基于可膨胀微球/聚二甲基硅氧烷复合介电层的柔性电容式压力传感器

为解决含有微结构的柔性电容式压力传感器工作范围较窄的问题,设计了一种基于可膨胀微球/聚二甲基硅氧烷(PDMS)介电层的柔性“三明治”结构电容式压力传感器,并对介电层的结构和形貌进行表征。通过自行搭建的压力设备和电容采集设备研究了基于可膨胀微球/PDMS介电层传感器的力学性能和电学性能。结果表明:通过向PDMS介电层中加入可膨胀微球显著降低了介电层的杨氏模量,同时提高了压力下介电层的介电常数,可膨胀微球/PDMS介电层传感器的工作范围可达400 kPa,最大灵敏度达到0.06 kPa?1,在100 kPa的负载循环下具有较好的重复性和稳定性,且具有较低的迟滞性(4.7%),可以准确迅速地检测到指尖压力,在生命健康等领域具有潜在的应用前景。      

基于多向冷冻法制备的高灵敏度柔性电容式压力传感器

近年来柔性电容压力传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性，广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。本文围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标，设计了一种基于多向冷冻工艺构筑的三维交联网络结构多壁碳纳米管(MWCNTs)/聚二甲基硅烷(PDMS)海绵为介质层的柔性电容式压力传感器，并对该传感器的制造过程、传感机制、响应性能和人体适用性进行表征。结果表明：通过多向冷冻法可成功构建三维网络结构MWCNTs/PDMS海绵介质层，且此介质层组装的柔性电容式压力传感器具有较高灵敏度(～1.94 kPa^-1)、低检测限(～4 Pa)、快响应时间(～250 ms)、良好稳定性及人体适用性。该柔性传感器在可穿戴电子产品中具有良好的应用前景。     

新型MEMS电容真空传感器的设计及其分析

为了延伸MEMS电容式真空传感器测量范围、提高抗过载能力,设计了一种新型岛状结构下电极。利用有限元方法分析该结构与传统结构真空传感器的压力-挠度、压力-电容、压力-薄膜应力关系。研究发现,与传统结构相比,新型结构真空传感器的低压灵敏度更高、线性输出性能更好、抗过载能力更强,可为MEMS电容式真空传感器研制提供参考。     

乙炔黑掺杂NiOx电极及其应用

应用新型乙炔黑对NiOx电极进行固相掺杂，可改变NiOx电极的微结构和组成，增加电极内部离子通道和电子通道数量，提高电极导电性能和活性物质的利用效率，并优化电极的电容特性；在C／NiOx非对称电容体系中，经新型乙炔黑掺杂的NiOx电极其高倍率充放电容量可为未掺杂电极的2．5倍；在实际的工作电压区间，C／NiOx非对称电容的能量密度可为C／C双电层电容的1．5倍。     

新型多纤维陶瓷电容器的设计

提出了一种新型多纤维陶瓷电容器(MFC)。MFC由众多纤维电容器并联而成，而每根纤维电容器由内电极(导电纤维)、介电层和外电极构成。理论分析表明，当纤维直径与介电层厚度相匹配时，MFC的电容比多层电容器(MLC)的电容大，而且MFC也具有更优异的抗击穿性能。     

柔性PDMS基介电复合材料的电场及击穿损伤形貌演变规律研究

与其它储能设备相比,由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势,如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能,本工作基于DBM(DielectricBreakdownModel,介电击穿模型),采用有限元数值模拟,研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明:填料与基体边界处存在较大的介电差异,可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域,继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时,其树状损伤通道更容易产生分支,此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多,延缓其损伤速度,继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。     

电极与介电层褶皱接触对压电式柔性电子皮肤性能的影响

提出了一种基于压电效应制备柔性电子皮肤的简单方法。为了研究纳米改性对柔性电子皮肤各层性能的影响，首先以纳米SiO₂粒子作为改性体，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基体，制备出SiO₂/PDMS复合柔性衬底，解决了在PDMS上磁控溅射沉积电极材料产生裂纹的现象，成功获得能够稳定工作的柔性电极。然后用钛酸钡/碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(BaTiO₃/CNTs/PDMS)复合材料作为功能层，制备出一种五层结构的高灵敏性柔性电子皮肤，并找到一种通过改变基板粗糙度的简单方法构建电极与介电层的褶皱接触，进而提升柔性电极的电导率与柔性电子皮肤的压电响应信号。      

吸波材料厚度无损检测电容式探头优化设计

吸波材料厚度无损检测探头采用电容式设计,为提高探头的检测灵敏度,须对电容式传感器进行优化设计。当两相同尺寸的平面电极通过改变电极间距进行多点探测时,从理论上给出了基于原始保角变换理论的精准电极优化设计方法,得出在设计时电极间距变化不能超过灵敏区,同时电极宽度不能太大且不能设计在峰值点上,基于此方法的优化电极结构能够显著提高电容式传感器的检测灵敏度。     

导体／绝缘体复合材料的电学性质

采用陶瓷工艺两步合成法制备出金属（Ａｇ）／绝缘（ＰＭＮ）体复合材料。ＸＲＤ分析表明金属（Ａｇ）与绝缘体（ＰＭＮ）间不发生反应，分别以两相共存。这种复合材料在两相比例适当的条件下具有电压敏特性。介电特性研究结果表明复合材料具有较高的介电常数，因此可以开发多功能器件。     

电容层析成像系统阵列电极三维优化设计

基于COMSOL软件构建了电容层析成像传感器三维有限元模型,并实现其正问题求解,在此基础上,进行了电容层析成像3层分布的阵列电极传感器参数的无量纲优化设计。首先,分析了传感器的屏蔽层半径R3、电极高度h、电极宽度w及电极层间距l对灵敏度均匀性指标P及电容值动态范围D的影响规律;然后,通过设计正交试验,综合分析各结构参数对优化指标的影响;最终,得到一组电容层析成像三维传感器的优化结构参数:R3=1.50,h=0.20,w=0.20,l=0.06。     

rGO/NiCo复合材料制备及电化学性能研究

超级电容器因其能量密度大、功率密度高等优异性能而被认为是理想的储能器件，能在一定程度上有效解决能源问题。电极材料决定性影响着超级电容器的性能，而具有高理论比电容的过渡金属是人们的研究热点。镍钴双金属氧化物储能效力高，但是内阻大，导致倍率性能差。基于此，本工作利用简单的水热法成功合成rGO@Ni_xCo_y纳米复合材料，通过不断调控镍钴元素的相对比例来调整物质的形貌结构，找到其最佳比例。在所有纳米复合材料中，rGO/NiCo纳米复合材料在0.5 A/g下表现出600 F/g的优异比电容值，其组装的rGO/NiCo∥rGO柔性器件在1 A/g下的比电容为418.2 F/g，能量密度为98 Wh/kg，功率密度为1 300 W/kg，且在8 000次充放电循环后仍保持93%的比电容，同时固态柔性器件可以有效地在广泛的电压窗口中操作，优异的电化学性能预示了其在柔性超级电容器器件中的应用前景。     

纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚苯胺气凝胶柔性电极复合材料的制备与性能

利用高长径比的纤维素纳米纤丝（CNF）与片层结构的氧化石墨烯（GO）形成的CNF-GO复合水凝胶经抗坏血酸还原制备出CNF-还原氧化石墨烯（rGO）复合水凝胶材料。通过冷冻干燥法得到CNF-rGO复合气凝胶,并进一步通过苯胺单体在CNF-rGO复合气凝胶的孔道内原位聚合制备出CNF-rGO/聚苯胺（PANI）气凝胶柔性电极复合材料。研究了不同苯胺、CNF和GO的质量比对CNF-rGO/PANI气凝胶柔性电极复合材料的结构形貌和电化学性能的影响。结果表明,苯胺原位聚合后所得CNF-rGO/PANI复合气凝胶仍具有紧密的三维多孔网络结构。与rGO/PANI气凝胶电极复合材料相比,CNF-rGO/PANI气凝胶电极复合材料具有更理想的电容行为。当CNF与GO质量比为60∶40,PANI添加量为0.1 mol时,CNF-rGO/PANI气凝胶电极复合材料比电容可达85.9 Fg-1,且其电化学性能几乎不受弯曲程度的影响,展现出了良好的柔韧性和电化学性能。      

基于界面相互作用构建纳米纤维素-羧基化碳纳米管-石墨/聚吡咯柔性电极复合材料

以纳米纤维素(CNF)、羧基化碳纳米管(CNTs—COOH)、铅笔石墨(PGr)、聚吡咯(PPy)为原料,通过真空抽滤、涂覆、氧化聚合等方法,同时基于氢键界面相互作用的原理,制备出具有石墨层结构的CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料。结果表明,CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料在平直、折叠和拉伸时不会断裂,展现出较强的力学性能,其拉伸强度达到28.90 MPa。亲水性CNF与CNTs—COOH构筑的多孔结构增强了离子和电子的扩散路径。PGr的加入有效增加了CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料的导电路径,赋予其优良的导电性能。氧化聚合后得到的CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料的电导率达到5.403 S·cm?1。在1 mol·L?1 H₂SO₄溶液中,0.5 A·g?1电流密度下,CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料具有521 F·g?1的高比电容量,且经过1 500次充放电循环后,其电容保持率高达68%。基于柔性电极优良的力学性能、电化学性能和导电性能,CNF-CNTs—COOH-PGr/PPy柔性电极复合材料具备成为柔性储能器件电极材料的基本特性。      

纳米MoS2及MoS2-RGO纳米复合材料的制备与电化学性能研究

高性能电极材料的开发是推广新型储能器件的核心所在。二硫化钼(MoS_2)呈现类石墨烯结构,其二维层间具备良好的电荷储存能力。然而MoS_2本身导电性能较差,用于电极材料时需要与其它材料复合以提升导电性能。采用水热法,并分别选用抗坏血酸和硫脲作还原剂,制备得到两种不同形貌结构的纳米二硫化钼。以石墨烯为模板,采用水热法在石墨烯表面生长纳米结构MoS_2,制备得到二硫化钼-还原氧化石墨烯(MoS_2-RGO)纳米复合材料,通过循环伏安测试(CV)和恒电流充放电测试(CP)考察了复合材料的电化学性能。实验结果表明,MoS_2-RGO纳米复合材料呈现平面双电层电容性能,电流密度为1 A/g时,其比电容值达136.2 F/g。     

第六讲：真空测量

第六讲：真空测量刘玉岱（东北大学）二、全压力测量７．电容式薄膜真空计（上接１９９７第２期）根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成的真空计称为电容式薄膜真空计，它由电容式薄膜规管（又称为电容式压力传感器）和测量仪器两部分组成。根据测量...     

电极制备工艺对褐藻多孔碳双电层电容性能的影响

为探究电极制备过程对材料双电层电容可能带来的变化,以褐藻为前驱体制备多孔碳,研究了电容测试过程中碳颗粒尺寸和电极制片压力两种工艺参数对其双电层电容性能的影响规律.通过将多孔碳粉末严格筛分成5组不同的尺寸,分别制成电极并测试其充放电性能和循环伏安曲线,得到比电容随颗粒尺寸变化的规律;再选取优化尺寸的多孔碳,在4种不同的压力下制成电极片,进而研究了不同制片压力对电极电容的影响规律.研究表明,在微米级,所制电极的比电容随碳颗粒尺寸的减小显著增加,同时随制片压力的增大,比电容先增大后减小.本实验条件下,碳颗粒尺寸小于25μm、制片压力为10 MPa(对应电极片所受真实压强约619 MPa)时,得到的电极片具有最高的比电容值.     

一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计

提出了一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计．根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度大小．保证输出电压与加速度之间的线性度．系统刚度可由静电力调节、为了提高电学灵敏度,在检测电容极板上设计高K介质层,增大了检测电容量,减小了杂散电容的影响．使用Coventor Ware对本设计进行机械分析、力电耦合分析和模态分析,仿真结果与理论计算相吻合．加速度计使用简单的表面牺牲层工艺即可完成,具有很好的发展前景．     

碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料的制备及性能研究

柔性超级电容器作为一种储能器件,具有功率密度高、充电时间短、循环寿命长、比电容高等优点,可满足可穿戴器件的需求,而柔性电极材料是决定柔性超级电容器发展的关键因素,它决定着电容器的主要性能指标。采用混纺的方法制备了碳纤维含量为20%(质量分数)的碳纤维/棉纤维混纺纱线,然后通过电化学沉积法在碳纤维/棉纤维混纺纱线上生长聚吡咯颗粒,成功制备了20%(质量分数)碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料。利用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析仪和电化学工作站研究了复合材料的形貌、聚吡咯沉积情况以及复合材料的电容性能。结果表明,20%(质量分数)碳纤维/棉纤维/聚吡咯柔性复合材料中,聚吡咯颗粒直径为30~60 nm,且沉积均匀,化学活性较高;在1.02 mA/cm^2电流密度下,复合材料的最大比电容达到1.28 F/cm^2,其高比电容归因于电极的独特结构;复合材料具有良好的柔韧性、机械稳定性和充放电循环寿命,其经过6000次弯曲循环后,电容保持率仍有80%以上,可以用作柔性可穿戴超级电容器的电极材料。     

4H-SiC MEMS高温电容式压力敏感元件设计

为了研制Si C高温电容式MEMS压力敏感元件以满足高温环境下压力参数测量,设计了一种基于P型4H-Si C减薄抛光工艺制备高温变间隙电容式压力传感器敏感元件结构方法;通过数值仿真,研究了敏感元件的性能,得到敏感元件输出电容随压力、温度的变化曲线;通过微机械加工工艺制备出了Si C电容式高温压力传感器敏感元件,研制出Si C电容式高温压力传感器原理样机,通过模拟高温压力传感器样机工作环境,搭建了高温微压测试平台并对原理样机进行性能测试;结果显示,样机在873.15 K下能够正常工作,灵敏度为18.7 f F/k Pa,非线性为12.60%,迟滞为0.47%,能够满足解调电路拾取压力信号.     

硅体微机械叉指电容式加速度传感器设计研究

提出了一种硅体微机械加工叉指电容式加速度传感器结构，对其工作原理，器件性能优化设计与制作工艺流程进行了分析，得出分优化的结构参数，本结构的电容值比ＡＤＸＬ５０加速度传感器大２０倍以上，同时可避免器件与衬底材料的寄生电容，这种结构的传感器对界面电路的要求较低，更便于制出集成化处理电路。