科研速递 | 理工学院郑庆彬教授团队在COMPOSITES PART A上发表最新研究成果

摘要

近日，香港中文大学（深圳）理工学院的郑庆彬教授团队在复合材料领域国际顶级期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》发表题为“Wrinkled, Cracked and Bridged Carbon Networks for Highly Sensitive and Stretchable Strain Sensors (doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107221)”的文章，报道了特殊褶皱裂缝结构的碳纳米材料薄膜制备的高性能柔性应力传感器，该期刊2021年的影响因子为9.463，JCR分区Q1。郑庆彬教授团队博士后刘丹博士为该论文的第一作者，郑庆彬教授为本文的共同通讯作者，本论文的主要合作者包括香港理工大学的沈曦教授及香港科技大学的Jang-Kyo Kim教授。

研究背景

包括石墨烯和单壁碳纳米管在内的碳纳米材料具有高导电性、高稳定性和优异的力学性能，是制备柔性应力传感器的重要材料，展现出了巨大的应用潜力。为了进一步提升基于碳纳米材料的柔性应力传感器性能，最直接有效的策略是通过结构设计如褶皱结构、裂缝结构、编织结构、网格结构、蛇形结构等，通过调控结构参数改变柔性应力传感器的应力分布和工作机理以提升灵敏度、拉伸性和稳定性。其中，褶皱结构可以显著提升传感器的拉伸性能但降低其灵敏度，而裂缝结构可以显著提升传感器的灵敏度但降低拉伸性能。因此，在之前的报道里，柔性应力传感器的拉伸性能和灵敏度很难通过褶皱和裂缝结构的设计同时得到显著的提升。

图1. 应力拉伸下形成的褶皱结构和裂缝结构

研究方法

本文受到自然界中“藕断丝连”的结构启发设计了基于氧化石墨烯/单壁碳纳米管复合薄膜的单壁碳纳米管连接的褶皱、裂缝结构，该结构结合了褶皱结构提升拉伸性能和裂缝结构提升灵敏度的优势，制备的柔性应力传感器展现出了高灵敏度（GF>2000），高可拉伸性（100%）和高稳定性（>1000 cycle）。通过拉伸过程的结构表征表明褶皱结构和连接结构赋予传感器超强的拉伸性能而规则有序的裂缝结构赋予传感器超高的灵敏度。通过建模进行机理分析显示实验结果和数据拟合结果高度符合，进一步说明结构设计的合理性。研究显示利用该结构制备的高性能柔性传感器可以非常灵敏和快速的监测人体各个位置的活动，如微笑的眨眼动作到大幅度的关节运动。进一步的应用研究还证明了基于该结构制备的高性能柔性传感器可以用于人机互动，例如灵活控制游戏中汽车的行驶方向和速度。

图2. (a-c)氧化石墨烯薄膜的微观结构。（d-f）氧化石墨烯薄膜在释放预应力后形成的褶皱结构。(g-i) 单壁碳纳米管/氧化石墨烯复合薄膜在预应力释放后形成的单壁碳纳米管连接的褶皱、裂缝结构。

图3. 具有单壁碳纳米管连接的褶皱、裂缝结构的单壁碳纳米管/氧化石墨烯复合薄膜柔性应力传感器性能。（a）电阻变化与拉伸应力的变化曲线。（b）循环曲线。（c）与文献报道的碳纳米材料柔性应力传感器的性能比较。（d）循环稳定性曲线。

图4. 柔性应力传感器用于可穿戴游戏控制器。（a）游戏控制系统示意图。（b）通过声带振动控制汽车前进和停止。（c）通过关节运动控制汽车运动方向。

研究结论

在这项工作中，作者首次报道了基于氧化石墨烯/单壁碳纳米管复合薄膜的单壁碳纳米管连接的褶皱、裂缝结构，该结构同时具有褶皱结构提升拉伸性能和裂缝结构提升灵敏度的优点，基于该结构可制备高性能的柔性应力传感器，并用于快速灵敏地监测人体各位置的活动情况和人机互动。

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X2200402X

作者简介

郑庆彬教授2011年博士毕业于香港科技大学机械及航空航天学系，2019年加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授，校长青年学者，曾任香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授及德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”。作为独立PI主持国家海外高层次青年人才项目，国家自然科学基金，广东省自然科学基金，香港研究资助局优配研究金（HK-RGC GRF），及德国洪堡基金（Alexander von Humboldt-Stiftung）等项目。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Angewandte Chemie International Edition, Small, Chemical Engineering Journal, Nano-Micro Letters, Materials Horizons, Carbon等本领域顶级期刊发表文章80余篇，论文总计被引用8000余次，H-index为45。

刘丹博士2017年毕业于北京大学化学与分子工程学院，2021年加入香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授团队担任博士后。刘博士主要从事碳纳米材料的可控制备、多功能柔性器件的设计、制备和应用研究，取得了一系列重要研究成果，已在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Small, Nano-Micro Letters, Materials Horizons, ACS Applied Materials & Interfaces等顶级期刊发表文章十余篇。

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