郑大刘春太教授/刘虎副教授、纳米能源所潘曹峰研究员：强健超弹的蜘蛛网状聚酰亚胺纤维基导电复合气凝胶用于极端温度下的线性压力传感器

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物联网的进步推动了人工触觉传感技术的巨大发展，作为基石的压力传感器因其在远程人体健康监测、人机界面、可穿戴电子设备和人形机器人领域的新兴应用而受到广泛关注。近年来，人们提出了包括压阻、压电、摩擦电和电容在内的多种机制用于压力传感器，其中压阻传感器表现出测量方案简单、可靠性相对较高的巨大优势，受到了人们的极大关注。然而，同时实现低检测极限和宽压力传感范围对压阻式压力传感器来说是一个巨大的挑战，限制了其在电子皮肤中的实际应用，因为电子皮肤通常需要1-10 Pa的轻微触感以及对剧烈行为如抓握重物（数百kPa）的传感。此外，为了便于信号读取和识别，还迫切需要具有良好线性传感模式和高灵敏度的压阻式压力传感器。

在近期的研究中，郑州大学刘春太教授、刘虎副教授和北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰研究员等人创新性地应用三乙胺（TEA）实现了疏水聚酰亚胺纤维(PIFs)在碳纳米管(CNT)水溶液中的均匀分散, 同时保证了纤维的结构不会受到破坏, 并利用冷冻干燥和热酰亚胺技术制备了强健超弹的蜘蛛网状PIF/CNT导电复合气凝胶。该气凝胶作为压力传感器具有宽线性感应范围(0.01–53.34 kPa)、超低检测限(10 Pa)、高灵敏度(0.507 kPa⁻¹)、快速响应/恢复时间(85/80 ms)、稳定的快速压缩响应(500 mm min⁻¹)和优异的抗循环疲劳能力(5000次)等优异的传感性能。此外，有限元分析以及等效电路模拟计算表明, 光滑的多级纤维网络有利于相邻的导电纤维之间的接触面积在外部压力下有明显的线性变化, 使之表现出优异的线性传感性能。更重要的是，该传感器可用于人体生理和运动信号检测、电子皮肤和智能控制, 且在极端温度(−100–300°C)下表现出出色的传感稳定性和热绝缘性, 可用于极端太空环境下太空服和月球/火星栖息地充气结构的传感单元。 这个工作为开发下一代极端环境耐受性的线性压力传感器提供了一个简单有效的方法。

图1 PIF/CNT复合气凝胶的制备流程

图2 PIF/CNT复合气凝胶的蜘蛛网状结构和超弹性

图3 PIF/CNT复合气凝胶的有限元分析和等效电路模拟

图4 PIF/CNT复合气凝胶优异的传感性能

图5 PIF/CNT复合气凝胶对人体运动和生理活动的精准监测

该研究以“Robust and superelastic spider web-like polyimide fiber-based conductive composite aerogel for extreme temperature-tolerant linear pressure sensor”为题发表于《Science China Materials》期刊，通讯作者为郑州大学刘春太教授、刘虎副教授和北京纳米能源与系统研究所的潘曹峰研究员，第一作者是郑州大学博士生杨文科。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s40843-022-2418-1

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