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基于银纳米线的柔性薄膜压力传感器的研究

许杰  
【摘要】:高长径比的银纳米线因其比表面积大、导电率高、制备工艺简单和易于分散掺杂制备柔性导电薄膜等优点而受到越来越多研究人员的关注。因此,银纳米线能够用作柔性传感器的导电填充材料、柔性太阳能电池电极和超级电容器电极等领域。此外,基于银纳米线的柔性薄膜压力传感器在智能可穿戴领域也呈现出巨大的应用前景。本课题采用改进的一步多元醇法,以氯化铜作为成核控制剂制备出了形貌可控、尺寸均匀的高长径比银纳米线,将碳纳米管和自制备的银纳米线掺杂到聚氨酯(PU)中制备出柔性导电薄膜。采用FE-SEM、EDS、XRD、紫外-可见分光光度计表征了不同反应温度、成核控制剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的分子量、硝酸银与PVP的质量比等工艺参数下的银纳米线形貌。随后,利用万能试验机和数字万用电表等仪器表征了柔性薄膜压力传感器的灵敏度、重复性和迟滞性等性能。实验结果显示:改进的一步多元醇法,将反应时间缩短到30分钟,随着反应温度的升高,银纳米线的含量逐渐降低,其直径由130±39nm增加到348±87nm,长度由12.3um±1.6um减少到3.6±0.7um,温度为160℃时,银纳米线的含量最多,长径比最大。成核控制剂为氯化钠时和氯化铁银纳米线的长径比范围分别为[75,109]和[11,22],前者的反应速度比后者慢。成核控制剂为氯化铜时,反应速度快且长径比范围为[74,113]。溶液粘度随着PVP分子量的增加而逐渐增加,导致实验操作难度增大,PVP分子量为58000时,银纳米线的外观形貌最佳,且长径比达到了[74,113]。银纳米线的产量随着硝酸银与PVP的质量比的增加而增加,当质量比为1:2时,银纳米线的长径比最大,且银纳米颗粒含量最少。银纳米线的掺杂改善了导电PU薄膜的力学性能,掺杂1wt%银纳米线的柔性导电薄膜的力学性能最好,其断裂载荷和断裂伸长率分别为21913.1±296.0MPa和440.6±18.3%,比5wt%碳纳米管薄膜的断裂载荷和断裂伸长率分别提高了 81.8%和39.7%;银纳米线含量为1wt%和5wt%的柔性导电薄膜,其电阻值随着拉力的增大而明显上升,最大值分别为1.7363×108Ω和1.3985×108Ω。对于柔性薄膜压力传感器,当载荷在0-50KPa之间,不同银纳米线含量的传感器呈现出较好的灵敏度,范围为[0.00111,0.6631];对于压缩循环测试,银纳米线含量为10wt%的传感器,在10次压缩循环中均表现出良好的重复性;银纳米线含量为10wt%时,最大迟滞误差最小,仅为0.0486。该传感器为智能可穿戴设备在监测人体健康数据,如脉搏、血压、呼吸、心跳等方面提供了条件。


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