武汉理工大学材料科学与工程学院Xin Zhang等--基于三维MXene的宽温度范围高性能压力传感器柔性网络

随着智能可穿戴设备的日益普及，柔性压力传感器在各种复杂的应用场景中被高度需求。现有柔性压力传感器面临的一个巨大挑战是在较宽的温度范围内保持较高的灵敏度，这对其在恶劣环境中的应用至关重要。本文报道了一种柔性压阻传感器，该传感器由均匀覆盖MXene纳米片的聚醚酰亚胺(PEI)纤维网络制成，用于构建导电通路，在- 5℃(80 kPa⁻¹)到150℃(20 kPa⁻¹)的宽温度范围内表现出超高的灵敏度，9 Pa的低检测限，163 ms的快速响应时间，在室温下超过10000次循环，在100℃下2000次循环和在-5℃下500次循环的优异耐久性。压力传感器可以实时监测人类的各种活动，适用于人机交互，测量压力分布。它还能在150°C和极低温度(液氮)下对外界机械刺激作出敏感反应。此外，纤维网络表现出优异的焦耳加热性能，在施加电压为12 V时可达到78℃。因此，压阻传感器在可穿戴服装和恶劣温度条件下的个人加热应用方面具有相当大的潜力。

图1 a) MPP压阻传感器制备过程示意图。b) Ti₃C₂T_x MXene纳米片的SEM图像和尺寸分布。c) MXene纳米片的AFM图像。d) MXene纳米片的TEM图像。e) Ti₃AlC₂ MAX和Ti₃C₂T_x MXene纳米片的XRD图案。f) MXene/PEI纤维网络的SEM图像g) PEI纤维网络、Ti₃C₂T_x MXene和MXene/PEI纤维网络的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。h) MXene/PEI纤维网络三维结构图。

图2. MPP压阻式传感器的传感机理。

图3MPP压阻式传感器的传感性能。

图4. MPP压阻传感器的应用。

图5。a) MPP压阻传感器连接到包含蓝牙模块的电路，将手指轻敲的信号无线传输到手机。b)将棋子放置在4×4 MPP压阻传感器像素阵列上，检测相应的压力分布。c) MPP压阻传感器对机器人运动的实时感知。d) LED的亮度响应随MPP压阻传感器施加的不同压力而变化。e)用于焦耳加热的附着在皮肤表面的MXene/PEI纤维网络示意图。f)浓度为0.8 mg mL⁻¹的MXene/PEI纤维网络在不同操作电压下的温度分布。g)浓度为0.8 mg mL⁻¹的MXene/PEI纤维网络在电压从0到12 V逐步升高时的红外热图像。

相关科研成果由武汉理工大学材料科学与工程学院Xin Zhang等人于2022年发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202205303)上。原文：3D MXene-Based Flexible Network for High-PerformancePressure Sensor with a Wide Temperature Range。