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近来,人们在柔性电子领域取得了令人激动的进步,并即将给人们的生产和生活带来一场革命。然而,由于敏感材料在复杂的应力环境中可持续性差等原因,对柔性装置的构造和制备提出了很大挑战。通过学习自然,研究者可以开发各种适应环境的微观结构,及构建材料多级结构可是解决材料和工程技术局限性的新思路。本论文中,受北极熊毛发独特的中空多孔结构启发,我们制备并研究了可用于人体运动监测,自保暖的纤维基柔性织物。我们采用溶液纺丝,超声分散和原位化学还原的方法制备了热塑性聚氨酯(TPU)/碳纳米管(CNTs),及不同直径的纯TPU纤维和银纳米颗粒(Ag NPs)/聚多巴胺(PDA)/CNTs/TPU-TPU柔性导电高分子复合纤维,研究了它们的外场响应行为,得到的主要研究结论如下:1、CNTs/TPU导电复合纤维的制备及外场响应行为研究(1)利用N-N二甲基甲酰胺(DMF)溶解TPU颗粒,使用单轴溶液纺丝法制备TPU弹性纤维,通过超声法将CNTs固定在TPU纤维表面,制得CNTs/TPU导电复合纤维。(2)对纯TPU纤维和CNTs/TPU纤维的表面及断面的微观形貌进行分析,发现纤维内部存在微孔结构,孔径分布在0.83-1.64μm之间,平均直径约1.16μm。CNTs在纤维表面随机均匀分散,形成了良好的导电通路网络。(3)将CNTs/TPU纤维组合成拉伸应变传感器,在拉伸敏感响应测试中发现其有高的响应因子(GF,在300%应变下为102),非常大的可测试范围(300%应变),材料的响应在整个应变范围响应呈指数形式,在10000次循环测试中展示出出色的耐用性与稳定性;材料响应时间短(200 ms)且密度小(0.85 g/cm~3),显示出良好的应变敏感性能与可穿戴性。(4)CNTs/TPU纤维应变传感材料对屈曲,扭转,温度和湿度外场刺激响应不敏感,展示出了优异的抗外界干扰抵能力。(5)将CNTs/TPU纤维状应变传感器直接贴在皮肤上或嵌入服装中,可以监测到手指,手腕,手肘弯曲,走路等一系列关节运动,该材料在人机交互,健康监控等领域具有巨大的应用潜力。2、中空-多孔结构的仿生TPU纤维及其可穿戴保暖性能研究(1)采用同轴溶液纺丝的方法,调节注射器针头直径制备不同直径的中空多孔结构TPU纤维。(2)TPU纤维的直径分别为1.2,1.6,1.9,2.1 mm,其断裂伸长率与断裂强度分别达到了807%,175%,1387%,1468%,和3.76,0.81,1.52,1.92 MPa。不同直径的TPU纤维均表现出优良的柔性。(3)不同直径的TPU纤维都具有明显的多孔结构,且直径1.6,1.9,2.1的TPU纤维还具有明显的中空结构。四种不同直径纤维的密度分别是0.41,0.40,0.35和0.30 g/cm~3,孔隙率分别是62.8%,63.7%,68.2%和72.8%。不同直径的纤维都具有较低的密度和较大的孔隙率。(4)使用正交编织的方法将四种不同直径的纤维编织成织物,测得一层的直径1.2,1.6,1.9,2.1 mm纤维基织物在75℃和115℃环境下的隔热效果可达到23.3,26.1,27.5,30.1,40.6,44.7,49.0和52.1℃。相应的两层纤维基织物隔热效果达到32.7,33.0,34.4,36.9oC,55.2,61.2,62.4 and78.6oC,表现出了优异的隔热性能。(5)详细研究了纤维织物的隔热机理。(6)该纤维织物可以制成手套,护腕,具有保暖,防护功能。3、中空-多孔结构的仿生TPU导电复合纤维及其多功能外场响应行为研究(1)我们采用双轴湿法纺丝制备具有核壳结构的中空-多孔CNTs-TPU/TPU导电纤维,再通过原位聚合的方法在CNTs-TPU/TPU导电纤维表面合成聚多巴胺(PDA),最后使用原位还原法在纤维表面形成银纳米颗粒(Ag NPs)层,最终得到Ag NPs/PDA/CNTs-TPU/TPU导电复合纤维,简称APTTF纤维。(2)APTTF纤维表面微观形貌及元素分析表明Ag NPs均匀的分布在纤维表面,形成了良好的导电网络。APTTF纤维断面微观形貌观察发现纤维具有良好的中空-多孔结构。红外分析表明,TPU,CNTs,PDA,Ag NPs各组分之间具有良好的结合力,表明各组分之间结合良好。(3)APTTF纤维作为柔性电加热设备可在2 V的小电压下,18 s内加热到40℃,表现出优良的电加热性能。(4)APTTF纤维作为柔性应变传感器,具有超高响应度(6.5×10~7)和非常大的应变响应范围(250%),而最小检测极限可达0.5%。我们基于裂缝-桥梁结构分析了APTTF纤维应变传感性能机制。(5)此外,组装后传感器可监测30至90oC的温度。更进一步地,APTTF纤维可以被整合成电容式压力传感器,在1至25 N的力作用下表现出优异的传感性能,并且可以被整合成二维矩阵用以检测压力和落点。(6)将APTTF纤维固定在咽喉,手指,手腕,膝盖等关节处,可用于监测一系列人体运动。此外APTTF纤维还可用于温度报警,压力监测,物理辅热治疗关节疼痛等,表现出巨大应用前景。