纳米颗粒-纳米片混合网络结构的高性能柔性应变传感器

来源：X一MOL资讯

原标题：【材料】基于Ti3C2Tx（MXene）纳米颗粒-纳米片混合网络结构的高性能柔性应变传感器

近年来，随着柔性电子学的发展，轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的柔弹性器件逐渐成为了一大研究热点。其中，柔性电子传感器是应用最为广泛的柔性电子器件，在运动感应、健康监测，医疗诊断等方面均有广泛的应用。应变传感器的基本原理即将器件的应变变化转化电阻信号进行输出，从而用于监测引起应变的应力信号，其最主要的性能参数包括灵敏度（通常用Gage factor（GF），相对电阻变化与应变变化的比值来表征）、应变感应范围、检测下限、循环稳定性等。其中，灵敏度和应变感应范围是最重要的两个性能参数，然而获得大的灵敏度需要器件在小的应变下发生显著的结构变化，而大的工作范围则要求器件在大应变下仍能保持导电结构的连通性，通常这二者互为矛盾，难以兼得。目前，制作出同时具有较大应变感应范围（大于50%）和高灵敏度（全应变范围内灵敏度大于100）的柔性电子传感器存在一定困难，通常有两大制备策略，一是采用特殊的结构布置，但这同时提高了工艺复杂性。另一种策略是选择新型的敏感材料，利用材料自身的微结构提高传感性能，但单一形貌的敏感材料往往因为长径比等因素难以同时满足灵敏度和感应范围的要求。MXene，即二维过渡金属碳化物或碳氮化物，是一种新型层状二维晶体材料，具有优良的导电性，机械性能等特点以及可控，低成本的制备工艺，被广泛应用于储能，催化及电磁屏蔽等领域。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所孙静研究员带领的科研团队以最早被合成的MXene材料——Ti3C2Tx为研究对象，通过对Ti3C2Tx进行材料微结构设计，成功制备得到了基于Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片混合网络结构的高性能柔性应变传感器。该柔性应变传感器无需进行复杂的结构设计和制作工艺就能实现在整个应变感应范围内的灵敏度高于100（GF>178.4）和宽的应变感应范围（53%）的目标，并具有极低的检测限（0.025%）和高循环稳定性等优良特性，能够实时监测人体全身范围内的活动信息。相关研究成果发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials 上 (IF= 13.325)。

该研究团队使用化学液相刻蚀法制备Ti3C2Tx材料，通过改变制备过程中的刻蚀剂种类，刻蚀时间和超声时间，调控材料中片层和不规则颗粒的比例，构建了独特的Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片混合网络结构。实验结果显示，基于该结构的柔性应变传感器按照分段感应机制工作，主要分别三个阶段。拉伸初始阶段（应变10%），混合网络结构中的纳米颗粒发生无规则迁移，使导电薄膜产生了大量孔洞，导致电阻快速增大，因而传感器在小应变范围内就获得了高于100的灵敏度。同时，孔洞的产生起到了释放应力的作用，对导电网络起到了保护作用。随着拉伸应变的增大（应变20%），导电薄膜表面产生微裂纹，电阻增大速率加快，同时纳米片逐渐包裹颗粒形成导电簇，在微裂纹两端形成桥连，有效地抑制了微裂纹的扩展，起到了连接导电通路的作用，使传感器具有很宽的应变感应范围。最后阶段（应变50%），纳米片由于应变过大而发生撕裂，导电网络进一步被破坏，使传感器的灵敏度进一步提高。因而可知，Ti3C2Tx颗粒和纳米片之间良好的协同作用以及片层的抑制裂纹扩展作用赋予了传感器优异的传感性能。

图1. a) 基于Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片导电网络的传感器的作用机理示意图。基于b) 纯Ti3C2Tx纳米颗粒; c) 纯Ti3C2Tx纳米片; d) Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片导电网络的传感器处于最大拉伸状态的SEM图。

图2. 基于Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片导电网络的传感器初次拉伸的形貌监测。a-c) 0%, d-f) 10%, g-i) 20%, j-l) 50%, m-o) 回复到0%。

将基于Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片混合网络结构的柔性应变传感器贴敷到人体的各个部位，可以实时精确地获取脉搏、呼吸、走路、语音识别等人体生理信号。

图3. 人体生理信号监测图。a) 握拳；b) 走路和屈膝；c) 呼吸；d) 人体三维模拟图；e) 语音识别；f) 脉搏；g) 吹气。

Strain Sensors with a High Sensitivity and a Wide Sensing Range Based on a Ti3C2Tx (MXene) Nanoparticle-Nanosheet Hybrid Network

Yina Yang, Liangjing Shi, Zherui Cao, Ranran Wang, Jing Sun

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1807882, DOI: 10.1002/adfm.201807882