纳米纤维基柔性电子皮肤的构筑和结构与性能的研究

With the previous studies on the fabrication of nanofiber materials and surface functionalizations, a nanofiber based electronic skin with pressure sensitivity, 3-D flexibility and comfortability is designed and built. A novel technique of preparing stretchable conductive nanofibers is developed. The deformation and conductivity of the fabricated nanofibers can reversibly changed during repeated stretching and releasing cycles.The interaction mechanism between doped conductive metal nanoparticles and macromolecular chains is investigated. The nanofiber membrane with reversibly inter-lockable arrays on surfaces is constructed. The pressure sensor is assembled by bringing the arrays on the upper and lower layers into contact, and making them paired. The effect of inter-lockable array structures on the performance of pressure sensor is investigated. An organically conductive nanofiber bundle with conductive polymers on surfaces is attemped to be employed to improve the performance of electrochemical transistor which can quickly and effectively amplify weak signals from the pressure sensor with low applied voltage. The mathmatical relationships between physical and chemical structures of nanofiber bundles with the performance of transistor is illustrated. The nanofiber array based pressure sensor and transistor are assembled into a 3D flexible electronic skin by the weaving technique. The quantitative model of material structures and weaving models with the performance of electronic skin is established. The output of the project offers a new and creative way to develop nanofiber based wearable and flexible electronic devices.

以前期对纳米纤维材料的制备和功能化改性的研究为基础，设计、构筑了具有压力传感、三维柔顺和舒适性的纳米纤维基电子皮肤。发展在循环应力变形中，形变能够恢复，导电性能能够可逆变化的弹性导电纳米纤维制备的新技术，研究原位掺杂的导电金属纳米粒子与弹性纤维大分子链间的相互作用，阐明其弹性可逆导电机理；将弹性导电纳米纤维构筑成表面具有不同空间几何结构、并能够可逆性互锁的阵列的弹性导电纳米纤维膜，组装成高灵敏度阵列基压力传感器，揭示纳米纤维基阵列结构对压力传感性能的影响规律；探索采用束状纳米纤维，并在纳米纤维表面组装或聚合有机导电聚合物来提高纤维基电化学晶体管性能的途径，建立有机导电纳米纤维束的物理形态、化学结构与晶体管性能的数量关系；将压力传感器与晶体管编织集成，提出材料结构、编织模式与电子皮肤的性能之间的理论模型，为纤维基可穿戴式柔性智能电子器件的开发提供新颖的、探索性的研究思路。

具有三维柔性的人造电子皮肤或电子纺织品，能够实时监测人体姿势动作和生理信号，能广泛应用于柔性可穿戴电子器件和智能操控系统。本项目按照原定计划开展，已经完成了预期目标并形成了相应的研究成果。项目主要成果包括：.1）成功制备了尺寸可控的热塑性聚烯烃弹性体（POE）纳米纤维，揭示了影响POE纳米纤维尺寸及分布规律的关键工艺参数；开发了以Ag@POE、AgNWs/POE、PPy@POE为代表的循环应力下可回复的导电弹性纳米纤维集合体材料的制备和稳定分散途径； .2）通过构筑具有不同表面结构的导电纳米纤维膜，研究了表面微阵列结构对压力传感器灵敏度、器件电阻、响应时间和最低可测下限的影响规律，建立了表面结构与传感性能间的数量模型，阐明了压阻式传感器的传感机理；其中，项目组首次提出使用柔性纳米纤维制备具有三维柔性的电子皮肤，获得了当时极高的灵敏度，提出了使用柔性电子皮肤通过智能手机监测人体脉搏的方式。提出了使用可以编织的束状纳米纤维制备超灵敏的应变传感器，获得的极高的灵敏度（GF=13920）目前仍处于国际领先水平；.4）以纳米纤维纱线为基体，复合导电聚合物作为活性材料的纳米纤维基有机电化学晶体管，研究了电化学晶体管的转移、输出等性能，以及对电流的放大作用。其中详细研究了纳米纤维量对导电聚合物形态的影响以及对部分电解质的传感性能；.5）将所制备的纳米纤维基压力传感器和晶体管进行了集成，研究了集成方式对纳米纤维基电子皮肤信号输出的关系模型。研究了纳米纤维基电子皮肤的工作机制；.本项目通过4年的研究，形成了以下研究成果：发表SCI论文37篇, EI论文1篇，；授权发明专利5项；参加国际会议并做口头汇报3次，参加国内会议7次；。 联合培养博士研究生2名，其中，1名已毕业，1名在读；培养硕士研究生9名，其中5名已毕业。