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  近年來，隨著柔性電子科學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，柔性應(yīng)變傳感器件逐漸成為了一大研究熱點。理想的柔性應(yīng)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(tǒng)的金屬基應(yīng)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(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，良好的導(dǎo)電性，被廣泛用于柔性應(yīng)變傳感器。通過合理設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳感材料，柔性應(yīng)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(yīng)變傳感器仍然是一項科學(xué)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(shù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)具有良好的柔性，使其在柔性應(yīng)變傳感領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的優(yōu)勢。如何將這種具備諸多優(yōu)異性能的MXene二維片層與彈性體組裝或復(fù)合得到有序的宏觀結(jié)構(gòu)，同時不犧牲其固有的優(yōu)異性能，是目前亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

  近日，河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院苑文靜副研究員課題組采用靜電紡絲技術(shù)制備了柔性聚合物纖維氈（PF）。該纖維氈具有均勻的纖維網(wǎng)絡(luò)和孔隙結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的柔性和優(yōu)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(dǎo)電M/PF氈。M/PF氈的聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)能夠預(yù)存形變。當(dāng)M/PF氈被拉伸時，纖維網(wǎng)絡(luò)變得致密，并且纖維趨向于沿應(yīng)變方向平行排列，可以緩沖單個MXene/聚合物纖維上的應(yīng)變負(fù)荷，從而擴大傳感范圍。高導(dǎo)電二維MXene片層可使傳感網(wǎng)絡(luò)具有較低的初始電阻。拉伸后片層間發(fā)生相對滑動使導(dǎo)電層電阻增加。較低的初始電阻可賦予導(dǎo)電層更高的相對電阻變化率（靈敏度）。因此，該M/PF氈應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合傳感性能，包括超高的靈敏度（應(yīng)變系數(shù)（GF）達(dá)到228），低的檢測限（0.1%），寬的傳感范圍（0-150%），以及良好的穩(wěn)定性（超過3000次），可實現(xiàn)對拉伸、彎曲、壓縮等不同形變的檢測。通過調(diào)節(jié)彈性體組分比例，可實現(xiàn)對靈敏度和傳感范圍的可控調(diào)節(jié)。同時，該M/PF氈傳感器可應(yīng)用于人體活動和各種生理信號的實時監(jiān)測，在柔性可穿戴電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖1.（a）M/PF氈應(yīng)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(lián)鎖結(jié)構(gòu)的PF氈的SEM圖像；（d）M/PF氈的SEM圖像

圖2.（a）M/PF氈應(yīng)變傳感器在0%-100%形變下的靜態(tài)響應(yīng)曲線；（b-c）M/PF氈傳感器在0.1%-100%應(yīng)變下的動態(tài)響應(yīng)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(yīng)變曲線；（f）M/PF氈傳感器在不同拉伸速率下的響應(yīng)（50%應(yīng)變）；（g）M/PF氈傳感器在10%應(yīng)變下循環(huán)3200次的穩(wěn)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(jiān)測中的應(yīng)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(jiān)測；（f）脈搏檢測；（g）傳感器附在人體喉結(jié)處對發(fā)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(fā)表在Nanoscale上。

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

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