摘要
随着智能产品在人们日常生活中越来越普及，用于监测人类生理健康和日常活动的柔性和可穿戴电子产品近年来受到越来越多的关注。开发出具有多功能、高灵敏度、快速响应、低成本的柔性压力传感器在医疗卫生、运动健康监测和人机交互等方面都具有重要的现实意义。 本文以制备高灵敏度、能快速响应的高性能柔性压电传感器为研究目的，以无机压电材料锆钛酸钡钙(Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3，简称BZT-0.5BCT)为填料和有机压电材料聚偏氟乙烯(PVDF)进行复合制备复合纳米纤维柔性压电传感器。然而，通常无机/有机复合压电薄膜存在结晶性能差，压电性能低，其制备的压电传感器的传感性能差等问题。在此，通过对静电纺丝工艺的探索，和引入无机压电材料锆钛酸钡钙(BZT-0.5BCT)与PVDF基体按不同比例复合，改善PVDF基体的压电性能。采用静电纺丝技术制备一系列纯PVDF纳米纤维和BZT-0.5BCT/PVDF复合纳米纤维，并以此压电纳米纤维制备具有叉指电极结构的可穿戴柔性压电传感器。本论文的主要工作和创新成果如下： (1)采用静电纺丝的方法制备了不同纺丝电压和不同滚筒转速下的PVDF纳米纤维，并制备不同滚筒转速下的PVDF纳米纤维柔性压电传感器。研究发现：纺丝电压和滚筒转速对PVDF纳米纤维的结晶性能和压电β相的相对含量都起到了积极的促进作用，压电β相含量可达82.83%。传感器输出电压最高达到2.236V，灵敏度最高可达到0.9609V/N，响应时间为100ms，最低检测限≤2.5mg，并且在600s内的循环冲击测试中依旧能够保持其高的稳定的电压输出。并且对人体肢体弯曲和呼吸行为显示出极高敏感性，具备实时监测如手指弯曲、区别不同呼吸模式等运动与生理信号的能力。 (2)用静电纺丝的方法制备了含不同质量分数的BZT-0.5BCT纳米颗粒的BZT-0.5BCT/PVDF复合压电纳米纤维，并制备了复合纳米纤维柔性压电传感器。研究结果表明：BZT-0.5BCT的加入促进了PVDF基复合纳米纤维的结晶性能，提升了压电β相的含量，当BZT-0.5BCT纳米颗粒含量为20wt%时，PVDF压电β相含量高达92.1%。此时传感器输出电压也最高达到6.3699V，灵敏度最高可达到2.8174V/N，响应时间为50ms，并且在600s内的循环冲击测试中依旧能够保持其高的稳定的电压输出。相比于纯PVDF纳米纤维传感器，该PVDF基复合纳米纤维传感器的灵敏度和最高输出电压提高3倍，响应时间缩短了一半。并且对人体肢体弯曲和呼吸行为显示出更高敏感性，具备实时监测如手指弯曲、区别不同呼吸模式等运动与生理信号的能力，在医疗健康、疾病诊断和运动检测等可穿戴设备的领域具有极大的应用前景和发展潜力。
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