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  西安理工大學(xué)任鵬剛教授課題組與四川大學(xué)李忠明教授課題組在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上聯(lián)合發(fā)表了題為“Highly Sensitive and Stretchable Polyurethane Fiber Strain Sensors with Embedded Silver Nanowires”的研究論文。論文的第一作者為西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生朱冠軍，西安理工大學(xué)任鵬剛教授與四川大學(xué)鄢定祥副教授為本文的共同通訊作者。

  柔性聚合物具有優(yōu)異的柔性和可拉伸性，通常作為應(yīng)變傳感器的基體材料而廣泛應(yīng)用于可穿戴智能電子設(shè)備及柔性器件中。通過傳統(tǒng)的混合法或表面涂布法制備的應(yīng)變傳感器存在柔性和彈性不足、導(dǎo)電材料易脫落等問題，嚴(yán)重影響傳感器的響應(yīng)尺度及穩(wěn)定性。

  為此任鵬剛教授及李忠明教授課題組通過嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計及簡單的毛細(xì)管成型方法制備了具有較高柔韌性、靈敏度、穩(wěn)定性和耐久性的拉伸型纖維應(yīng)變傳感器。即利用玻璃毛細(xì)管的虹吸原理，將銀納米線（AgNW）嵌入到聚氨酯（PU）纖維的表面層內(nèi)，制備了導(dǎo)電性能和柔性具佳的PU纖維傳感器，如圖1所示。該纖維在拉伸過程中，AgNW會隨PU纖維形變而運動，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的電傳感信號；這種嵌入結(jié)構(gòu)同時又保證了AgNW不易從PU纖維上脫落，使傳感器具有較高的靈敏度、快速響應(yīng)（49 ms）及良好的循環(huán)穩(wěn)定性，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，還對所制備的PU/AgNW纖維傳感器在人體行為監(jiān)測的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該傳感器不僅可以準(zhǔn)確、實時的監(jiān)測出人體關(guān)節(jié)運動狀態(tài)及微小差異，還可以監(jiān)測出由面部肌肉運動引起的表情變化，如圖3所示。

圖1 PU/AgNW纖維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 (a). PU/AgNW纖維應(yīng)變傳感器的相對電阻隨應(yīng)變的變化曲線。 (b). PU/AgNW纖維應(yīng)變傳感器在未拉伸狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)示意圖。 (c). PU/AgNW纖維應(yīng)變傳感器在應(yīng)變?yōu)?%，速率為10 mm/min，循環(huán)2500次的多周期測試。

圖3 PU/AgNW纖維應(yīng)變傳感器在人體監(jiān)測中的響應(yīng)曲線。(a). 手指彎曲，(b). 手腕彎曲，(c).肘部彎曲，(d). 嘟嘴，(e). 微笑，(f). 皺眉。

  該研究為制備具有良好綜合性能的纖維應(yīng)變傳感器提供了一種實用、有意義的策略，所制備的傳感器在柔性電子、人體運動監(jiān)測等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。該研究提出的對傳感器進(jìn)行嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計的策略，通過添加其他導(dǎo)電功能材料、調(diào)控組分和微觀結(jié)構(gòu)，對傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義，同時該策略為制備新型大應(yīng)變、高靈敏度及優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性的傳感器提供了新思路。另外，該研究還提出了一種普適性的毛細(xì)管成型法來制備柔性纖維，利用該方法可以精確調(diào)控纖維尺寸，該方法工藝簡單、易成型，為制備特殊結(jié)構(gòu)的纖維提供了有價值的參考。

  該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的大力支持(51573147, 21706208, 51773167,21704070)。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b08611