陕科大马忠雷副教授和西工大张广成教授：基于微孔结构与隔离结构多层次结构设计的轻质、柔性且高灵敏聚合物基应变传感复合材料

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编者按

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应力、应变传感材料是一种可将拉、压、弯等外界刺激转换为可视电信号的功能材料，在软体机器人、运动监测及可穿戴设备中具有重要的应用价值。随着柔性电子技术与人工智能领域的快速发展，迫切需要兼具轻质、柔性且高灵敏度的新型传感器件，以实现对外界环境的智能感知及实时人机交互。传统基于金属或半导体的应力应变传感材料虽然灵敏度高且响应快速，但存在密度大、可穿戴性低和成型加工困难等缺点。聚合物基导电复合材料具有成型加工容易、耐化学腐蚀且成本低等优势，因而在柔性应力应变传感领域具有重要的应用价值。然而，要达到良好的导电性能和传感性能通常需要较高的填充量，严重影响复合材料的可加工性和力学性能（主要是强度和柔韧性）。因此，如何在低填充下制备兼具轻质、柔性且高灵敏的聚合物基应力应变传感材料仍然具有较大的挑战性。

本研究基于微孔结构与隔离结构多层次结构设计，首先采用绿色环保的超临界CO₂微孔发泡技术制得轻质、高回弹的尼龙弹性体（Pebax）微孔珠粒，通过浸涂法将导电银（Ag）包覆于Pebax微孔珠粒表面制得高导电Pebax@Ag复合微孔珠粒，再与聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管（PDMS/MWCNT）前驱体复合并固化成型制得轻质、柔性且高灵敏的隔离型微孔发泡应变传感复合材料（图1）。

图1 隔离型微孔发泡应变传感复合材料的制备示意图

隔离型微孔发泡复合材料中Pebax@Ag微孔珠粒的“体积排除”效应使MWCNTs选择性地分布于微孔珠粒之间，从而构筑形成高效三维导电网络，提高了连续相中MWCNTs的局部有效浓度，显著降低了复合材料的导电逾渗阈值（从2.0 vol%降低至0.28 vol%）。微孔结构的引入不仅降低了复合材料的质量密度（0.62 g/cm³），并且进一步改善了复合材料的柔性和回弹性（图2）。

图2 隔离型微孔发泡应变传感复合材料的微观结构与压阻传感特性

此外，Pebax@Ag微孔珠粒与PDMS/MWCNT连续相之间存在微米级间隙，在外施压缩应变下微间隙闭合，微孔珠粒的导电Ag球面与MWCNTs相互连接形成高效导电通路，有利于提高复合材料在外施压缩应变下的传感性能。与均匀共混复合材料相比，隔离型微孔发泡复合材料不仅具有轻质、高回弹和低逾渗阈值等特点，而且在低填充下表现出更优异的电导率和压阻传感特性。该结果主要得益于：（1）由“体积排除”效应导致的高MWCNT局部有效浓度；（2）高效3D MWCNT/Ag球面导电通路的构筑；（3）高回弹微孔发泡Pebax珠粒的快速响应（图3）。

图3 隔离型微孔发泡复合材料（a）与均匀共混复合材料（b）的应变传感机理示意图

将所得隔离型微孔发泡应变传感复合材料用于功能型鞋底中能够良好地监测人体行走姿势（如踮脚、跳跃、深蹲、行走和摔倒等），对独居老人及建筑和登山等高危行业从事者的远程监护与急救具有重要意义（图4）。

图4 隔离型微孔发泡应变传感复合材料的工作稳定性及其在人体运动监测（踮脚、跳跃、深蹲、行走和摔倒）中的应用

相关研究成果以“Lightweight, Flexible and Highly Sensitive Segregated Microcellular Nanocomposite Piezoresistive Sensors for Human Motion Detection”为题发表在复合材料权威期刊Composites Science and Technology上。陕西科技大学为论文的第一完成单位，陕西科技大学马忠雷副教授为第一作者兼通讯作者，西北工业大学张广成教授、陕西科技大学李运涛教授为本文的共同通讯作者。感谢国家自然科学基金（51903145）、陕西省自然科学基础研究计划（2018JQ5060）和陕西省教育厅专项科研计划项目（17JK0100）对本研究的支持。

论文信息：

Zhonglei Ma*, Ajing Wei, Yuntao Li*, Liang Shao, Hongming Zhang, Xiaolian Xiang, Jingping Wang, Qinbo Ren, Songlei Kang, Diandian Dong, Jianzhong Ma, Guangcheng Zhang*, Lightweight, Flexible and Highly Sensitive Segregated Microcellular Nanocomposite Piezoresistive Sensors for Human Motion Detection, Composites Science and Technology. 2020, DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108571.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353820323630

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