自愈合凝胶的制备及其力学传感性能研究

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柔性电子传感器能够实现对人体运动或其他日常生活中各种形变进行精准、连续采集,解决了传统刚性器件与人体软组织不兼容等问题。它们在医疗监测、智能机器人、可穿戴电子设备、人机交互等领域具有广阔的应用前景。其中,柔性应变传感器在拉伸/释放等循环过程中不可避免地遭受无法弥补的机械损坏、断裂和老化等问题。将自愈合材料引入到柔性应变传感器中,能够及时恢复其受到损害时引起的性能下降,延长使用寿命;同时能够有效避免资源浪费;减少电子垃圾堆积对环境造成污染等问题。然而,到目前为止柔性应变传感器依然存在各种问题,例如:在实际应用中,柔性传感器无法与复杂的不规则表面紧密贴合,造成信号不精确;在极端环境下无法继续工作等。为解决这些问题,本论文从自愈合导电材料的制备与应用两方面入手,通过简单的方式设计了两种自愈合导电材料并将它们应用于自愈合柔性应变传感器。主要研究内容如下:(1)通过紫外光引发聚合的方法制备了具有较高机械性能(韧性和强度)的离子导电水凝胶。它们在无任何外部刺激的情况下依然具有出色的可愈合性;也可被加工成1D纤维、2D薄膜和各式的3D立体形状等多维结构,以供实际应用。它们可用于传感器监测各种场景导致的形变,并表现出高可靠性。还使用功能性水凝胶开发了具有驱动自感应功能的智能驱动器(例如仿生爬行器、可弯曲抓取器)。这种水凝胶为开发具有任意结构的自愈式的自感应驱动器提供了一个新平台。(2)开发了一种适合3D打印的高分子材料,可用于制备快速自愈合的有机凝胶。它们能够在极端环境下(-40℃)保存,也可以在开放环境中保存超过30天,解决了传统水凝胶在低温环境下冻结和开放环境下水分蒸发导致结构破坏等问题。利用直接挤出式3D打印技术将凝胶图案化处理,不仅满足各种复杂表面的实际需求而且有效提高了基于有机凝胶传感器的灵敏度和循环性能,可用来检测人体的微小运动。它们对实现电子器件的自愈合、可拉伸和可穿戴等多功能性有深远意义。
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