摘要
可穿戴设备是一种能够直接贴合于人体并且能通过数据交互等手段实现强大功能的便携设备，其中应变传感器作为可穿戴设备中不可或缺的组成部分，同样得到了快速的发展，但同时也面临着一些前所未有的挑战。传统的应变传感器大多是基于石墨烯、金属材料、碳纳米管等导电材料，这类导电材料导致传感器出现制造成本高、脆性大、柔韧性差等缺点，一定程度上限制了传感器的广泛应用和深入发展。传统的应变传感器大多是基于石墨烯、金属材料、碳纳米管等导电材料，这类导电材料导致传感器出现制造成本高、脆性大、柔韧性差等缺点，一定程度上限制了传感器的广泛应用和深入发展。 本论文针对现有导电填料普遍成本高以及传统传感器性能缺陷的现实，以价格低廉且容易获得的生物质基作为研究材料，通过简单的高温处理以及后续封装，制备了系列可穿戴柔性应变传感器，探讨分析了此类应变传感器的结构与性能，并展示了其在监测人体身体活动方面的应用。主要研究内容和结果如下: （1）以废弃的核桃壳为原料，通过高温热解处理获得具有导电性的碳化核桃壳粉末（CWSP），利用TGA和FTIR表征其热稳定性和结构。将CWSP与聚二甲基硅氧烷（PDMS）共混后用PDMS进行封装，制备出CWSP/PDMS应变传感器。采用自主搭建的测试系统对传感器的传感性能进行探讨分析，发现相对电流变化率（RCV）随着施加应变的增加而增加。在固定应变下对其进行循环加载/释放测试，显示出良好的响应与耐久性。 （2）经过冷冻干燥、高温碳化两个简单的过程，将农业废弃物向日葵茎芯转化成为具有片状结构的导电薄膜，然后用PDMS弹性体基质封装获得柔性应变传感器。基于碳化向日葵杆芯（CSFC）特有的导电网络结构，该传感器在拉伸过程中具有出色的稳定性、较宽的应变范围（0.5％～100％）以及较高的灵敏度（GF=48.1）。在压缩过程中，该传感器也显示出优异的耐久性。此传感器的电流变化与频率之间具有良好的独立性。 （3）对粒径分别为25μm、50μm、和90μm的α-纤维素（AC）进行热解处理得到碳化α-纤维素（CAC）材料。采用PDMS弹性体对其进行封装，成功制备出PDMS@CAC柔性应变传感器。PDMS@CAC传感器除具有较低的检出限（0.05％）、出色的稳定性以外，还具有很好的透气性，这对于可贴附皮肤的传感器来说具有重要意义。 利用核桃壳等生物质基材料，通过简单的高温碳化以及与弹性体封装制备出柔性应变传感器，此类传感器具有出色的传感性能，能够准确的监测人体活动，包括较大的关节活动（膝盖、手腕、手肘）以及微弱的面部表情（眨眼、微笑）。上述研究工作在可穿戴设备领域具有潜在的应用前景。
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