摘要
高性能的柔性压力传感器因其在可穿戴电子设备、健康监测、人机交互、柔性机器人等领域的潜在应用引起了广泛的关注。然而，大多数用于提升传感性能的微观结构既需要复杂的制备工艺，又需要较高的生产成本。此外，这些传感材料不能完全降解，容易造成“电子污染”。因此，使用简易、低成本的方式制备环境友好的高性能应用型压力传感器件是当前研究工作的重点。本文选择新型二维材料MXene（Ti3C2Tx）和绿色环保的纳米纤维素（细菌纤维素、纤维素纳米纤维）为原材料，在确保传感材料可降解的基础上，以其微观结构的设计为切入点，研究材料结构对器件性能的调控作用，并探索压阻传感器件在高性能传感领域的潜在应用。 论文的主要研究内容如下： 1.利用HCl/LiF刻蚀法制备MXene纳米片胶体溶液。通过调整原料配比、反应温度、刻蚀时间等实验条件，进一步优化实验方案，制备产率高、质量佳的单层或少层MXene纳米片材料。 2.利用不导电的细菌纤维素插层 MXene 纳米片的方式构建立体式隔离层结构，增大电阻的调制空间，达成提升器件灵敏度的目的。利用真空抽滤制备细菌纤维素插层的 MXene 薄膜，并以普通纸张为基板、铜胶带为电极组装纸基柔性压阻传感器。得到的器件传感性能良好，且能对人体生理信号进行监测。作为声音探测器时，还可以通过监测喉部肌肉运动对人体语音进行采集识别，为解决发音障碍问题提供了方法。此外，该器件能够模拟耳膜的工作原理，感知声音传递引起的空气压力波，对自然声进行探测分辨。本工作还探索了该器件在声音可视化技术中的应用，以实现对声音形态的捕捉和呈现。 3.在使用纤维素插层纳米片构建立体隔离层结构的基础上，使用水合肼诱导的发泡法处理混合薄膜，制备三维多孔泡沫结构，进一步增大材料的电阻调制空间，达到优化器件传感性能的目的。制得的MXene/纤维素纳米纤维泡沫压阻传感器展现出优越的综合传感性能：高灵敏度和较宽的线性区间（0.0~8.04 kPa: 419.7 kPa-1；8.04~20.55 kPa:649.3 kPa-1）、低探测极限（4.0 Pa）、快速响应/恢复时间（123.0/139.0 ms）、良好的稳定性（一万次循环）。该器件能够监测人体运动、探测声波和区分微小的谷物颗粒，同时还可以作为电路保护装置、无线蓝牙潜在危险探测装置、纸基电子器件在日常生活中发挥作用。此外，MXene/纤维素纳米纤维泡沫具有在低浓度H2O2溶液中完全降解的特性，满足可持续发展的需求。
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