河工大苑娴静：电纺MXene/聚合物纤维毡用于柔性多功效应变传感器

比年来，随着柔性电子科学和人工智能技能的进展，柔性应变传感器件渐渐成为了一大研究热。然而，传统的金属基应变传感器因为传感元件的延展性差，其传感范畴较窄（<5%）。近年来，碳纳米材料由于兼具良好的柔性，大的比表面积，优异的化学和热稳定性，良好的导电性，被广泛用于柔性应变传感器。但是，研制兼具高灵敏度和宽传感范围的柔性应变传感器仍然是一项科学难题。MXene是一种新兴的二维过渡金属碳化物/碳氮化物。与大多数其他二维材料（如石墨烯）不同，MXene具有良好的亲水性（由于表面具有丰富的亲水官能团）和高的本征金属导电性（电阻率在7×10−5−4×10−3 Ω cm范围），同时原子层厚度的MXene纳米结构具有良好的柔性，使其在柔性应变传感领域表现出潜在的优势。

克日，河北产业大学质料科学与工程学院苑娴静副研究员课题组采纳静电纺丝技能制备了柔性聚合物纤维毡（PF）。该纤维毡具有匀称的纤维网络和孔隙布局，体现出精良的柔性和优秀的弹性。二维MXene片层外貌因为具有富厚的功效化基团（−O, –OH, –F），可通过氢键或静电相互作用包覆于纤维毡外貌，得到高柔性的、可拉伸的导电M/PF毡。M/PF毡的联锁网络可以或许预存形变。当M/PF毡被拉伸时，纤维网络变得致密，而且纤维趋势于沿应变偏向平行分列，可以缓冲单个MXene/聚合物纤维上的应变负荷，从而扩大传感范畴。高导电二维MXene片层可使传感网络具有较低的初始电阻。拉伸后片层间产生相对滑动使导电层电阻增添。较低的初始电阻可给予导电层更高的相对电阻改变率（敏锐度）。是以，该M/PF毡应变传感器体现出优秀的综合传感性能，包罗超高的敏锐度（应变系数（GF）到达228），低的检测限（0.1%），宽的传感范畴（0-150%），以及精良的稳健性（凌驾3000次），可实现对拉伸、弯曲、压缩等差别形变的检测。通过调治弹性体组分比例，可实现对敏锐度和传感范畴的可控调治。同时，该M/PF毡传感器可应用于人体运动和种种生理信号的及时监测，在柔性可穿着电子器件范畴具有潜伏的应用远景。该研究以“A highly flexible and multifunctional strain sensor based on MXene/polyurethane fibrous mat with ultrahigh sensitivity and broad sensing range”为题颁发在Nanoscale上。该文章的第一作者为河北产业大学硕士研究生杨凯。该研究得到了国度天然科学基金 (No. 51702084) 的资助。

图1.（a）M/PF毡应变传感器的制备表示图；（b）柔性PF纤维毡（白色）和M/PF毡（玄色）照片；（c）具有高度联锁布局的PF毡的SEM图像；（d）M/PF毡的SEM图像

图2.（a）M/PF毡应变传感器在0%-100%形变下的静态相应曲线；（b-c）M/PF毡传感器在0.1%-100%应变下的动态相应曲线；（d）M/PF毡传感器的相对电阻改变率随拉伸形变改变的曲线；（e）差别弹性体组分M/PF毡传感器的电阻-应变曲线；（f）M/PF毡传感器在差别拉伸速率下的相应（50%应变）；（g）M/PF毡传感器在10%应变下轮回3200次的稳健性曲线

图3. M/PF毡传感器在人体活动检测和生理信号监测中的应用：（a）手指弯曲的传感信号；（b-c）传感器附在手臂上对肌肉活动的检测；（d-e）传感器附在胸部对呼吸的监测；（f）脉搏检测；（g）传感器附在人体喉结处对发声的辨认和检测

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