摘要
柔性、高灵敏度传感器由于其广阔的应用前景而受到关注，如运动监测、电子皮肤、生物传感器等方面。近年来，各种压力传感机制包括晶体管传感、电容传感、压电传感、摩擦电传感，特别是电阻传感，已经被发展用来构建敏感的柔性传感器。因此，随着柔性传感器的应用领域不断扩大，新型柔性传感器导电网络的构建及其传感机制的研究逐渐成为当前传感器材料开发与应用的热点。本论文以新型二维材料MXene（Ti3C2）为基础，围绕MXene基纳米复合材料的杂化改性、导电机理探究、传感性能与应用等的协同作用与相互影响展开研究，为MXene及其杂化材料在柔性传感器中的应用提供重要的理论与实践基础。 MXene作为一种新型的二维纳米材料，具有优异的电导率、高的力学性能以及大的比表面积，它在应用到聚合物复合材料中的机械柔韧性和电学性能之间的平衡方面仍然存在各种挑战。如何有效地制备功能性MXene/聚合物纳米复合材料，并充分赋予其高电导率、高柔韧性以及优异的力学性能，具有重要的研究价值。目前MXene材料多被应用于储能、催化和电磁材料等领域，在柔性传感器领域的研究工作较少。因此，研究新材料MXene在柔性传感器领域的应用并探究其传感作用机制，不仅有利于拓宽MXene材料的应用范围，并且可以进一步发展可穿戴电子设备的应用，也为解决柔性传感器的关键技术问题提供了新的思路。 本文首先通过一种简单的、低成本的方法，制备了一种高导电性的聚氨酯（PU）海绵。以制造基于MXene/PU海绵的柔性、高灵敏度和多用途压力传感平台，用于人体运动检测应用。经过三次浸渍干燥以后，导电海绵的体积电阻率可以达到（60±5）Ω·cm。MXene与PU之间的氢键作用，大大提高了MXene的粘附稳定性。通过预压缩得到的蜘蛛感测系统激发的微裂纹连接传感机制与MXene/PU导电骨架的压缩接触相结合，使MXene/PU海绵具有高灵敏度和监测超小型和大运动的能力。基于MXene/PU的压力传感器表现出优异的灵敏度、低于0.1%的检测极限、小于50ms的快速响应时间以及超500次的循环稳定性。利用这一高度灵敏和多功能的压力传感平台，能有效地检测手指、肘部和膝关节等多种接触或非接触运动，可以实时监测各种人体活动。 其次，通过溶液共混法制备了Ti3C2/CB杂化物，采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对炭黑（CB）进行改性，PVP的引入可以有效改善CB在水中的分散。随PVP含量的提高，改性CB干燥后的膜越致密，CB∶PVP=5∶1的质量比改性效果最好，孔隙率最高。然后将制备的MXene分散液和改性CB分散液混合组装，两种纳米材料的杂化可以相互削弱团聚作用，当质量比MXene∶CB=1∶1时杂化材料的导电性最佳。这种杂化材料可用笔书写，可印刷，将Ti3C2/CB杂化物直接封装在笔芯中书写或印刷，形成的涂层具有较好的导电性以及一定的弯曲传感能力，电阻率可以达到（95±5）Ω·cm。为进一步提高Ti3C2/CB杂化材料的传感性能，将其作为导电填料与水性聚氨酯（WPU）复合，设计了一种水性组装系统，以产生具有高空隙的导电薄膜，采用水蒸发诱导将Ti3C2/CB杂化物组装在聚合物衬底上，制备了层状堆积结构的Ti3C2/CB/WPU复合材料。这种水性组装系统可以在WPU表面产生具有高空隙的导电层，使薄膜具有良好的电导，保持薄膜的柔韧性以及有效提升WPU的力学性能，结果表明，随着导电杂化物含量的提升，复合材料的拉伸强度提高，但断裂伸长率减小，表面的电阻率为（1000±50）Ω·cm。将层层组装的Ti3C2/CB/WPU复合材料制备成柔性弯曲传感器，具有较高的弯曲灵敏度（S=0.63Rad-1）、宽的检测范围（0-180°）、低的检测极限（小于0.1%）、较快的响应时间（~142ms）以及较好的稳定性和循环重复性，可进行人体关节运动和生理活动等检测，有望应用于智能机器人系统、电子皮肤和运动检测等领域。
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