能，赋予弹性体优异的自愈合能力和 拉伸性；对于 P-TDI-IP 弹性体，聚四氢呋喃作为软单体段被引入聚合物网络中， 有效地避免弹性体发生微相分离，从而使聚合物分子链在室温下具有快速的链迁 移率。研究结果显示，PDMS-TDI-Al 和 P-TDI-IP 弹性体均具有高拉伸强度、优 异的拉伸性和室温自愈合能力（自愈合效率大于 90%）。基于PDMS-TDI-Al 和 三维石墨烯和自修复聚合物基柔性传感器的设计、制备与性能应用 II P-TDI-IP 弹性体组装的应变传感器可以对物理形变做出相应的响应，并可用于横 向拉伸传感。 3. 受二元协同交联机制的启发，将甲苯二异氰酸酯封端的聚丙二醇（PPG） 引入到改性聚二甲基硅氧烷（PDMS）骨架中，获得具有高动态特性的 PPG-PDMS 配体；随后将双氢键和锌配位键引入到 PPG-PDMS 配体中，制备得到具有高韧 性和低温快速自愈合能力的 PPG-PDMS-Zn 超分子弹性体。在该聚合物体系中， 交联键特性结合长链段 PPG，可以有效地降低聚合物网络的交联密度，避免了弹 性体基体发生微相分离，从而显著提高弹性体在低温下的分子链迁移速率。制备 得到的PPG-PDMS-Zn 弹性体在-20℃下自愈合 8 h 后的自愈合效率高达 97%，拉 伸强度高达0.98 MPa。而且，基于PPG-PDMS-Zn 弹性体支撑的银薄膜制备了一 种可拉伸和低温自愈合的柔性应变传感器，其可用于实时监测各种人体生理活动。 4. 将具有自愈合能力的 P-TDI-IP 弹性作体为触觉传感器的基底材料、商用 牙刷毛作为传感阵列，设计并构建了一种灵活、多功能和可自愈合的触觉传感器。 所组装的触觉传感器具有优异的自愈合能力（6 h 后的愈合效率为96%））和良好 的拉伸性能（拉伸率为 1200%）。该传感器可检测多重触觉刺激，包括压缩和剪 切。此外，该传感器还表现出高的灵敏度（压缩时S=3.32 kPa-1、剪切时GF=2.82）、 良好的循环稳定性（3000 次循环）、快速响应（25 ms）和低检测限（低至 5 Pa） 等特性，因此其具有区分物体粗糙度、硬度和实时监测人体运动的能力。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/27331]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吴献章. 三维石墨烯和自修复聚合物基柔性传感器的设计、制备与性能应用[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
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