自修复聚氨酯导电弹性体的制备及其在柔性拉伸/压缩双应变传感器中的应用研究

Flexible strain sensor with self-healing ability has a great applications in the filed of strain detection, however it remains a challenge to prepare a flexible strain sensor with great mechanical properties, excellent repeatable self-healing ability, and dual-function to sensitively detect the stretch/compressive deformation. This project will design and synthesis a thermoplastic polyurethane with S-S bond that can be fast healed without external stimulus, then combine it with self-healing liquid metal nanoparticles and carbon nanotubes, to get a conductive thermoplastic polyurethane elastomer with non-external stimulated self-healing ability and enhanced mechanical properties. Designing certain micro-structurals and using 3D printing technique to convert the synthesized conductive polyurethane elastomer into a flexible sensor. Such sensor can sensitively detect the stretch/compressive deformation in a wide range, and can be used for human motion monitoring. This work will be a guidance to the design and fabrication of the high performance flexible strain sensor with self-healing ability, and will push forward the industrial-scale production and widespread use of the flexible strain sensor.

自修复柔性应变传感器在应变检测领域有着巨大的应用前景，但是如何快速制备出具有优良力学性能和重复修复性，并能同时灵敏检测拉伸/压缩应变的柔性传感器仍然是一个亟待解决的问题。本项目拟设计合成无需外界刺激即可快速自修复的双硫键型热塑性聚氨酯，结合具有修复功能的室温液态金属纳米颗粒和力学增强性能的碳纳米管，制备出无外界刺激即可重复快速修复的力学性能增强型热塑性聚氨酯导电弹性体。设计合理的微结构，利用3D打印方法将制备的聚氨酯导电弹性体快速构造成可在宽应变范围内同时灵敏检测拉伸/压缩形变的柔性应变传感器，并将其应用到人体活动监测中。本项目的实施将为高性能自修复柔性应变传感器的设计与制备提供一定的指导意义，同时也对柔性应变传感器工业化生产和广泛应用有一定的推动作用。

应变传感器在使用过程中会面临因机械损伤而导致传感器性能衰减的问题。自修复柔性应变传感器可在结构受损的情况下自行实现材料结构和传感性能的修复，因此在人-机交互、智能穿戴等领域有着巨大的应用前景。但是如何快速制备出具有优良力学性能和重复修复性，并能同时灵敏检测应变的柔性传感器仍然是一个亟待解决的问题。基于此，本项目设计并制备具有自修复功能的聚合物基体材料，将其与具有自修复功能的室温液态金属复合，再通过工艺成型制备出具有快速自修复功能的柔性应变传感器，取得的主要成果如下：1）分别设计并合成了室温下6小时可实现95%修复（室温下12小时可实现完全修复）和特殊环境下（室温下8小时可实现100% 修复，且在水中，-50 oC 亦可自修复）可自修复的聚合物弹性体。同时获得了不同单体摩尔比例对聚合物材料力学性能和自修复性能的影响规律；2）研究室温液态金属与自修复弹性体结合力的调控技术，并通过不同工艺制备出自修复型导电弹性体；3）分别设计并制备了自供能和可编织的自修复应变传感器，其中自供能的自修复应变传感器，不仅实现了机械能收集和人体活动的实时传感监测，而且在经过4个损伤-修复循环后，依然能维持初始的性能；4）开发了多种技术手段，实现了多种高性能电池负极材料的制备，并获得具有优异电化学性能的二次电池器件。此类器件可为应变传感器提供工作的电能，也可作为纳米发电机收集能量的存储装置。上述研究成果对设计并合成自修复型聚合物材料、导电弹性体及由此开发的自修复型、自供电型、可编织、可穿戴型电子器件具有重要的指导意义。