本文使用材料挤出3D打印的方法制备了可调节，大压缩形变的碳纳米管（CNT）聚二甲基硅氧烷（PDMS）基复合泡沫材料。打印浆料主要由CNT，PDMS及氯化钠粉末组成。经过3D打印挤出成型并完成聚合物交联过程后，样品被浸入水中以除去氯化钠从而形成泡沫结构。测试结果表明CNT含量对复合物的力学及电学性能有显著影响。力学方面，更高的CNT含量提高了复合物的杨氏模量，但降低了保持最大应力的能力。力电性能方面，相同应变下，更高CNT含量的样品可以获得更大的电阻变化量，也即意味着更高的传感器敏感性。在至少50%的压缩应变下，传感器可以保持良好的回弹性，并稳定运行至少10000个周期。基于不同CNT含量导致不同传感器敏感度的特点，低敏感度传感器可较准确地监测大幅度人体动作，例如，走路，跑步以及跳动。高敏感度传感器可较准确地监测小幅度人体动作，例如关节转动。本文的工作为针对性的设计柔性可穿戴设备提供了一种新的思路。
图1 （a）制备过程的流程示意图，包括材料混合，3D打印，PDMS交联，除去NaCl以及干燥。（b）改装的3D打印机。（c）三种不同比例下PDMS 1700 和PDMS 184的粘度对比。（d）不同CNT含量浆料的粘度对比。（e）不同剪切速率下浆料的粘度对比。
图2 （a-c）3D打印样品的光学、俯视角SEM以及横截面SEM的照片。4%CNT含量样品的SEM照片在（d）1：1及（e）1：1.3 PDMS和NaCl的比例下。（f）高倍率的SEM照片表明CNT均匀地分散在PDMS中。
图3 （a）压缩力学测试中初始位置和50%应变位置的照片。4%CNT含量样品的应力应变关系在（b）完整的100周期，（c）第1，10，25，100特定周期，以及（d）不同压缩速率下第6-10周期。（e）100周期中不同CNT含量样品杨氏模量的变化。（f）100周期中不同CNT含量样品保持最大应力能力的对比。
图4 （a）10000周期内3-5%CNT含量样品的相对变化。（b）泡沫结构中一个微孔的SEM照片。（c）脚手架结构中一个毫米孔的外壁。（d-g）4%CNT含量样品在不同压缩应变下电阻值的对比。
图5 （a-c）样品被安装在两片鞋垫中间。（d）3%CNT含量样品在不同动作下电阻变化量的对比。（e）5%CNT含量样品在不同动作下电阻变化量的对比。
图6 （a）样品被安装在鼠标上。3%和5%CNT含量样品在不同动作（b）手腕左转，（c）手腕右转，以及（d）手腕上下转动下电阻变化量的对比。
以上成果发表在《Advanced Engineering Materials》（doi: 10.1002/adem.202101337）上，通讯作者为阿尔弗莱德大学纽约州立陶瓷学院丁君君教授。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adem.202101337
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