碳气凝胶增强PDMS纳米复合材料具有可控和分级的微结构,可用于多功能可穿戴设备

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:11
文章英文标题
Carbon aerogel reinforced PDMS nanocomposites with controllable and hierarchical microstructures for multifunctional wearable devices
正文
可穿戴设备在个人医疗发展中日益受到关注。本研究开发了三维多孔碳气凝胶增强聚二甲基硅氧烷纳米复合材料,具有可控和分级的开、半开、闭孔结构,用于多功能可穿戴加热和传感装置。本研究表明,气凝胶的微结构对纳米复合材料的性能,特别是其加热和传感性能起着至关重要的作用。作为热疗加热器,具有半开孔结构的纳米复合材料由于良好的导电网络和结构稳定性,在5   V下的平衡温度为138.9   ° C,具有最高的能量传递效率。与封闭细胞结构的纳米复合材料相比,开放和半开放细胞结构的纳米复合材料具有更高的灵敏度(规整因子δ369.03 )和更好的重复性,这得益于其结构的完整性。最后考察了具有半开放细胞结构的纳米复合材料对人体的实际应用潜力。实验结果表明,作为一种多功能可穿戴设备,其温度分布均匀,灵敏度可靠。因此,通过控制和优化碳气凝胶的微结构,可以开发出具有定制微结构的纳米复合材料,用于各种工程应用,包括新兴的多功能可穿戴设备。
文章内容(英文)
Wearable devices have attracted increasing attention for development of personal healthcare. In this study, three-dimensional porous carbon aerogels reinforced polydimethylsiloxane nanocomposites with controllable and hierarchical open, semi-open and closed cell structures were developed for multifunctional wearable heating and sensing devices. This investigation reveals that the microstructures of the aerogels play a critical role in determining nanocomposites properties, particularly their heating and sensing performances. As thermotherapy heaters, the nanocomposite with semi-open cell structure is observed with the highest energy transduction efficiency (equilibrium temperature ∼138.9 °C under only 5 V) compared to the nanocomposites with open and closed cell structures, due to the well-defined conductive network and structural stability. As stimuli-responsive sensors, compared to the nanocomposite with closed cell structure, the nanocomposites with open and semi-open cell structures are observed with higher sensitivity (gauge factor ∼369.03) and much better repeatability, benefiting from their structural integrity. Finally, the nanocomposite with semi-open cell structure was investigated for practical potential on human body. Experimental results demonstrated the uniform temperature distribution and reliable sensitivity as a multifunctional wearable device. Therefore, by controlling and optimizing the microstructure of carbon aerogels, the nanocomposites with tailored microstructure could be exploited for various engineering applications including emerging multifunctional wearable devices.
来源出处
Journal|[J]CarbonVolume 171, 2021. PP 758-767
DOI
https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2020.09.073

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