摘要
可穿戴柔性传感器由于其具有极佳的柔软性、高灵敏度、宽应变传感范围、优异的机械稳定性等特点，被广泛应用于人体运动监测、软体机器人、工业和军事等领域。未来可穿戴柔性应变传感器将不断拓展其应用领域，与个性化健康监测、物联网、生物芯片、人机交互、大数据等新兴产业进行融合创新。为实现其多领域的技术融合和应用，未来可穿戴式柔性电子应变传感器需要攻关的技术难题不再局限于柔性器件本身的超灵敏、宽应变传感范围等传感性能的升级突破，还需要具备在多维方向（二维及三维）应变传感的功能。 为突破传统传感器在三维微传感应用中的限制，实现全方位应变传感能力。基于导向结构对应力的引导作用以及柔性基底发生纵向应变时会产生横向泊松位移的特性，本文提出了一种具有“导向结构-泊松”（GSP）裂纹的MXene/MWCNT可穿戴式柔性应变传感器仿生构筑策略，该传感器可灵敏地感知弯曲形变和区分弯曲方向，同时适用于多维应变传感及三维微应变传感。基于导向结构-泊松效应协同作用产生的可调宽度GSP裂纹对控制传感器灵敏度提供了一种简便的方法，通过对GSP裂纹可穿戴式柔性应变传感器的3D形貌和电学性能分析，阐明GSP裂纹与传感机理的关联性规律，并揭示了传感器适用于多维传感以及三维微应变传感的内在机制。 论文研究的主要内容如下： （1）仿生构筑具有“导向结构-泊松”裂纹的柔性应变传感器。通过模板法，以双组份室温固化PDMS为基底材料，制备了仿生竹叶导向性三维结构的基底；在一定预拉伸量的仿生竹叶结构柔性基底表面，以Layer-by-Layer方式循环喷涂MWCNT与MXene悬浮液，基底与导电层通过(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)键合，预拉伸赋予了传感器初始泊松位移量，在传感器预拉伸回缩过程中，横向位移通过仿生基底平行脊状导向结构的应力引导作用，在传感器表面沿导向结构底部附近产生了平行于拉伸方向且具有一定宽度的相对规则平行裂纹，通过FEA模拟证实了GSP裂纹的产生的原因。 （2）提出了预拉升量、泊松位移量与GSP裂纹宽度三者之间关系：单位宽度（w）泊松比为ν的PDMS材料在执行纵向应变为εy的拉伸过程时（其纵向位移量为Δy），发现同时产生相应的横向应变εx（横向泊松位移量为Δx1）；泊松位移量（Δx1）约等于产生的n条“导向结构-泊松”裂纹宽度（Δx2）加和。当纵向应变εy确定时，泊松位移量（Δx1）和GSP裂纹宽度Δx2具有关联性。在单位宽度内，当脊越密集时，产生的GSP裂纹数目（n）增多，则GSP裂纹宽度Δx2减小；随着预拉伸量增大，泊松位移量增大，GSP裂纹宽度也增大。通过控制预拉伸量的大小可以制备不同宽度的GSP裂纹传感器，从而实现对灵敏度的调控。 （3）揭示了GSP裂纹传感器发生弯曲传感过程的内在机理。通过有限元模拟及电镜图，结果表明传感器通过X-Z向外/向内进行弯曲应变时，脊底部附近的导电层有最大位移，使GSP裂纹在发生X-Z向外/向内弯曲时能够快速扩张/闭合，进一步导致了CNT-CNT间分离程度迅速增大/减小；传感器发生Y-Z向外/向内弯曲时，表面不存在明显的宽范围应力集中区域，仅在微纳米结构周边有较大应力集中现象，此时导电层的主要运动过程表现为栅格区域内褶皱结构以及微纳米结构间的分离/挤压。通过进行X-Z/Y-Z弯曲应用测试以及人体弯曲应用测试，结果表明X-Z方向应用的传感器检测得到ΔR/R0平均峰值显著高于Y-Z方向应用的ΔR/R0平均峰值，验证了GSP传感器在实际应用中通过ΔR/R0值来区分不同弯曲方向的可行性。 （4）揭示了传感器适用于三维应变传感的内在机理。将传感器GSP裂纹处发生曲面压缩/膨胀过程分解为εxz、-εxz、εyz、–εxz四个方向的应变过程，当发生εxz，-εxz两方向应变时，GSP裂纹宽度增大，此时裂纹处的导电层发生Bulk/CNT之间的分离程度增大，从而极大促进了该方向电阻响应；在εyz、–εxz方向应变过程，则表现为褶皱结构之间的接触分离；传感器发生曲面应变过程可表现为XZ-YZ双方向的应变叠加，从而极大地增加了传感器对三维应变的传感能力。通过对人体微小应变部位的应用测试，结果表明GSP裂纹传感器可适用于监测人体的脉搏跳动、吞咽以及识别不同的语言信息等人体三维微应变过程；传感器可应用于监测气体膨胀、感知微量液体重力以及静水压力变化、识别不同密度的微量固体，表明了传感器在多维应变及三维微应变传感的适用性。
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