蠶絲織物基底上柔性能源、傳感器件的構(gòu)建與應(yīng)用.pdf

1、隨著電子科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，多樣化的便捷電子產(chǎn)品層出不窮。其中，結(jié)合柔性基底的可穿戴電子產(chǎn)品在醫(yī)療監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、通信娛樂等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)電子，可穿戴電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足人們對(duì)于設(shè)備的形變要求。當(dāng)前，電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)可穿戴的關(guān)鍵是能源供給裝置的智能柔性化。如能發(fā)展柔性、輕質(zhì)、便捷的能源轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ)裝置，并將之與柔性傳感器結(jié)合，組裝成自主供能、儲(chǔ)能及傳感一體的智能設(shè)備，必將極大擴(kuò)展

2、可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)織物具有極佳的可穿戴性能，具有作為柔性器件襯底材料的潛力，然而粗糙的表面結(jié)構(gòu)限制了其在可穿戴電子方面的應(yīng)用。因此，如何將傳統(tǒng)織物與現(xiàn)代電子技術(shù)結(jié)合，開發(fā)兼具可穿戴性和能量供給/生理傳感特性的可穿戴元件，是目前這一領(lǐng)域急需解決的問題。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在蠶絲纖維基底上構(gòu)建了利用人體表面散失的熱量進(jìn)行發(fā)電的可穿戴熱電發(fā)電機(jī)。通過水熱法成功合成了納米結(jié)構(gòu)的Bi2Te3和Sb2Te3，并將其修飾在蠶絲織

3、物的兩面以組成熱電發(fā)電陣列的P型和N型熱電材料。通過銀漿的依次連接，組成了以12對(duì)熱電偶為原型的熱電發(fā)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了重復(fù)彎曲和扭曲對(duì)器件性能的影響。同時(shí)，在研究中，對(duì)以蠶絲為基底的熱電發(fā)電機(jī)進(jìn)行圖案化設(shè)計(jì)，并對(duì)器件在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)人體熱量的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了展示。⑵選擇蠶絲織物作為基底材料構(gòu)建了具有高性能、超柔韌和較好機(jī)械穩(wěn)定性能的全印刷單基底的超級(jí)電容器。集流體和活性材料層通過絲網(wǎng)印刷的方法分別修飾在蠶絲織物基底和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基

4、底上。從傳統(tǒng)的夾心型超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到啟發(fā)，在電極上涂布固態(tài)電解質(zhì)后，將 PDMS基底上的電極材料全部轉(zhuǎn)移到蠶絲織物基底上，形成了以單層蠶絲織物為基底的超級(jí)電容器。研究中，采用數(shù)碼照片和場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡對(duì)器件的構(gòu)建過程進(jìn)行了表征。利用循環(huán)伏安曲線、恒電流充放電測(cè)試及電化學(xué)阻抗譜圖測(cè)試了器件的電化學(xué)性能。同時(shí)，對(duì)器件的機(jī)械穩(wěn)定性能和織物基底美學(xué)設(shè)計(jì)的全印刷技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)組裝的超級(jí)電容器器件在可穿戴領(lǐng)域顯示了良好的柔韌性能。⑶通過

5、簡(jiǎn)單方法切割Parafilm，實(shí)現(xiàn)了圖案化設(shè)計(jì)；通過熱熔圖案化Parafilm?，實(shí)現(xiàn)了上下層織物的粘合固定。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)熔化溫度可顯著改變兩個(gè)織物電極間的距離，進(jìn)而影響器件的壓力感應(yīng)性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，在100°C條件下融化組裝的器件具有最佳性能。本方法制備的器件具有高靈敏度、快速反應(yīng)時(shí)間以及優(yōu)異的穩(wěn)定性能（超過500次按壓/釋放循環(huán)）。這項(xiàng)工作展示了壓力傳感器在人體運(yùn)動(dòng)過程及生理信號(hào)監(jiān)測(cè)中的潛在應(yīng)用，同時(shí)提供了一種簡(jiǎn)單、低成本