三维螺旋纤维压电应变传感器的制备和性能开题报告

1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

(1)研究意义

当前，应变传感器在各种工业、汽车、医疗、生物医学、运动、航空、机器人和消费电子等领域得到了广泛的应用。但是随着科技的进步，智能终端的普及，对应变传感器的性能提出了越来越高的要求。^[1]以前研究得最多的应变传感器是压阻式和电容式^[2-3]，一般地，压阻式传感器具有高的灵敏度^[4]，而线性度和滞后性比较差，电容式传感器刚好相反^[5-7]，另外这两个类型的传感器都需要大量的功率来操作，这限制了它们的适用性。而压电应变传感器却拥有均衡的性能，且它属于典型的有源器件，其在测量时能将机械能转化为电能，从而输出电信号，无需额外的能源供应。压电传感器的出现从而打破了压阻、电容传感器的应用局限。这对传感器高灵敏度、高线性度，低功耗、低滞后性等性能的提升具有重要的意义。

另一方面，穿戴健康设备、外科手术，智能技术领域如电子皮肤、结构健康侦测等领域^[8-9]又对压电传感器的变形能力提出了更高的要求。在众多压电材料中，压电晶体和压电陶瓷都是脆性材料，只有压电聚合物具有良好的可拉伸性。压电聚合物包括聚偏氟乙烯、奇数尼龙、纤维素、合成多肽等。其中聚偏氟乙烯（PVDF）是聚合物中压电效应最强且应用最广泛的一种压电聚合物^[10]。然而，PVDF的本征断裂伸长率仅为50%^[11]，无法满足高拉伸压电传感器的变形要求。所以本课题提出一种全新的方法：以聚丙烯酸酯双面泡绵胶带（VHB胶带）为基底，用静电纺丝法制备三维螺旋形聚偏二氟乙烯压电微米纤维。并制备柔性压电应变传感器^[12-15]。以满足高拉伸压电传感器的变形要求。

(2)研究目的

针对目前压阻式和电容式应变传感器应用局限，本课题以VHB胶带为基底，用静电纺丝法制备三维螺旋形聚偏二氟乙烯压电微米纤维。最终达到基于这种波浪形微米纤维制备出拉伸率超过现有极限(110%)的压电式应变传感器，并实现将该传感器应用于侦测人体关节运动的目的。

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

(1)研究的基本内容、目标

目标：采用静电纺丝法制备三维螺旋形聚偏二氟乙烯压电微米纤维，

并制备柔性压电应变传感器，探索其压电性能以及在人体运动侦测方面的实际应用。

主要研究内容包括：

1）制备三维螺旋聚偏二氟乙烯压电微米纤维及其应变传感器；

2）研究上述压电纤维和传感器在拉伸条件下的形变行为及规律；

3）研究上述压电纤维和传感器的压电性能，以及人体运动侦测性能；

4）结合分子结构分析压电效应产生的机理。

(2)拟采用的技术方案及措施

1）PVDF压电微纤维及其压电式应变传感器的制备：

本课题选用VHB胶带作为柔性基体，通过静电纺丝制备三维螺旋形聚偏二氟乙烯压电微米纤维。具体过程如下：首先以PVDF、DMF和丙酮为原料制备纺丝液，将三者按比例混合后，磁力搅拌12小时。之后注入设备中进行纺丝，调节电极高度、电压、PVDF浓度、针管粗细等使纺丝参数最优。纺丝时，注射器内的纺丝溶液从喷丝头注入强电场，液滴在受到表面张力和电场力的作用下变成圆锥形(即Taylor 锥)。随注射器不断挤压，液滴从Taylor 锥尖端喷出，在电场中拉伸，最后克服表面张力并发生非稳定性弯曲分裂成射流。由于比表面积迅速增大，溶剂快速挥发形成纳米纤维，最后固化沉积在接收装置上。制备出三维螺旋形纤维。再在PVDF微米纤维阵列两端用离子溅射仪喷镀Au层作为电极，最终从两端电极处引出两根Cu导线，获得能用于性能测试的压电应变传感器。

2）压电应变传感器的性能及在人体运动侦测方面的适用性：

研究的性能主要包括力学拉伸性能和压电响应性能，首先测试VHB胶带的拉伸性能，然而分别观察在100%、200%、300%、400%和500%拉伸下波浪形PVDF纤维的微观形貌变化。其次研究压电传感器的压电响应特性，包括频率响应特性、应变响应特性和PVDF纤维根数对压电性能及透光率的影响，最后验证传感器在人体运动侦测方面的适用性，包括手指、手腕和手肘运动。

3．进度安排

4．参考文献

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