空心结构MXene-PDMS复合材料用于宽工作范围压力传感器

【研究背景】

随着电子技术的飞速发展，柔性和可穿戴传感器引起了大家的广泛兴趣。这是由于它们在各个领域的广泛应用，特别是在智能机器人领域。在各种传感器中，如气体和蒸汽传感器、生物传感器、应变和压力传感器，压力传感器在过去几十年中取得了显著的成就。压阻式压力传感器可以将机械变形转化为电阻信号，在包括电子皮肤、语音监控和个人活动识别、便携式医疗诊断(如心跳、脉搏波、血压和体温)在内的各种电子应用中显示出巨大的潜力，因为它们具有快速的频率响应、出色的稳定性和低的制造成本。但由于传感材料的固有刚性和柔性衬底的粘弹性，使得压阻式压力传感器在拉伸、灵敏度和传感范围等方面存在不足，限制了其在柔性和可穿戴设备中的应用。为了解决这些问题，可以通过设计一些复杂结构或者改变材料和基底的接触电阻来实现。但是这些复杂的设计也使得大规模制造充满困难。

由于石墨烯具有高导电性、良好的机械强度和柔软的结构，目前很多研究都集中在二维石墨烯传感材料上。虽然石墨烯的导电性很高，但其惰性的表面化学性质限制了其在其他光滑基底上的应用。作为新兴二维材料的MXene，由于其独特的结构和电子性质以及丰富的表面官能团，使其在很多方面有很大的应用潜能。

【成果简介】

近期，北京化工大学于中振教授在国际知名学术期刊Journal of Colloid and Interface Science上发表一篇题目为：Hollow-structured MXene-PDMS composites as flexible, wearable and highly bendable sensors with wide working range的研究论文，文中在中空结构的MXene-PDMS复合材料（MPCs）的基础上，开发了一种具有出色弯曲稳定性的柔性压阻式压力传感器。通过将泡沫浸入MXene片的水分散体中，将MXene片沉积在泡沫Ni的骨架上。在将所得的沉积了MXene的泡沫Ni填充PDMS以固定3D多孔结构后，再对泡沫Ni基材进行化学蚀刻以形成中空结构的MPC，作为可弯曲传感器，该MPC具有令人满意的结构稳定性和长期可靠性（1000次循环），灵敏度高 以及大角度（0°–180°）变形能力。此外，它可以监测细微的活动(吞咽、面部肌肉运动、立体声和超声振动)和健壮的人体运动(手指扭转、弯曲、压缩、手腕和颈部运动)，显示出其在可穿戴传感器应用方面的巨大潜力。

【图文导读】

图1. 空心结构MPC传感器的制作原理图。

图2. MPC以及相关材料的SEM和mapping图。

图3. 浸泡时间对MPC材料性能的影响以及MPC传感器的响应时间。

图4. MPC可弯曲传感器的传感性能。

图5. MPC可弯曲传感器对人体运动的检测。

图6. 使用探头超声仪实时监测超声性能表征。