西安工程大學劉呈坤教授團隊 Nano Energy：具有高靈敏度和良好的循環穩定性的纖維基可視化應變傳感器及其應用
2024-10-04 來源：高分子科技
隨著智能可穿戴技術的發展，基于纖維的柔性應變傳感器具有優異的拉伸和耐彎折性能，可與人體皮膚無縫貼合，從而實現對人體運動的實時監測。將柔性應變傳感器與可視化功能相結合制備的柔性可視化應變傳感器可以更直觀的通過其顏色的變化監測人體運動。構建具有低驅動電壓、溫度快速響應、高發熱溫度、發熱穩定的電發熱層是當前制備優良可視化應變傳感器的關鍵。目前纖維基可視化應變傳感器促使纖維變色的驅動電壓較高，而且靈敏度也較低。
基于此，西安工程大學劉呈坤教授團隊聯合新加坡國立大學Seeram Ramakrishna團隊通過濕法紡絲、原位聚合和超聲浸漬的方法成功地制備了納米碳粉（NCPs）/銀納米顆粒（AgNPs）@羧基化碳納米管（MWCNTs-COOH）/聚氨酯（PU）（NAMP）纖維基可視化應變傳感器，該傳感器兼具良好的傳感性能、低電壓發熱性能和可視化功能，可用于人體健康監測與熱療管理治療。
圖1 NAMP纖維基可視化應變傳感器的制備流程
圖2 MP和NAMP纖維的表征和元素分布
如圖2所示，MP纖維多孔和凹槽結構的存在可以增加纖維的比表面積，有助于提高AgNPs和NCPs的負載量。由于NCPs的平均直徑（30 nm）小于AgNPs的平均直徑（310 nm），NCPs可以填補NAMP纖維上AgNPs之間的微裂紋，增加纖維的導電路徑數量，使導電通路更加完整，從而提高MP纖維的導電性傳感性能。
圖3 NAMP纖維的力學性能和電學性能
探究了不同NCPs濃度對NAMP纖維強力、電阻率的影響，并分析了纖維的導電機理（圖3a-e）。此外，測試了NAMP纖維在不同捻度、溫度和彎曲角度條件下的抗干擾性，結果表明，纖維的電阻信號幾乎不受外界因素的干擾 （圖3f-i）。
圖4 NAMP纖維基可視化應變傳感性的傳感性能
如圖4所示，制備的NAMP纖維基可視化應變傳感器具有高靈敏度（GF=3528）、寬應變范圍（0～107%）、快速的響應時間（0.14s）和優異的循環穩定性（超過5000次循環）。
圖5 NAMP纖維基可視化應變傳感器的在健康監測中的應用
如圖5a-f所示，NAMP纖維基可視化應變傳感器能夠實時監測身體不同部位的運動。此外，該傳感器既能夠在低電壓的激發下使其顏色變化迅速且可逆，0～2.5 V時纖維表面溫度從27.8 °C升高到75.2 °C，又能夠實現拉伸變形下的顏色變化，具有良好的可視化功能（5g, h）。
圖6 NAMP纖維在熱管理和除冰中的電熱應用
如圖6a-e所示，NAMP纖維在不同應變和反復彎曲條件下，纖維表面溫度基本不變，表明其具有優異的電致發熱性能和發熱穩定性。將其以襯緯組織的形式織入針織物中，制備可調溫度的電致發熱織物，可用于人體熱管理治療和除冰（6f-h）。
該研究工作得到了國家自然科學基金項目和陜西省創新能力支持計劃等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110300
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（責任編輯：xu）
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