電阻應變傳感器因其簡單的結構、易于制造和可靠的傳感性能，在柔性傳感技術中的實際應用中受到廣泛關注。典型的電阻應變傳感器是通過將高導電性填料（如碳納米管、導電炭黑、MXene、石墨烯等）與彈性聚合物基底結合而構建的。然而，經(jīng)均勻分散后的MXene、碳納米管、石墨烯等具有良好的接觸性，在非常低的應變下不容易破壞導電通道（如圖1a），這給準確檢測微小應變帶來了挑戰(zhàn)。相比之下，導電炭黑在施加的低應變下很容易破壞導電通路，可以顯著提高應變傳感器的靈敏度（如圖1a）。因此，設計一種可回收的應變響應式傳感器，同時在低應變水平下兼具高靈敏度、優(yōu)異的機械性能和成本效益，仍然是一項重大挑戰(zhàn)。
近期，四川大學高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室（四川大學）的雷景新教授團隊將導電炭黑與具有多層次強弱動態(tài)結構的丙烯酸樹脂相結合，研制出了一種低應變下具有高應變響應的可回收傳感器（PAV/Cu2+-CB-x），如圖1b所示。此外，分子動力學模擬顯示（如圖1c-d），分子結構中存在多種強弱動態(tài)鍵：較弱的配位鍵和氫鍵賦予了這種傳感器對微小應變的超常靈敏度，而較強的離子鍵則確保了其卓越的機械性能。具體表現(xiàn)為：PAV/Cu2+-CB-30的抗拉強度為7.16兆帕，斷裂伸長率為355.50%，具有優(yōu)異的再加工穩(wěn)定性，同時還具有0.294 S cm-1的高電導率，在低于5%的應變下具有出色的靈敏度。
圖1. (a) 碳納米管、MXene和導電炭黑基復合材料在外力作用下導電通路斷開的示意圖。(b) PAV/Cu2+-CB-x復合材料的合成路線示意圖。(c) 基體樹脂的動力學計算模型中丙烯酸和丙烯酰胺鏈段之間氫鍵作用示意圖。(d) 添加導電炭黑復合材料的動力學計算模型示意圖。
所設計的PAV/Cu2+-CB-30具有獨特強-弱動態(tài)結合網(wǎng)絡，在較小應變下，較弱的配位鍵和氫鍵能夠發(fā)生快速的重復斷裂和鍵合，而較強的離子鍵則充當固定錨點，確保了其卓越的機械性能，能夠應用于應變傳感器。同時，憑借高炭黑負載量和響應微小應變的分子網(wǎng)絡，PAV/Cu2+-CB-30應變傳感器展現(xiàn)出卓越的電學性能，包括高導電性（0.294 S cm-1）和在極低應變（低于5%）下的出色靈敏度（GF=8.24）。這些優(yōu)異的電學性能使傳感器能夠準確檢測細微的活動（如圖2所示），如語音、喉部肌肉運動以及關節(jié)運動（例如，手指、腕部和膝部），尤其是在佩戴于喉部和關節(jié)時。因此，所設計的PAV/Cu2+-CB-x應變傳感器在未來的人體運動分析和語音檢測應用中具有巨大的潛力。
圖2. (a) PAV/Cu2+-CB-x復合材料的電導率。(b) PAV/Cu2+-CB-30的電阻恢復過程。(c) 在不同應變（0.1%、0.5%、1%和5%）下PAV/Cu2+-CB-30傳感器的實時相對電阻變化時間曲線。(d) 在5%應變下PAV/Cu2+-CB-30傳感器50次循環(huán)的穩(wěn)定性測試。(e-h) PAV/Cu2+-CB-30傳感器應用于不同身體部位檢測。
研究成果以“Designing Highly Strain-Responsive and Recyclable Sensors Via Multilevel Strong and Weak Dynamic Structures Under Low Strain”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》（doi.org/10.1002/adfm.202419308）上。論文第一作者為四川大學碩士研究生楊天泰，通訊作者為四川大學江亮副研究員和雷元副研究員。本工作得到中國博士后面上基金、四川省青年科學基金和四川省先進建筑材料產(chǎn)教融合創(chuàng)新示范平臺等項目的資助支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419308