人工智能与机械电子论文提纲

论文题目：基于静电纺丝膜/聚苯胺的柔性压阻传感器的制备及其应用研究

摘要：随着现代信息技术的发展,人们对安全、可靠、方便的可穿戴电子设备的要求越来越高,可穿戴设备在能源供应、电荷存储、电子显示和信号检测等领域的应用受到广泛关注。在众多信号检测设备的研究中,能监测人体运动指标和脉搏参数的柔性压阻式压力传感器无疑是最有代表性的。压阻式压力传感器结构简单、精确度高、耐久性好,通过外部压力使器件结构发生形状改变,引起元件内部电子传导路径的变化,进而影响导电元件的整体电阻,因此,可以根据压力与电流（或电阻）的坐标对逐点绘制感应曲线找到二者的对应关系。在减小测试误差的前提下,柔性压阻式传感器还具有一定强度的机械性能和轻质性,在个体即时医疗检测和疾病早期预防等领域具有重要的研究价值。然而,目前柔性压力传感器还存在灵敏度低、线性工作范围小以及响应稳定性差等缺点,在许多具体应用中受到限制。研究者们通过开发各种新型三维结构来不断优化传感器的灵敏度和线性检测范围。比如,将活性材料加载到柔性多孔基材中,三维网络在外界压力作用下发生变形,输出信号随电子传导路径的变化而波动,这类传感器具有良好的机械变形能力。然而,多孔基材内部活性材料的均匀性得不到保证,设备误差较大,检测准确性不稳定。通过复制预先加工的具有特殊表面微结构的模板可实现微观结构向特定柔性基板的转移,再整理导电层以活化基底表面,可制备具有特殊表面的柔性压阻传感器。这种传感器具有较高的精度和良好的可靠性,但天然模板形貌单一且不可调控,人造模板的获取又可能导致较高的能耗和不可控的成本,难以实现产业化。另一方面,刺激性材料的添加容易引发生物安全问题,缺乏促进皮肤呼吸的有效渗透性极易引起各种皮肤反应,将便携式医用器件的安全隐患置于风口浪尖。通过制备高渗透性材料和减少设备厚度可缓解对皮肤的物理刺激,选择无毒、无害、亲肤的原材料能有效地减少对生物体的化学刺激,这些方案是解决柔性压阻式传感器安全性隐患和舒适性隐患的有效途径,为可穿戴电子设备的发展提供可靠的理论基础和技术支撑。本论文以静电纺丝网络为柔性基材,聚苯胺（polyaniline,PANI）为活性导电材料,生物多糖k-卡拉胶（k-carrageenan,KC）封装内置传感元件,设计和开发出三种不同结构的柔性压阻式传感器。三维多孔结构的精细构造对传感器的灵敏度和检测范围具有显著提升,纳米网络中内部孔隙的存在可以促进设备的透湿性,提高佩戴舒适性。生物多糖包封层具有良好的生物相容性、降解性和优异的机械性能,为柔性智能材料的安全性提供了新的选择。具体工作如下:1.三维骨架式压阻传感器的制备及应用研究本研究以丝素蛋白（silk fibroin,SF）、聚乳酸羟基乙酸共聚物（poly（lactic-coglycolic acid）,PLGA）、PANI为原料,通过混合静电纺丝的方法构建出三维骨架式三明治结构压阻传感器。通过对PANI浓度和KC交联剂的种类及浓度进行优化调控,发现PANI添加量为4 g时传感器件的综合性能最佳(灵敏度为2.54 k Pa-1)。另外,采用0.05 M浓度的Ca2+交联所得KC包封层的力学性能最好。该三维骨架式压阻传感器具有良好的透湿性,可用于检测人体关节运动和脉搏波动,且具有降解特性,符合绿色可持续发展的理念。2.微球网络式压阻传感器的制备及应用研究本研究以SF/PLGA（SP）的混合静电纺丝纤维为柔性基材,以PANI/Si O2（PS）导电微球为活性材料,通过间隔喷涂的方法构建出微球网络式三明治结构压阻传感器。对PS微球的尺寸和喷洒间隔时间进行优化调控,发现采用20μm粒径的Si O2制备的PS导电微球形貌最佳。在确定最佳尺寸的导电微球后,优化喷洒间隔时间,发现每5 mins向纺丝膜喷涂一次导电微球所制备的传感器综合性能最好(灵敏度为0.071 k Pa-1,检测范围为0-380 k Pa)。该微球网络式传感器由生物多糖KC包封,透湿性优异,可在90℃热水中降解或回收,能用于开发多种人工智能应用。3.皮芯纤维式压阻传感器的制备及应用研究本研究开发出低温气液界面聚合法,利用苯胺（aniline,ANI）单体的易挥发特性,在浸泡过引发剂和掺杂剂的静电纺丝纤维上实现PANI原位生长,制备皮芯导电纤维,并组装成三明治结构压阻传感器。通过对柔性基材进行优化选择,并采用甘油对PANI聚合程度进行调控,发现聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate,PET）作为纺丝基材进行聚合反应所制得的传感器性能最好,且通过40 wt%的甘油处理后再进行PANI原位聚合能最大程度地提升传感器灵敏度(10.62k Pa-1)。这种界面聚合法可极大程度地保持静电纺丝纤维膜的大孔径和高空间利用率,在不影响三维多孔结构的前提下赋予纤维导电性。所制备的传感器具有良好的渗透性和舒适性,能应用于呼吸检测和智能轨迹追踪等。综上所述,本论文基于静电纺丝工艺制备出具有三种不同结构的导电膜,并采用生物多糖KC包封,在保证透湿性、舒适性和安全性的前提下提升器件的传感性能。三维骨架式传感器具有较高的灵敏度和较宽的检测范围(2.54 k Pa-1,165.3 k Pa),微球网络式传感器能进一步扩大设备的检测范围（380 k Pa）,而皮芯纤维式传感器具有最高的灵敏度(10.62 k Pa-1)。所制备的三种传感器均能用于人体健康检测、语言加密传输和多种智能场景,本研究为传感器的结构设计提供了新的制备策略,所开发的传感器展现出良好的应用前景。

关键词：静电纺丝;压力传感器;聚苯胺;三维网络;可穿戴设备

学科专业：纺织科学与工程

摘要

Abstract

第1章 研究背景

1.1 可穿戴电子产品的发展及应用

1.1.1 可穿戴电子产品的发展

1.1.2 可穿戴电子产品的分类及应用

1.2 柔性压力传感器研究现状

1.2.1 概述

1.2.2 柔性压力传感器的分类及机理

1.3 柔性压阻式传感器的研究进展

1.3.1 柔性压阻传感器的特点

1.3.2 柔性压阻式传感器的研究现状及存在的问题

第2章 引言

2.1 研究目的与意义

2.2 研究内容

2.2.1 三维骨架式压阻传感器的制备及应用研究

2.2.2 微球网络式压阻传感器的制备及应用研究

2.2.3 皮芯纤维式压阻传感器的制备及应用研究

2.3 技术路线

第3章 三维骨架式压阻传感器的制备及应用研究

3.1 材料与仪器

3.1.1 实验材料

3.1.2 实验仪器

3.2 实验方法

3.2.1 三维骨架式压阻传感器的制备

3.2.2 三维骨架式压阻传感器的结构表征

3.2.3 三维骨架式压阻传感器的性能测试

3.3 结果与分析

3.3.1 PANI的相对分子质量

3.3.2 三维骨架式压阻传感器的表观形貌分析

3.3.3 三维骨架式压阻传感器的导电性分析

3.3.4 三维骨架式压阻传感器的结构成分分析

3.3.5 三维骨架式压阻传感器的力学性能分析

3.3.6 三维骨架式导电薄膜的亲疏水分析

3.3.7 三维骨架式压阻传感器的传感性能分析

3.3.8 三维骨架式压阻传感器的传感机理分析

3.3.9 不同方法制备的传感器与三维骨架式传感器的性能和结构对比

3.3.10 三维骨架式压阻传感器的应用

3.3.11 三维骨架式压阻传感器的透湿及降解分析

3.4 本章小结

第4章 微球网络式压阻传感器的制备及应用研究

4.1 材料与仪器

4.1.1 实验材料

4.1.2 实验仪器

4.2 实验方法

4.2.1 微球网络式压阻传感器的制备

4.2.2 微球网络式压阻传感器的结构表征

4.2.3 微球网络式压阻传感器的性能测试

4.3 结果与分析

4.3.1 基于PS微球制备的微球网络式压阻传感器的表观形貌

4.3.2 微球网络式压阻传感器的结构成分

4.3.3 PS微球尺寸对微球网络式压阻传感器力学性能的影响

4.3.4 PS微球尺寸对微球网络式压阻传感器传感性能的影响

4.3.5 喷洒间隔时间对微球网络式压阻传感器导电性的影响

4.3.6 喷洒间隔时间对微球网络式压阻传感器截面形貌的影响

4.3.7 喷洒间隔时间对微球网络式压阻传感器传感性能的影响

4.3.8 微球网络式压阻传感器的其他传感性能

4.3.9 不同方法制备的传感器与微球网络式传感器的性能和结构对比

4.3.10 微球网络式压阻传感器的传感机理

4.3.11 微球网络式压阻传感器的应用

4.3.12 微球网络式压阻传感器的透湿性及降解性能

4.4 本章小结

第5章 皮芯纤维式传感器的制备及应用研究

5.1 材料与仪器

5.1.1 实验材料

5.1.2 实验仪器

5.2 实验方法

5.2.1 皮芯纤维式压阻传感器的制备

5.2.2 皮芯纤维式压阻传感器的结构表征

5.2.3 皮芯纤维式压阻传感器的性能测试

5.3 结果与分析

5.3.1 柔性基材种类对皮芯纤维式压阻传感器表观形貌的影响

5.3.2 柔性基材种类对皮芯纤维式压阻传感器结构成分的影响

5.3.3 柔性基材种类对皮芯纤维式压阻传感器热重和力学性能的影响

5.3.4 柔性基材种类对皮芯纤维式压阻传感器导电性的影响

5.3.5 柔性基材种类对皮芯纤维式压阻传感器传感性能的影响

5.3.6 皮芯纤维式压阻传感器的传感机理

5.3.7 甘油浓度对皮芯纤维式压阻传感器形貌结构的影响

5.3.8 甘油浓度对皮芯纤维式压阻传感器传感性能的影响

5.3.9 皮芯纤维式压阻传感器的其他传感性能

5.3.10 皮芯纤维式压阻传感器的稳定性和透湿性分析

5.3.11 皮芯纤维式压阻传感器的应用

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢