基于硅橡胶/碳纳米管复合导电膜的电容传感器的制备与研究

摘要

可穿戴电智能纺织品的出现，使纺织服装不但能满足穿着、保暖等基本要求，还具备了更多的功能，如感知功能、反馈功能、响应功能以及自诊断、自修复功能等，具有这些功能的电智能纺织品能够把感知的生理与环境等信号转换为电信号，并及时做出所期望的反应。电智能纺织品在实现智能的同时，应保持原有柔软、易变形、舒适等特性，因此本课题研究开发一种使纺织品具有感知功能的柔性电容传感器。
　　本文在已有研究的基础上，选用硅橡胶（PDMS）聚合物填充碳纳米管，通过对碳纳米管进行改性，制成导电性优良、柔软、易变形的复合导电膜，以此膜为材料自制一款柔性电容传感器，并自行设计测量电路对自制柔性电容传感器的电容值进行测量，然后使用ANSYS有限元软件对测量结果进行验证，最后通过施加外力，实现柔性电容传感器对压力的感知，探讨力与电容之间的变化关系，为电容传感器在智能纺织品上的应用提供理论及设计依据。研究结果表明：
　　（1）使用浓硝酸和硅烷偶联剂 KH-570改性后的碳纳米管，杂质被去除，碳纳米管之间相互缠结的状况有所改善，管壁表面和端部产生了一些缺陷，更容易分散在基体当中，且由于碳管内的杂质被去除，其热性能有所提高。
　　（2）改性后的碳纳米管在硅橡胶基体中分散比较均匀，制备的复合导电膜的导电性能比未处理的碳纳米管制备的复合膜有明显的提高，在碳纳米管的添加量少于3％时，其对基体的力学性能有较为明显的改善。
　　（3）使用自行设计的电路对自制柔性电容传感器的电容值进行测量，电容的测量结果与ANSYS仿真计算结果进行对比，结果显示两者比较接近，说明电容传感器模型以及测量电路的设计是合理的。
　　（4）通过对柔性电容传感器施加不同的压力可知，压力的变化与施压前后电容比值的变化呈非线性关系，电容值不再改变时，电容传感器所能感知的压力为30mN，在10-20 mN的范围内，传感器的感知灵敏度最好，灵敏度为40.5%。

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第一章 绪论

1.1电智能纺织品

1.2用于电智能纺织品的传感器

1.3复合型导电高分子材料

1.4本课题的研究内容及意义

第二章FPC柔性印刷电路板电容传感器模型

2.1实验材料

2.2电容传感器模型的设计和制作

2.3电容传感器的电容测量电路的设计

2.4 ANSYS有限元软件对自制电容传感器电容的仿真与计算

2.5实验结果与讨论

2.6本章小结

第三章 碳纳米管的改性处理及表征

3.1实验材料

3.2实验仪器

3.3碳纳米管的改性

3.4改性前后碳纳米管的表征[64]

3.5实验结果与讨论

3.6本章小结

第四章 硅橡胶/碳纳米管复合导电膜的制备与表征

4.1实验材料

4.2实验仪器

4.3碳纳米管/硅橡胶复合导电膜的制备

4.4硅橡胶/碳纳米管复合导电膜性能测试

4.5实验结果与讨论

4.6本章小结

第五章 柔性电容传感器的制作与性能研究

5.1实验材料

5.2柔性电容传感器的设计和搭建

5.3电容传感器电容值的测量电路

5.4 ANSYS有限元软件对电容传感器电容的仿真与计算

5.5电容传感器对压力的测量

5.6 实验结果与讨论

5.7本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢