河工大苑文静副研究员课题组：MXene/聚合物纤维毡用于超高灵敏度、宽传感范围的柔性多功能应变传感器

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近年来，随着柔性电子科学和人工智能技术的发展，柔性应变传感器件逐渐成为了一大研究热点。理想的柔性应变传感器需要具备高灵敏度、低检测限、宽传感范围、良好的柔性和多功能检测。然而，传统的金属基应变传感器由于传感元件的延展性差，其传感范围较窄（<5%）。近年来，碳纳米材料由于兼具良好的柔性，大的比表面积，优异的化学和热稳定性，良好的导电性，被广泛用于柔性应变传感器。通过合理设计传感器结构，优化传感材料，柔性应变传感器的性能已有显著提高。但是，研制兼具高灵敏度和宽传感范围的柔性应变传感器仍然是一项科学难题。

MXene是一种新兴的二维过渡金属碳化物/碳氮化物。它的通式为M_n+1X_nT_x，M代表过渡金属元素，A通常为ⅢA、ⅣA族元素（主要指Al或Si），T_x代表表面官能团（如−O, –OH, –F）。与大多数其他二维材料（如石墨烯）不同，MXene具有良好的亲水性（由于表面具有丰富的亲水官能团）和高的本征金属导电性（电阻率在7×10⁻⁵−4×10⁻³ Ω cm范围），同时原子层厚度的MXene纳米结构具有良好的柔性，使其在柔性应变传感领域表现出潜在的优势。如何将这种具备诸多优异性能的MXene二维片层与弹性体组装或复合得到有序的宏观结构，同时不牺牲其固有的优异性能，是目前亟待解决的关键问题之一。

近日，河北工业大学材料科学与工程学院苑文静副研究员课题组采用静电纺丝技术制备了柔性聚合物纤维毡（PF）。该纤维毡具有均匀的纤维网络和孔隙结构，表现出良好的柔性和优异的弹性。二维MXene片层表面由于具有丰富的功能化基团（−O, –OH, –F），可通过氢键或静电相互作用包覆于纤维毡表面，得到高柔性的、可拉伸的导电M/PF毡。M/PF毡的联锁网络能够预存形变。当M/PF毡被拉伸时，纤维网络变得致密，并且纤维趋向于沿应变方向平行排列，可以缓冲单个MXene/聚合物纤维上的应变负荷，从而扩大传感范围。高导电二维MXene片层可使传感网络具有较低的初始电阻。拉伸后片层间发生相对滑动使导电层电阻增加。较低的初始电阻可赋予导电层更高的相对电阻变化率（灵敏度）。因此，该M/PF毡应变传感器表现出优异的综合传感性能，包括超高的灵敏度（应变系数（GF）达到228），低的检测限（0.1%），宽的传感范围（0-150%），以及良好的稳定性（超过3000次），可实现对拉伸、弯曲、压缩等不同形变的检测。通过调节弹性体组分比例，可实现对灵敏度和传感范围的可控调节。同时，该M/PF毡传感器可应用于人体活动和各种生理信号的实时监测，在柔性可穿戴电子器件领域具有潜在的应用前景。

图1.（a）M/PF毡应变传感器的制备示意图；（b）柔性PF纤维毡（白色）和M/PF毡（黑色）照片；（c）具有高度联锁结构的PF毡的SEM图像；（d）M/PF毡的SEM图像

图2.（a）M/PF毡应变传感器在0%-100%形变下的静态响应曲线；（b-c）M/PF毡传感器在0.1%-100%应变下的动态响应曲线；（d）M/PF毡传感器的相对电阻变化率随拉伸形变变化的曲线；（e）不同弹性体组分M/PF毡传感器的电阻-应变曲线；（f）M/PF毡传感器在不同拉伸速率下的响应（50%应变）；（g）M/PF毡传感器在10%应变下循环3200次的稳定性曲线

图3. M/PF毡传感器在人体运动检测和生理信号监测中的应用：（a）手指弯曲的传感信号；（b-c）传感器附在手臂上对肌肉运动的检测；（d-e）传感器附在胸部对呼吸的监测；（f）脉搏检测；（g）传感器附在人体喉结处对发声的识别和检测

该研究以“A highly flexible and multifunctional strain sensor based on MXene/polyurethane fibrous mat with ultrahigh sensitivity and broad sensing range”为题发表在Nanoscale上。

该文章的第一作者为河北工业大学硕士研究生杨凯。该研究获得了国家自然科学基金 (No. 51702084) 的资助。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/NR/C9NR00488B#!divAbstract

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