第一作者：王軍
通訊作者：林靜、胡德超、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
基于導(dǎo)電彈性體(CE)的柔性應(yīng)變傳感器為醫(yī)療保健、人機(jī)界面和軟機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了希望。然而，通過(guò)簡(jiǎn)單的制備工藝，獲得具有優(yōu)異拉伸性、寬應(yīng)變范圍、高靈敏度和出色穩(wěn)定性的CE應(yīng)變傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
近日，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心羅堅(jiān)義教授、林靜博士團(tuán)隊(duì)及佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院胡德超博士結(jié)合了疏-密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，報(bào)道了通過(guò)簡(jiǎn)單的一步法，研制了基于天然橡膠(NR)和改性MWCNTs (m-MWCNTs)的疏-密分層結(jié)構(gòu)導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料(CECs)。利用非離子表面活性劑Triton x-100的濁點(diǎn)，通過(guò)控制Triton x-100的含量和分散溫度，形成了疏-密的導(dǎo)電層，且層狀結(jié)構(gòu)之間具有良好的連接?！笆琛睂?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在小變形時(shí)的嚴(yán)重滑移和“密”導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在大應(yīng)變時(shí)的撕裂可以協(xié)同提高NR/m-MWCNTs CECs的力學(xué)性能和傳感性能。因此，設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器可以在0-200%和200-423%的應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和線(xiàn)性度，優(yōu)于大多數(shù)其他先進(jìn)的CECs應(yīng)變傳感器，同時(shí)具有檢測(cè)范圍寬(1% ~ 423%)、響應(yīng)時(shí)間快(0.23s)、重復(fù)性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，NR/m-MWCNTs CECs具有優(yōu)越的電熱性能，研制的應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于肘部護(hù)墊和膝部護(hù)墊中，用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。上述結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的疏-密分層CECs在智能可穿戴電子產(chǎn)品中具有極大的應(yīng)用潛力。
本工作以“A sparse-dense hierarchical structured conductive elastomer composites for highly sensitive and stretchable strain sensor”為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal 上。
論文具體工作內(nèi)容
圖1 疏-密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，具有可調(diào)控的傳感特性和多種應(yīng)用場(chǎng)景。（a）CECs疏-密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)。（b）疏-密層級(jí)結(jié)構(gòu)CECs應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理。（c）具有無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)和焦耳加熱功能的智能可穿戴電子設(shè)備。
圖2 疏-密層級(jí)結(jié)構(gòu)NR/m-MWCNTs CECs制備工藝流程圖
圖3 NR/m-MWCNTs CECs的SEM截面形貌圖：（a）NR/MWCNTs-1;（b）NR/MWCNTs-3;（c）NR/MWCNTs-5 ;（d）NR/MWCNTs-7;
圖4 NR/m-MWCNTs-5 CECs的疏-密層級(jí)結(jié)構(gòu)的表征（a）TEM上側(cè)圖像；（b）TEM下側(cè)圖像；（c）上側(cè)XRD；（d）下側(cè)XRD；（e）上側(cè)FITR；（f）下側(cè)FITR.
圖5 （a）NR/m-MWCNTs CECs下側(cè)電導(dǎo)率（b）NR/m-MWCNTs CECs上側(cè)電導(dǎo)率（c）NR/m-MWCNTs CECs電阻（d）NR/m-MWCNTs CECs力學(xué)性能。
圖6 NR/m-MWCNTs-5 CECs的應(yīng)變傳感器的傳感性能。（a）NR/m-MWCNTs-5 CECs在應(yīng)變范圍內(nèi)的電阻響應(yīng)和GF。（b）大、小應(yīng)變下傳感器的傳感機(jī)理。（c）不同傳感器最大應(yīng)變下的GF比較。（d）20%-120%應(yīng)變范圍內(nèi)，拉伸速度為100mm/min的相對(duì)電阻響應(yīng)。（e）100%-350%應(yīng)變范圍內(nèi)，拉伸速度為100mm/min的相對(duì)電阻響應(yīng)。（f）傳感器在100應(yīng)變的加載和卸載拉伸下的遲滯曲線(xiàn)。(g)100%應(yīng)變下不同速度的相對(duì)電阻響應(yīng)。（h）實(shí)時(shí)拉伸過(guò)程中，拉伸和釋放的響應(yīng)時(shí)間。（i）100%應(yīng)變下，1000次循環(huán)應(yīng)變測(cè)試的相對(duì)電阻響應(yīng)。
圖7 NR/m-MWCNTs應(yīng)變傳感器對(duì)關(guān)節(jié)和微小肌肉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，彎曲角度對(duì)應(yīng)的電阻變化。（a）手指；（b）肘部；（c）膝關(guān)節(jié)；（d）微笑；（e）吞咽；（f-h）說(shuō)話(huà)。
圖8基于NR/m-MWCNTs應(yīng)變傳感器的智能可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用（a）運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、顯示的工作過(guò)程示意圖。（b）不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知場(chǎng)景的照片。（c）對(duì)應(yīng)的相對(duì)電阻響應(yīng)。
圖9 NR/m-MWCNTs CECs的電熱性能。（a）電壓-電路曲線(xiàn)。（b，c）表面溫度-時(shí)間曲線(xiàn)。（d）不同電壓下的實(shí)時(shí)紅外熱成像圖（e）14電壓下，連續(xù)5個(gè)周期的溫度響應(yīng)。（f）不同電壓下的溫度響應(yīng)。（g）表面溫度與U2的關(guān)系（h）14V電壓下溫度響應(yīng)的耐久測(cè)試。
總結(jié)與展望
通過(guò)簡(jiǎn)單的一步法成功制備了基于NR/m-MWCNTs的疏-密層級(jí)CEC。疏-密層級(jí)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)控制Triton x-100 的含量和分散溫度制備，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械和傳感性能。稀層和密層之間的優(yōu)良連接，從而保證了NR/m-MWCNTsCECs的突出綜合性能。系統(tǒng)研究了傳感機(jī)理，展示了兩種傳感模型，疏導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在小變形下的嚴(yán)重滑移和大應(yīng)變下密導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的撕裂協(xié)同提高了NR/m-MWCNTs的傳感性能。因此，基于NR/m-MWCNTs CEC的制備應(yīng)變傳感器在 0-200%（GF=37.9和R=0.99366）和200%-42%（GF=72.8和R=0.9933）的傳感性能，優(yōu)于大多數(shù)其他最先進(jìn)的CECs應(yīng)變傳感器。同時(shí)，此傳感器也兼具寬檢測(cè)范圍（1%-423%），響應(yīng)時(shí)間快（0.23s）、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性。此外，應(yīng)變傳感器還成功地應(yīng)用于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、發(fā)音和吞咽。NR/m-MWCNTs CEC具有卓越的電熱性能。我們開(kāi)發(fā)的疏-密層級(jí) CECs能夠在智能可穿戴電子設(shè)備中，監(jiān)測(cè)各種人體運(yùn)動(dòng)。同時(shí)這項(xiàng)工作為高靈敏和可拉伸的應(yīng)變傳感器的發(fā)展提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的策略。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：王軍，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2022級(jí)材料與化工碩士研究生。
通訊作者：林靜，應(yīng)用物理與材料學(xué)院碩士生導(dǎo)師，江門(mén)市二級(jí)高層次人才，以第一作者在Adv. Funct. Mater.、Small、Chem. Eng. J、ACS Appl. Mater. Interfaces等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI論文15篇，EI論文2篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)。主持省級(jí)項(xiàng)目2項(xiàng)。
通訊作者：胡德超，博士，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院特聘青年研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事高分子改性與功能復(fù)合材料方面的研究，以第一/通訊作者發(fā)表論文20余篇，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利12項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等多個(gè)項(xiàng)目。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家（2023），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師，江門(mén)市首屆“僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
A sparse-dense hierarchical structured conductive elastomer composites for highly sensitive and stretchable strain sensor
DOI: 10.1016/j.cej.2023.146759
