智感生活——PBO纳米纤维气凝胶基柔性 压力传感器与电极的制备及其性能研究

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随着社会的发展,人们越来越注重自身的健康状况。可实时监测人体的各项生理指标,并在有异常时给予人们预警的可穿戴电子设备应运而生。心率、手腕脉搏、体温、血压、血氧甚至睡眠情况等都可通过特定的可穿戴电子设备进行监测,为疾病诊断和健康评估提供了一种方便且非侵入性的方式。 就目前来看,柔性压力传感器是发展最为迅速的一种可穿戴电子设备,基于不同的工作机制可分为压阻、电容、压电式。其中,压阻式压力传感器由于具有结构简单、功耗低、反应快、可靠性和耐用性高等一系列优点,是最具吸引力的柔性压力传感器。但是,由于其发展尚处于初级阶段,在材料选择和结构设计等方面仍有巨大的提升空间。为了实现完全柔性的可穿戴电子设备,为其供电的储能器件需具备轻薄、柔软的特点。目前,大部分可穿戴电子设备使用的电源设备为锂电池,但其体积大、刚性强等缺点制约了可穿戴电子设备的快速发展。为了满足下一代可穿戴电子产品的要求,具有高柔韧性和可弯曲性的电源受到广泛关注。 本文以聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维(PBO-NF)和羧基化碳纳米管(CCNT)为原料,结合流延法和冷冻干燥技术,制备了一种超轻、高强、导电且阻燃的柔性PBO-NF/CCNT气凝胶薄膜,并且可通过控制CCNT浓度来调整PBO-NF/CCNT气凝胶薄膜的各项性能以满足不同需求。CCNT浓度为10%的PBO-NF/CCNT气凝胶薄膜(即PBO-NF/CCNT(10%))具有优异的柔韧性、透气性、良好的导电性以及较长的循环折叠使用寿命,可应用于柔性压力传感器;CCNT浓度为20%的气凝胶薄膜(即PBO-NF/CCNT(20%))具有丰富的孔隙结构、出色的亲水性和优异的导电性,可应用于柔性超级电容器电极。然而测试结果显示,仅以PBO-NF/CCNT(20%)气凝胶薄膜作为电极,其电化学性能不足以应用于实际生活中。在此基础上,分别通过高温碳化和原位生长金属有机框架(MOF)对其电化学性能进行改善,取得了较为理想的改性效果。