ACS AMI:具有超宽检测范围的超疏水、多功能柔性应变传感器

科技工作者之家 03月05日

来源:科匠学术

本文由通讯作者-陆昶教授、吴兰兰硕士生受邀撰写,由衷感谢他们对科匠学术的支持!

一、研究背景:

柔性应变传感器因其具有良好的柔韧性、可延展性及弯折性,使其在运动监测、人工皮肤、可穿戴电子设备、软体机器人等领域具有广泛应用。基于在不同场所、复杂环境的使用需求,对柔性应变传感器的性能提出新要求,如多功能、超宽形变的检测能力等。

关键挑战:构建可同时满足大形变及微小形变响应能力的导电网络

柔性应变传感器是利用柔性聚合物基体变形过程中导电网络的变化,实现对形变的检测。致密的导电网络可满足柔性传感器对大形变的检测要求,但通常导致其失去对微小应变的检测能力。稀疏的导电网络虽然可用于微小形变的检测,但不具备对大形变的检测能力。因此,构建可同时满足大形变及微小形变感应能力的导电网络,使其能应对柔性传感器对超宽形变的检测需求仍然具有挑战性。


二、文章简介:

河南科技大学陆昶教授团队通过表面渗入技术,构建梯度导电网络,制备出具有超宽形变检测能力的超疏水多功能柔性传感器。该传感器对形变的检测范围为0.05%~300%。此外,传感器还表现出超疏水性,以及对形变、压力、有机溶剂等多种外界刺激的响应性。相关成果已在ACS Applied Materials & Interfaces上发表。姚大虎副教授、硕士研究生吴兰兰为论文的共同第一作者,陆昶教授为论文通讯作者,河南科技大学为论文的唯一署名单位。

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图1. 具有梯度导电网络柔性传感器的制备及形貌表征。

三、研究内容:

1、柔性传感器的制备及其性能表征

将天然橡胶乳胶手套(NRL)直接浸泡在环己烷/炭黑(CB)分散液中一定时间,CB自发从分散液中向NRL表面及内部扩散,从而制得CB浓度从表面到内部逐步降低、呈梯度分布的导电网络。研究了不同浸泡时间下CB在NRL渗入深度,发现浸泡1min,CB的渗入深度达2 μm;浸泡时间延长到30 min,其渗入深度达80 μm。传感器具有低迟滞性(≤4.3%)、响应速率快(28 ms)、高敏感性(GF=13000)的特性。附着在NRL表面的CB可形成微纳结构,使传感器具有超疏水特性。浸泡1 min,即可使NRL接触角由110.6°增加到155.2°。传感器表面的微纳结构具有良好的稳定性,经过1000次的循环拉伸后,仍具有超疏水特性。

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图2. 柔性传感器的超疏水性。

传感器具有极宽范围的形变及压力检测能力。其对形变及压力的检测范围分别为0.05%~300%及1.7 kPa~2.9 MPa。传感器独特的梯度结构导电网络是使其具有宽域检测能力的主要原因:致密的导电网络提供对大形变及压力的检测能力,稀疏的导电网络使其具有对微小形变及压力的检测能力。

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图3. 柔性传感器循环拉伸及压缩性能。

2、柔性传感器的应用研究

传感器可用于人体微小运动(手腕脉搏)到大运动(关节运动)的监控。且超疏水特性可将传感器用于人体在水中的运动。同时,将传感器贴附在喉咙可进行语音识别。当志愿者说“carbon”、“black”、“sensor” 等不同单词并做出吞咽动作时,传感器产生不同的响应信号。说明该传感器在人体运动和人体健康监测方面具有潜在的应用前景。

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图4. 人体运动监控的应用。

基于传感器对压力的响应性,通过构建简易的称重装置,可用于物体质量的检测。利用传感器对微小压力的响应,可以检测到声压的变化,实现对噪声的检测。传感器甚至可检测2 μL水滴落到传感器表面产生的微小压力,且利用其表面超疏水特性,可实现对水滴的重复检测。

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图5. 传感器压力监控的应用。

传感器的超疏水特性使得有机溶剂可迅速润湿传感器表面,从而造成电阻的变化;同时,有机溶剂溶胀NRL,可破坏其表层导电网络,进而产生响应信号。基于该特性,传感器对水、不能溶胀基体的溶剂以及可溶胀基体的溶剂产生不同的响应信号。传感器的响应信号随着溶剂对基体溶胀度的增加而增加。因此,基于传感器对有机溶剂的溶胀度和响应强度之间的相关性,可实现对有机溶剂的检测。

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图6. 溶剂检测的应用。

四、总结与展望:

本文通过表面渗入技术,利用廉价易得的材料(天然胶乳手套、炭黑)制备出表面超疏水的柔性传感器。该传感器对形变及压力具有超宽范围的检测能力。可用于对形变、压力及溶剂的多功能检测。该应变传感器具有成本低廉、制备简单的优势,在柔性电子设备中有着广泛的应用前景。

五、致谢:

感谢国家自然科学基金[51673059]、河南省高等学校大学生创新创业计划项目[202010464047]对本项目的资助。

点击文末「阅读原文」,直达文献。

Authors:  Dahu Yao†, Lanlan Wu†, Shuge Peng, Xiping Gao, Chang Lu*, Zhiqiang Yu, Xiao Wang, Chaofeng Li, Yuxin He

Title: Use of Surface Penetration Technology to Fabricate Superhydrophobic Multifunctional Strain Sensors with an Ultrawide Sensing Range

Published in: ACS Applied materials & interfaces, DOI:10.1021/acsami.0c22554

来源:kejiang_Science 科匠学术

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