华南理工大学李红强副教授/曾幸荣教授课题组：具有优异综合性能的室温可自修复应变传感器

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近年来，由于物联网和各种智能终端的快速发展，柔性可穿戴式电子器件在医疗保健、VR虚拟现实、电子皮肤和智能机器人等领域具有巨大的应用潜力。其中，电阻式应变传感器由于信号转换快、采集简单、成本低廉而受到了广泛的关注。柔性电阻式应变传感器一般由有机高分子基材(PDMS、PU、Ecoflex等)和导电纳米材料(石墨烯、碳纳米管、银纳米线等)组成。然而大多数已报道的传感器受传感材料，结构设计或制备方法的制约，难以获得出色的综合性能，严重限制了现实生活中的大规模应用。此外，柔性基材在反复变形下易于损坏，导致传感器的机械性能和使用寿命急剧下降，基于Diels-Alder反应、氢键、亚胺键、金属-配体配位等功能基材被用来赋予传感器自修复功能，然而提高使用寿命的同时也面临力学性能差、易塑性变形或需要外部刺激(如近红外照射)的问题。因此，以实际应用需求为导向，开发综合性能优异的新型室温可自修复传感器具有重要意义。

图1 基于AgNWs@TGF三维导电网络室温可自修复应变传感器的制备过程

最近，华南理工大学李红强副教授/曾幸荣教授课题组报道了一种综合性能优异的室温可自修复传感器，该传感器以镍泡沫为模板，浸涂氧化石墨烯(GO)后经过还原、刻蚀反应制得巯基化石墨烯三维支撑骨架(TGF)，然后通过浸涂负载银纳米线后得到三维二进制导电网络AgNWs@TGF。最后通过灌注带双硫键(S-S)的室温可自修复功能化聚氨酯(FPU)得到AgNWs@TGF/FPU应变传感器。

图2 传感器断面电镜图片(a, b)、传感机理(c)以及应变系数与拉伸应变的关系(d, e)

电镜图像显示(图2 a, b)，FPU将AgNWs@TGF导电网络完全填充。AgNWs的负载量增加会导致传感器应变系数(GF)降低(图2 d, e)，当传感器处于拉伸状态时，传感器的电阻发生响应并增大，这主要是因为柔性基材FPU会带动AgNWs三维导电网络发生拉伸，从而导致AgNWs之间发生相对滑移，AgNWs间接触点减少，电子通行能力减弱，由拉伸状态转为恢复状态时，则此过程反向进行(图2 c)。当断裂的传感器经过室温24 h放置后，传感器完全愈合(图3 a)，且愈合后传感器的电阻和应变系数变化很小(图3 b, c)，这主要是基于FPU脲基间氢键重建和双硫键交换重构的协同作用(图3 d)。此外，接触界面AgNWs与FPU双硫键间的Ag-S配位作用力也有利于传感器的自修复。

图3 传感器自愈合前后扫描电镜对比(a)、电学性能对比(b, c)和愈合机理图(d)

该传感器具有优异的综合性能(检测极限0.1 %、应变范围60 %、响应/松弛时间40/84 ms、疲劳测试漂移现象较弱等) (图4 a-d)，可应用于检测脉搏、点头、行走、手腕/手肘弯曲、书写等各种人体活动(图4 e-g)。

图4 传感器的检测极限(a)、响应/松弛时间(b,c)、疲劳测试(d)以及对不同人体运动的检测(e-g)

相关研究成果以“Three-Dimensional Binary-Conductive-Network Silver Nanowires@Thiolated Graphene Foam Based Room-Temperature Self-Healable Strain Sensor for Human Motion Detection”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文第一作者为华南理工大学材料学院博士生张林，通讯作者为华南理工大学李红强副教授、曾幸荣教授。

论文连接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13442

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