基于碳纳米管和Ti3C2Tx MXene的高性能泡沫应变传感器

研究背景

全文导读

为了解决上述问题，南京工业大学黄维院士团队通过将MXene纳米片吸附到由盐模板法制备的多壁碳纳米管(MWCNT)和热塑性聚氨酯(TPU)复合泡沫的表面，制备得到一种轻质且灵敏的高性能应变传感器。TPU/MWCNTs@MXene传感器可以提供~100%的宽工作应变范围和高达363的出色灵敏度，优于最先进的泡沫型应变传感器。此外，复合泡沫表现出优异的透气性和接近皮肤的合适弹性模量，表明其作为可穿戴传感器具有高度的舒适性。由于这些优点，传感器可以有效地检测细微/大的人体运动，例如关节运动、手指运动和声带振动等。此外，该传感器还可用于手势识别，表明其在人机交互中的应用前景。相关论文成果以“High-Performance Foam-Shaped Strain Sensor Based on Carbon Nanotubes and Ti3C2Tx MXene for the Monitoring of Human Activities”为题于2021年6月4日发表在ACS NANO上。

导读如下：

1、TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器的制备

TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器是通过简单的盐模板和浸涂方法制备的（图1）。首先将MWCNTs和TPU的混合，然后加入盐颗粒作为模板形成多孔结构。在水中去除盐模板后，得到导电TPU/MWCNTs泡沫，最后将其浸泡在MXene悬浮液中得到最终产物。由于填充了导电MXene片材，进一步提高了泡沫的导电性。当这种TPU/MWCNTs@MXene泡沫被拉伸时，由于导电材料之间的分离和滑动导致泡沫的导电性降低。因此，这种 TPU/MWCNTs@MXene泡沫可用作应变传感器。

图1: TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器的制备流程图。

2、TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器的性能

从TPU/MWCNTs@MXene泡沫的XRD谱图（图2a）中可以明显看到MXene的所有衍射峰都存在于TPU/MWCNTs@MXene泡沫中。在FTIR光谱中，可以清楚地识别出TPU的特征吸收峰（图2b）。在拉曼光谱中，位于255.4，453.0和621.9 cm-1处的峰对应于Ti3C2F2的A1g、Eg振动以及Ti3C2(OH)2的振动，表明了MXene的存在。此外，MWCNTs的D波段（1372.8 cm-1）和G波段（1600.7 cm-1）也出现在拉曼光谱中（图2c,d）。TPU/MWCNTs@MXene泡沫的SEM图像也表明MXene片材成功地附着在TPU/MWCNTs泡沫中（图2e-g）。且随着浸泡时间的增加，将会有更多的MXene片被吸附。

图2：TPU/MWCNTs@MXene、TPU/MWCNTs和MXene的(a)XRD、(b)FTIR和(c)拉曼光谱。(d)局部放大区域的拉曼光谱。不同浸泡时间(e)10、(f)30和(g)50分钟制备的TPU/MWCNTs@MXene泡沫的SEM图。

TPU/MWCNTs@MXene泡沫具有高度的柔韧性和可拉伸性，重量轻且易于加工。与纯TPU泡沫相比，TPU/MWCNTs和TPU/MWCNTs@MXene泡沫具有更高的弹性模量和拉伸断裂强度（图3a）。TPU/MWCNTs@MXene泡沫的杨氏模量为140 kPa，接近皮肤的杨氏模量(25-220 kPa)，表明该泡沫作为人体皮肤上的可穿戴设备具有很高的舒适度。通过将泡沫放在叶子上，表明其具有极轻的重量（图3b）。泡沫也可以很容易地切割成各种形状，如心形、星形、三角形和花形（图3c）。此外，TPU/MWCNTs@MXene泡沫还可以弯曲、扭曲或打结而不会损坏（图3d）。

图3：TPU/MWCNTs@MXene泡沫的机械性能和柔韧性。(a)三种泡沫的应力-应变曲线。(b)TPU/MWCNTs@MXene的轻质性。(c)不同形状的导电TPU/MWCNTs@MXene泡沫。(d)TPU/MWCNTs@MXene泡沫的扭曲、弯曲和打结。

由于内部存在多孔结构，本材料泡沫具有高透气性。泡沫的渗透性由水蒸气透过率(WVTR)确定，水通过泡沫蒸发的速度表明它们的透气性（图4a）。显然，由于泡沫中的多孔结构，TPU/MWCNTs和TPU/MWCNTs@MXene泡沫的WVTR远高于TPU和TPU/MWCNTs薄膜（4b）TPU/MWCNTs@MXene泡沫具有与人体皮肤接近的WVTR值，因此在使用时人体的皮肤可以正常呼吸，减少了对皮肤刺激的可能性。

图4：TPU/MWCNTs@MXene泡沫的透气性。(a)用于测量TPU薄膜、TPU/MWCNTs薄膜、TPU/MWCNTs泡沫和TPU/MWCNTs@MXene泡沫透气性的装置照片。(b)不同样品在不同时间的气体渗透率比较。

图5: TPU/MWCNTs@MXene泡沫作为应变传感器的性能。

TPU/MWCNTs@MXene泡沫传感器表现出优异的性能。在10%、20%和50%的应变下，传感器表现出稳定的响应（图6a）。这些结果表明，该传感器可用于检测具有高重复性的各种应变。当最大应变控制在10%时，传感器能够在0.1-2 Hz的频率下显示出稳定的循环性能（图6b）。并且在5%至15%的应变下显示出高的循环稳定性（图6c）。此外，该传感器具有优异的长期循环稳定性。在200次循环/2000秒后几乎观察不到传感器的相对电阻变化（图6d）。

图6: TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器的性能。

通过扫描电镜检测了TPU/MWCNTs@MXene泡沫在拉伸应变从0%到100%的情况下的形态变化来研究传感机制（图8）。实验结果表明，TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器的高性能归因于嵌入在TPU泡沫中的互相连接的MWCNT渗透网络和吸附在网络上的易变形的MXene片的协同效应。在较小的拉伸应变下，孔径变大，电阻的增加主要归因于MXene片的变形和滑动。在较大的拉伸应变下，孔隙变大，材料表面出现许多裂纹；因此，MWCNTs网络会发生较大的变形，导致传感器电阻的迅速增加。当拉伸应变非常大时，MXene片和MWCNT网络都会发生显著变形，导致电阻急剧增加。

图7 不同应变下TPU/MWCNTs@MXene泡沫的SEM图像和示意图。(a-d)泡沫在0%、20%、60%和100%应变下的SEM图像。上层图像是下层图像的放大。(e)拉伸过程中导电网络的演变示意图。

图8进一步展示了TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器在手势检测中的应用。五个独立的传感器连接到手套的五个手指部分，以检测人类手指的弯曲和倾斜。在前5秒内，所有手指都完全伸直，因此阻力没有显著变化。然后，食指、中指和无名指蜷缩起来，导致相应传感器的电阻迅速增加。随后，其他手势出现，所有附着在蜷缩手指上的传感器都显示出电阻增加。当所有五个手指再次伸直时，五个传感器的电阻恢复，证明了传感器的可重复性。因此，该传感器可用于检测手指的手势，这在手语翻译、手势控制机器人技术和其他虚拟现实应用中具有巨大潜力。

图8 TPU/MWCNTs@MXene泡沫应变传感器在手势识别中的应用。

文章结论

作者通过一种简单且具有成本效益的方法制备得到TPU/MWCNTs@MXene泡沫，并成功地用作应变传感器。应变传感器具有高达363的GF值和高达100%的工作应变范围。此外，应变传感器反复应力循环下也表现出优异的循环稳定性。同时作者还展示了应变传感器在监测人体运动中的应用，例如手指弯曲、肩弯曲、膝盖弯曲、张嘴和喉咙振动等。此外，轻质泡沫具有接近皮肤的透气性，证明了泡沫在可穿戴电子产品中的巨大潜力。本信息源自互联网仅供学术交流 如有侵权请联系我们立即删除