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  近年來，隨著柔性電子科學和人工智能技術的發展，柔性應變傳感器件逐漸成為了一大研究熱點。理想的柔性應變傳感器需要具備高靈敏度、低檢測限、寬傳感范圍、良好的柔性和多功能檢測。然而，傳統的金屬基應變傳感器由于傳感元件的延展性差，其傳感范圍較窄（<5%）。近年來，碳納米材料由于兼具良好的柔性，大的比表面積，優異的化學和熱穩定性，良好的導電性，被廣泛用于柔性應變傳感器。通過合理設計傳感器結構，優化傳感材料，柔性應變傳感器的性能已有顯著提高。但是，研制兼具高靈敏度和寬傳感范圍的柔性應變傳感器仍然是一項科學難題。

  MXene是一種新興的二維過渡金屬碳化物/碳氮化物。它的通式為M_n+1X_nT_x，M代表過渡金屬元素，A通常為ⅢA、ⅣA族元素（主要指Al或Si），T_x代表表面官能團（如?O, –OH, –F）。與大多數其他二維材料（如石墨烯）不同，MXene具有良好的親水性（由于表面具有豐富的親水官能團）和高的本征金屬導電性（電阻率在7×10^?5?4×10^?3 Ω cm范圍），同時原子層厚度的MXene納米結構具有良好的柔性，使其在柔性應變傳感領域表現出潛在的優勢。如何將這種具備諸多優異性能的MXene二維片層與彈性體組裝或復合得到有序的宏觀結構，同時不犧牲其固有的優異性能，是目前亟待解決的關鍵問題之一。

  近日，河北工業大學材料科學與工程學院苑文靜副研究員課題組采用靜電紡絲技術制備了柔性聚合物纖維氈（PF）。該纖維氈具有均勻的纖維網絡和孔隙結構，表現出良好的柔性和優異的彈性。二維MXene片層表面由于具有豐富的功能化基團（?O, –OH, –F），可通過氫鍵或靜電相互作用包覆于纖維氈表面，得到高柔性的、可拉伸的導電M/PF氈。M/PF氈的聯鎖網絡能夠預存形變。當M/PF氈被拉伸時，纖維網絡變得致密，并且纖維趨向于沿應變方向平行排列，可以緩沖單個MXene/聚合物纖維上的應變負荷，從而擴大傳感范圍。高導電二維MXene片層可使傳感網絡具有較低的初始電阻。拉伸后片層間發生相對滑動使導電層電阻增加。較低的初始電阻可賦予導電層更高的相對電阻變化率（靈敏度）。因此，該M/PF氈應變傳感器表現出優異的綜合傳感性能，包括超高的靈敏度（應變系數（GF）達到228），低的檢測限（0.1%），寬的傳感范圍（0-150%），以及良好的穩定性（超過3000次），可實現對拉伸、彎曲、壓縮等不同形變的檢測。通過調節彈性體組分比例，可實現對靈敏度和傳感范圍的可控調節。同時，該M/PF氈傳感器可應用于人體活動和各種生理信號的實時監測，在柔性可穿戴電子器件領域具有潛在的應用前景。

圖1.（a）M/PF氈應變傳感器的制備示意圖；（b）柔性PF纖維氈（白色）和M/PF氈（黑色）照片；（c）具有高度聯鎖結構的PF氈的SEM圖像；（d）M/PF氈的SEM圖像

圖2.（a）M/PF氈應變傳感器在0%-100%形變下的靜態響應曲線；（b-c）M/PF氈傳感器在0.1%-100%應變下的動態響應曲線；（d）M/PF氈傳感器的相對電阻變化率隨拉伸形變變化的曲線；（e）不同彈性體組分M/PF氈傳感器的電阻-應變曲線；（f）M/PF氈傳感器在不同拉伸速率下的響應（50%應變）；（g）M/PF氈傳感器在10%應變下循環3200次的穩定性曲線

圖3. M/PF氈傳感器在人體運動檢測和生理信號監測中的應用：（a）手指彎曲的傳感信號；（b-c）傳感器附在手臂上對肌肉運動的檢測；（d-e）傳感器附在胸部對呼吸的監測；（f）脈搏檢測；（g）傳感器附在人體喉結處對發聲的識別和檢測

  該研究以“A highly flexible and multifunctional strain sensor based on MXene/polyurethane fibrous mat with ultrahigh sensitivity and broad sensing range”為題發表在Nanoscale上。

  該文章的第一作者為河北工業大學碩士研究生楊凱。該研究獲得了國家自然科學基金 (No. 51702084) 的資助。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/NR/C9NR00488B#!divAbstract