柔性导电高分子复合材料在应变传感器中的应用*

柔性和可穿戴传感器最近十几年来的发展,使得它们在个性化医疗、人机交互和智能机器人等方面拥有良好的应用前景。由导电材料和弹性聚合物组成的柔性导电高分子复合材料具有高的可拉伸性、良好的柔韧性、优异的耐久性等优点,可用来制备传感范围宽、灵敏度高的柔性应变传感器。本文综述了基于柔性导电高分子复合材料的可拉伸应变传感器的分类(填充型、三明治型、吸附型应变传感器)和传感机理(隧穿效应,分离机制,裂纹扩展),并详细介绍了传感器所用复合材料的结构设计,包括内部结构(双逾渗网络、隔离、多孔、“砖混”结构)、表面结构(微裂纹、褶皱结构)和宏观结构(纤维状、网状、薄膜结构)。内部结构设计可降低材料的逾渗阈值,表面结构设计可提高传感器性能,每个宏观结构都有自己的特点。最后对应变传感器的材料选择、制备工艺、结构设计、附加性能、集成技术和应用方向等方面进行了展望。     

基于石墨烯功能复合材料的DNA电化学生物传感器

石墨烯(Gr)是一类由单层碳原子组成的二维碳质材料,利用它独特的结构和良好的物理、化学性能,可构筑出在电催化、电化学传感器和生物传感器等领域有着巨大应用潜力的新型Gr功能复合材料。基于Gr功能复合材料的DNA电化学传感器与常规DNA传感器相比,具有明显的特色和优势,已被应用于特异DNA靶序列的识别和传感领域。本文就基于Gr功能复合材料的DNA电化学传感器的近期进展作简要评述,包括Gr与Gr基金属、金属氧化物、高分子、生物分子复合材料的电化学性能及其在DNA电化学传感中的应用,并对该类DNA电化学传感器的发展方向和应用前景进行了展望。     

柔性纤维生物电子复合材料与器件

可穿戴和可植入的纤维生物电子器件可以实现对人体生理体征的实时监测和精准调控,在健康监测和疾病诊疗等领域发挥了革新作用.然而,传统的纤维生物电子器件柔性不足而与生物软组织的力学性能不匹配,难以形成稳定的器件/组织界面,最终无法实现长期稳定工作.本文重点介绍了近年来课题组针对上述问题在柔性纤维生物电子复合材料与器件方面的研究进展.首先制备了具有杂化结构和芯鞘结构的柔性高分子复合纤维电极,并面向柔性生物电子器件要求,对纤维材料的电学和力学性能及生物安全性进行表征.进一步,基于所制备的复合纤维电极,发展出一系列可穿戴和可植入的纤维生物电子器件,具有传感、能源、调控等功能,并通过建立稳定的器件/组织界面,实现了在体长期工作,在生物医学研究和智慧医疗等领域展现出良好的应用前景.最后,展望了柔性纤维生物电子领域的未来发展方向.     

基于天然高分子的导电材料制备及其在柔性传感器件中的应用

天然高分子材料具有来源广泛、化学成分多样、生物相容性和生物降解性良好等优势,是一类绿色可持续再生资源.近年来,基于天然高分子的绿色柔性传感器件研究受到了国内外学者的广泛关注,并取得了长足的进展.本文以天然高分子导电材料为主线,总结了基于天然高分子制备导电材料的模板法和掺杂法.模板法直接以天然高分子材料的天然骨架结构作为基质,而掺杂法以天然高分子材料处理后的产物或衍生物作为基质.归纳了基于天然高分子的柔性导电材料在湿度、温度、应变、气流/气体、光、生物传感器件中应用的研究进展,最后展望了基于天然高分子的柔性导电材料在设计和组装柔性传感器方面的前景,为高效发展绿色柔性电子和天然高分子材料的高值化利用提供新思路.     

聚苯胺纳米复合材料的优良性能

聚苯胺纳米复合材料因结合了聚苯胺和纳米粒子的特殊性能,从而改善了基体的物理化学性能,赋予了材料前所未有的独特的性能,成为目前研究最为广泛的导电高分子纳米复合材料之一.本文基于国内外最新研究文献,结合典型事列详细综述了聚苯胺纳米复合材料在生物传感、催化、电磁、微波吸收和光电等方面呈现出的独特性能,简单评述了其在生物传感、催化、电磁、微波吸收、防腐等领域的应用前景.     

微纳结构柔性压力传感器的制备及应用

柔性压力传感器是一种能够感知或监测外界压力变化的柔性电子器件,具备灵敏度高、形变灵活、制备工艺简单等特点,在可穿戴式电子产品、健康医疗、软体机器人、人机交互等新兴领域具有广泛而重要的应用。灵敏度、检测极限、响应时间与循环工作稳定性是柔性压力传感的核心性能指标,微纳结构的引入对提高柔性压力传感器综合性能具有重要作用。本文根据微纳结构的主要类型介绍了基于微纳结构的柔性压力传感器的最新研究进展,包括各种不同形貌微纳结构对柔性压力传感器性能的影响及其在柔性压力传感器中的应用,并对柔性压力传感器未来的发展提出展望。     

聚合物分子复合材料研究进展

论述了刚性链高分子增强柔性链高聚物的分子复合材料中,刚性高分子链的增强作用与增强原理。评价了获得高模量、高强度分子复合材料的几种途径及其特点。综述了分子复合材料的研究现况与进展。     

复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响

采用模压成型方法制备了2种柔软性不同的热塑性聚氨酯/短切碳纤维/碳纳米管(TPU/SCF-CNT)复合材料复制物, 其表面上具有倒金字塔微结构阵列, 内部有SCF与CNT共同构成的导电通路. 将复合材料复制物和相应的复合材料平整片封装成柔性传感器. 结果表明, 压力作用下传感器内复制物和平整片之间的接触电阻因倒金字塔底棱的形变而显著降低. 对使用柔软性较高的复合材料封装的传感器, 虽然其相对迟滞稍大, 但压力作用下倒金字塔底棱形变量较大, 且复制物和平整片内导电通路增加量较大, 因此其在0~2.5 kPa的线性区内具有较高的灵敏度(0.32 kPa^?1). 制备的2种传感器均具有快速响应特性, 且能在500 s(约1580次)的循环压缩/释放测试(峰值压力约3 kPa)中保持较稳定的电阻响应. 研究表明, 利用模压成型的表面倒金字塔结构复合材料复制物封装成的柔性压力传感器具有良好的传感性能.     

功率型LED封装用高分子材料的研究进展

随着发光二极管(LED)亮度和功率的不断提高,封装材料已成为制约LED进入照明领域的关键技术之一。对于功率型LED封装材料,要求具有高折射率、高透光率、高导热率、耐紫外、耐热老化、低应力、低吸水率等性能特点。目前LED封装用两大主要高分子材料是环氧树脂和有机硅复合材料。对这两种材料的改性主要集中在折射率、耐老化性、导热性、吸水性和力学性能等方面。脂环族环氧树脂及纳米有机硅复合材料作为高功率LED封装材料具有广阔的发展前景。     

MOFs/水凝胶复合材料的制备及其应用研究

金属有机框架(MOFs)具有大量的孔隙结构和活性位点,在气体吸附、催化、医疗等领域均发挥了巨大的作用。MOFs是晶体粉末,具有脆性较大、在水中易分解和不易回收等缺点,从而限制了其应用。通过MOFs与柔性高分子的复合,特别是与水凝胶的复合,极大地改善了复合材料的柔顺性、可回收和可加工性等特性,进一步拓宽了MOFs的应用领域。本文详细阐述了基于水凝胶MOFs原位生成法、MOFs /水凝胶同时生成法和水凝胶包裹MOFs法等三种不同方法制备MOFs/水凝胶复合材料的研究进展,并对上述三种制备方法的特点及其产物特征进行了总结,进一步归纳了复合材料在生物医药、催化、废水处理和气体吸附等领域的应用。最后,对MOFs/水凝胶复合材料制备方法的改进和复合材料应用前景进行了深入讨论和展望。     

ZIF-8@PDMAPMA复合材料的构筑及其性能研究

采用分步法(路线I)和一步法(路线II和路线III)分别合成了金属有机框架(MOFs)/高分子复合材料(ZIF-8@PDMAPMA),并采用粉末X射线衍射(PXRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和热重分析(TGA)等对其进行了表征.ZIF-8@PDMAPMA复合材料由高分子柔性链包覆ZIF-8晶体颗粒形成核壳纳米颗粒,探讨了不同合成方法对其形貌的影响.ZIF-8@PDMAPMA纳米颗粒呈球状或类似ZIF-8晶体形状轮廓.反应体系中单体、有机配体以及反应过程中形成的高分子链均具有乳化作用,实现了对复合纳米材料粒径及其分布的有效控制,粒径仅50 nm,且分布均一.高分子柔性链对MOFs晶体颗粒的有效包裹导致ZIF-8@PDMAPMA对N_2吸附能力减弱.ZIF-8@PDMAPMA亲水性明显增强,从而使其在水中的分散性和稳定性得到明显改善,且粒径分布均一.同时,实现了ZIF-8@PDMAPMA对苯扎氯铵的有效负载和可控释放,最大负载量达到0.05 g/g,且释放率达到82%.动力学模拟结果显示,复合材料内部的ZIF-8的孔隙和表面的高分子柔性链对苯扎氯铵具有多层吸附行为.高分子柔性链与刚性MOFs晶体有效结合,极大地改善了MOFs在水相中的稳定性,并将进一步拓宽其应用范围和领域.     

多感知集成的柔性电子皮肤

具有类人皮肤功能的柔性电子皮肤,由于其在可穿戴电子、健康监测、智能机器人、智能假肢等领域具有广阔的应用前景已成为研究热点,这些应用需求对电子皮肤的传感功能、结构特征、信号处理等提出了特殊要求.本综述从人体皮肤感知功能出发,论述了电子皮肤所需具备的关键传感功能和实现方法,包括压力、温度、湿度、流场、材质等信息传感;综述了多感知集成技术,主要分为直接集成法、功能材料法和检测统一法等三种,论述了各种方法的优缺点;最后提出柔性电子皮肤在多感知集成方面所面临的挑战和发展方向.     

基于ZIF-8/PAN复合薄膜的柔性丙酮气体传感器

ZIF-8是一种Zn基金属有机骨架材料, 可以吸附丙酮气体从而作为电容式丙酮传感器的气敏材料, 然而ZIF-8的传统使用形式为粉末态, 这导致其不能成为具备柔性的整体, 从而限制了传感器的柔性. 结合包埋种子和二次生长法将ZIF-8与纳米纤维结合成纤维型柔性材料, 并将其作为气敏层制备了柔性电容式丙酮气体传感器. 该传感器在9种常见挥发性有机化合物中表现出良好的选择性, 对250~2000 cm³/m³的丙酮气体具有灵敏的响应、良好的循环响应及长期稳定性. 值得注意的是该柔性传感器不仅在室温下进行传感, 而且在弯折180°的状态下对丙酮气体的响应值与不弯折(0°)状态下几乎一致, 在200次以内的180°弯折-恢复后同样表现出了传感性能的稳定, 表明了其在柔性传感器方面的潜力.     

有机智能传感材料与器件研究进展

有机光电子材料具有柔性、低成本、可大面积加工以及分子结构可调等特点,在可穿戴智能器件领域具有巨大的应用潜力.有机分子可以通过结构的设计调节其光学、电学、机械和化学等特性,从而实现丰富的传感功能.有机智能传感器具有快速响应、高选择性、高灵敏和机械柔性等优势,被广泛应用于环境监测、电子皮肤、医疗监测、人机交互等智能感知领域.本文综述了近年来有机智能传感材料与器件的研究进展,包括小分子半导体、聚合物半导体和导电聚合物等有机传感材料,以及化学传感器、温度传感器、光学传感器和机械传感器等有机智能传感器件的前沿应用,重点介绍了目前生物传感器、仿生传感器等智能感知器件和系统的发展现状,并对其未来发展过程中面临的挑战进行了分析.     

可视化柔性可穿戴传感器研究进展

柔性可穿戴传感器具有轻质、共形性好和生物安全性高等特点,在军事、医疗健康和运动等领域展现出广阔的应用前景。可视化是柔性可穿戴传感器的一个重要发展方向,对于丰富传感器功能和扩展其应用领域具有重要意义。本文综述了近年来可视化柔性可穿戴传感器的研究和应用进展,总结了现有的可视化传感器种类及其作用机理,重点介绍了基于发光或变色进行可视化传感的柔性可穿戴传感器。最后,讨论了可视化柔性可穿戴传感器所面临的机遇和挑战。     

聚苯胺复合材料的制备方法及应用进展

复合材料是由两种或多种性质不同的物质组成的多元材料,具有比各组分材料更优异的或原来不具备的性能。聚苯胺(PANI)作为最具应用前景的导电高分子材料,国内外对基于PANI的复合材料的研究也愈加关注。本文对PANI复合材料制备方法的研究成果进行了综述,主要包括原位化学法、共混法、电化学法、层层自组装法等。探讨了PANI复合材料在电极、导电、防腐、传感、分离、催化等方面的应用性能,并展望了PANI复合材料今后研究与应用的发展方向。     

高分子基导电复合材料气敏响应机理研究

高分子基气敏导电材料是近年来发展起来的一种新型功能高分子复合材料.本文介绍了以炭黑(CB)为导电填充剂的复合传感材料的气敏响应机理的体积膨胀模型、结晶模型和氢键模型,并讨论了逾渗阀值、CB及聚合物微观结构与性能、以及CB与聚合物和溶剂三者之间相互作用等因素对该类材料气敏响应性的影响.     

在导电高分子薄膜表面沉积密度可控的银纳米粒子

<正>由于导电高分子的导电性和化学性质可以在导体和半导体区间内快速调节[1],因此其复合材料受到了越来越多的关注[2].金属纳米粒子在光电子器件、检测及传感等诸多领域表现出独特的性能[3],在生物技术领域中的重要性尤为突出[4].因此,如果将导电高分子和金属纳米粒子结合在一起,将有利于拓展导电高分子的应用范围.本文研究了银纳米粒子在聚苯胺薄膜表面的沉积行为,分别用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显     

基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器

近年来,随着互联网和人工智能的发展和普及,轻薄便捷、电子性能优异的柔性压力传感器作为可穿戴电子设备的核心器件,拥有了越来越广阔的市场。柔性压力传感器具有灵活柔韧、可折叠、传感性能优异等优点,因而在电子皮肤、运动检测、医疗监测和人机界面等方面已引起广泛的关注。构筑微纳结构是提高压力传感器灵敏度和传感性能的关键。基于此,本文首先总结了高灵敏度压力传感器的传感机制(压阻式、电容式、压电式和摩擦电式)和关键性能参数(灵敏度、压力检测范围、检测限、响应/恢复时间、循环稳定性和线性度等),然后归纳了利用基材构建表面微纳结构(微凸结构、荆棘结构和褶皱结构)和利用导电材料构建微纳结构(微球结构、海胆状结构、蜂窝状结构)的柔性压力传感器的研究进展及其优缺点,总结了基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器在脉搏监测、电子皮肤、运动检测和人机界面等方面的应用现状。最后,从今后应用的角度出发,概述了高灵敏度柔性压力传感器即将面临的挑战及未来发展方向。     

有序介孔碳基金属复合材料的制备及催化应用

有序介孔碳基金属复合材料具有较大的比表面积、规整的孔道结构、良好的热稳定性及化学稳定性、活性金属组分分散度高以及粒径尺寸小等特点,广泛应用于非均相催化领域。常用的合成方法包括浸渍法、“一锅”法以及金属组分转移法等。本文综述了近年来有序介孔碳基金属复合材料的制备及其在非均相催化领域中的应用研究进展,重点阐述了介孔碳载体的介观结构调控、表面性质控制及限域效应等对所负载的活性金属组分的分散性、粒径大小,以及对反应物和产物扩散的影响,探讨了其在气相反应、液相反应和光电催化等领域的应用,并对有序介孔碳基复合材料的发展方向和应用前景进行了展望。