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西安理工大学任鹏刚教授课题组和四川大学李忠明教授课题组合作:具有嵌入式导电网络的聚氨酯纤维应变传感器
2019-07-01  来源:大发排列3网

  西安理工大学任鹏刚教授课题组与四川大学李忠明教授课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上联合发表了题为“Highly Sensitive and Stretchable Polyurethane Fiber Strain Sensors with Embedded Silver Nanowires”的研究论文。论文的第一作者为西安理工大学材料科学与工程学院博士研究生朱冠军,西安理工大学任鹏刚教授与四川大学鄢定祥副教授为本文的共同通讯作者。

  柔性聚合物具有优异的柔性和可拉伸性,通常作为应变传感器的基体材料而广泛应用于可穿戴智能电子设备及柔性器件中。通过传统的混合法或表面涂布法制备的应变传感器存在柔性和弹性不足、导电材料易脱落等问题,严重影响传感器的响应尺度及稳定性。

  为此任鹏刚教授及李忠明教授课题组通过嵌入式结构设计及简单的毛细管成型方法制备了具有较高柔韧性、灵敏度、稳定性和耐久性的拉伸型纤维应变传感器。即利用玻璃毛细管的虹吸原理,将银纳米线(AgNW)嵌入到聚氨酯(PU)纤维的表面层内,制备了导电性能和柔性具佳的PU纤维传感器,如图1所示。该纤维在拉伸过程中,AgNW会随PU纤维形变而运动,从而产生较强的电传感信号;这种嵌入结构同时又保证了AgNW不易从PU纤维上脱落,使传感器具有较高的灵敏度、快速响应(49 ms)及良好的循环稳定性,如图2所示。在此基础上,还对所制备的PU/AgNW纤维传感器在人体行为监测的效果进行了研究,结果表明该传感器不仅可以准确、实时的监测出人体关节运动状态及微小差异,还可以监测出由面部肌肉运动引起的表情变化,如图3所示。

图1 PU/AgNW纤维结构示意图

图2 (a). PU/AgNW纤维应变传感器的相对电阻随应变的变化曲线。 (b). PU/AgNW纤维应变传感器在未拉伸状态和拉伸状态下的导电网络示意图。 (c). PU/AgNW纤维应变传感器在应变为5%,速率为10 mm/min,循环2500次的多周期测试。

图3 PU/AgNW纤维应变传感器在人体监测中的响应曲线。(a). 手指弯曲,(b). 手腕弯曲,(c).肘部弯曲,(d). 嘟嘴,(e). 微笑,(f). 皱眉。

  该研究为制备具有良好综合性能的纤维应变传感器提供了一种实用、有意义的策略,所制备的传感器在柔性电子、人体运动监测等领域有着潜在的应用前景。该研究提出的对传感器进行嵌入式结构设计的策略,通过添加其他导电功能材料、调控组分和微观结构,对传感器的结构设计具有重要的指导意义,同时该策略为制备新型大应变、高灵敏度及优异的稳定性和耐久性的传感器提供了新思路。另外,该研究还提出了一种普适性的毛细管成型法来制备柔性纤维,利用该方法可以精确调控纤维尺寸,该方法工艺简单、易成型,为制备特殊结构的纤维提供了有价值的参考。

  该研究得到了国家自然科学基金项目的大力支持(51573147, 21706208, 51773167,21704070)。

  论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.9b08611

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(责任编辑:xu)
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