波浪形聚偏二氟乙烯压电微纤维及其柔性应变传感器的制备和性能开题报告
2020-05-02 05:05
1. 研究目的与意义（文献综述）
(1)研究意义
当前，应变传感器在各种工业、汽车、医疗、生物医学、运动、航空、机器人和消费电子等领域得到了广泛的应用[1]，但是随着科技的进步，智能终端的普及，对应变传感器的性能提出了越来越高的要求。以前研究得最多的应变传感器是压阻式和电容式[2-3]，一般地，压阻式传感器具有高的灵敏度[4]，而线性度和滞后性比较差，电容式传感器刚好相反[5-7]，而且所有这些类型的传感器都需要大量的功率来操作，这往往限制了它们的适用性。相对的，压电应变传感器拥有均衡的性能，且它属于典型的有源器件，其在测量时能将机械能转化为电能，从而输出电信号，无需额外的能源供应。从而打破了压阻、电容传感器的应用局限，这对要求传感器同时具备高灵敏度、高线性度，低功耗、低滞后性等性能的应用上具有重要的意义。
另一方面，在医学领域，如穿戴健康设备、外科手术，智能技术领域如电子皮肤、结构健康侦测等[8-9]又对压电传感器的变形能力提出了更高的要求。在众多压电材料中，压电晶体和压电陶瓷都是脆性材料，只有压电聚合物具有良好的可拉伸性，压电聚合物包括聚偏氟乙烯、奇数尼龙、纤维素、合成多肽等。其中聚偏氟乙烯（pvdf）是聚合物中压电效应最强且应用最广泛的一种压电聚合物[10]。然而，pvdf的本征断裂伸长率仅为50%[11]，无法满足高拉伸压电传感器的变形要求。目前，虽然有人使用预拉伸基体法制备波浪形结构[12]，进一步提高了压电器件的拉伸性能，但是该方法制得的压电器件的拉伸率因为受到基体拉伸率的限制（110%）[13]仍不能满足高拉伸传感器的应变需求。由于预拉伸法除了对基体要有拉伸性的要求外，还要具有表面粘性：粘性能将压电纤维与基体粘接在一起，保证拉伸时不发生脱落。例如弹性基体如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（sbs）等[14]，虽然具有高拉伸应变，但表面没有粘性，所以不适合用预拉伸法制备波浪形纤维。因此选用一种弹性基体拉伸率更高，并研究出一种能将纤维与基体粘结在一起的方法，从而研制出突破现有拉伸极限的柔性应变传感器[15]，对变形能力要求非常高的应用上（如测人体关节处运动时需要传感器承受200%以上拉伸应变）[16-17]具有非常重要的意义。
2. 研究的基本内容与方案
(1)研究的基本内容、目标
基于pvdf的纺丝溶剂（n,n-二甲基甲酰胺（dmf）和丙酮）能溶解sbs基体薄膜的特点，本学位论文提出利用静电纺丝及基体预拉伸法制备高振幅波长比的波浪形pvdf微米纤维，最终制备出具有高拉伸应变能力且能实时侦测人体关节运动的压电应变传感器的目标。
主要研究内容包括：
3. 研究计划与安排
| 第 1－3 周： | 查阅相关文献资料，明确研究内容，了解柔性压电应变传感器的发展现状，针对现存问题提出实验方案并对其可行性进行调研和讨论，完成开题报告。 |
| 第 4－6 周： | 进行静电纺丝制备压电纤维及柔性传感器。 |
| 第 7－10 周： | 利用扫描电子显微镜和自制拉伸仪测量压电纤维和传感器的力学性能。 |
| 第11－13周： | 利用扫描电子显微镜、半导体参数分析仪等测量压电纤维和传感器的压电性能以及人体运动侦测性能。 |
| 第14－16周： | 完成并修改毕业论文。 |
| 第 17 周： | 准备论文答辩。
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4. 参考文献（12篇以上）
[1] m amjadi, ku kyung, i park, el at. stretchable, skin-mountable, and wearable strain sensors and their potential applications: a review[j]. advanced functional materials, 2016, 26(11): 1678–1698.
[2] 钱鑫，苏萌，李风煜，等.柔性可穿戴电子传感器研究进展[j].化学学报，2016，74(7)：565—575.
[3] park j, lee y, hong j, et al. giant tunneling piezoresistance of composite elastomers with interlocked microdome arrays for ultrasensitive and multimodal electronic skins[j]. acs nano, 2014, 8(5): 4689-4697.
