隨著人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展,可穿戴傳感器在仿生義肢、健康監(jiān)測和醫(yī)用領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展。其中,壓力傳感器是可穿戴傳感器中的重要組成部分。但是,目前的壓力傳感器還存在力學(xué)強度低、靈敏度不高、耐溫性能差的問題。未解決這一問題,陜西科技大學(xué)張美云教授團隊將力學(xué)強度優(yōu)異的Kevlar納米纖維(ANFs)和導(dǎo)電性高的MXene納米片結(jié)合制備出高回彈性、耐高溫、靈敏度高的復(fù)合氣凝膠傳感器,該傳感器可以感知形變量為2-80%的壓縮應(yīng)變,極高的靈敏度(能夠感知100 Pa的壓力)和循環(huán)穩(wěn)定性(1000次)。該研究以題為“Highly Compressible, Thermally Stable, Light-Weight and Robust?Aramid Nanofibers/Ti3AlC2MXene Composite Aerogel for Sensitive Pressure Sensor”發(fā)表在《ACS Nano》上,青年教師楊斌和張美云教授為論文的共同通訊作者。

Kevlar納米纖維和MXene再登《ACS Nano》:陜科大張美云團隊:高回彈性、耐高溫、高靈敏度氣凝膠傳感器

【MXene/ANFs氣凝膠的制備】

如圖1所示,他們首先利用DMSO和KOH把原始的Kevlar纖維去質(zhì)子化處理,得到Kevlar納米纖維的DMSO溶液。隨后,經(jīng)過溶劑交換得到了Kevlar納米纖維的水溶液。同時,對Ti3AlC2進行插層剝離,得到了MXene納米片。把二者的水溶液進行混合、抽濾、冷凍、冷凍干燥四個過程后,得到了密度僅為25 mg/cm3的復(fù)合氣凝膠。

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圖1?MXene/ANFs氣凝膠的制備過程

 

【MXene的含量對于氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的影響】

隨后,他們研究了MXene的含量對于氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的影響。純ANFs氣凝膠的氣孔呈現(xiàn)出橢圓形。隨著MXene的含量從10%逐漸增加到50%,氣凝膠的氣孔結(jié)構(gòu)傾向于圓筒狀,平均尺寸為50?μm。當含量達到70%時,ANFs的含量過低,無法支撐整個氣凝膠的框架結(jié)構(gòu),氣凝膠呈現(xiàn)出松散的扁平狀氣孔,平均尺寸為200?μm。此外,作者對于MXene和ANFs的相對含量對于氣凝膠氣孔結(jié)構(gòu)的影響機理進行了分析。ANFs之間存在較強的氫鍵,在氣凝膠中起強度支撐、分散劑和保護層的作用。MXene起導(dǎo)電填料和粘結(jié)點的作用。二者中單相組分過高時,氣凝膠都表現(xiàn)出松散的大氣孔結(jié)構(gòu)。只有當二者含量適中時,氣凝膠表現(xiàn)出“泥-磚”結(jié)構(gòu),且層與層之間相互連接。

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圖2?MXene的含量對氣凝膠微觀形貌的影響

 

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圖3?ANFs和MXene的含量對于復(fù)合氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的影響機理

 

【氣凝膠的壓縮和熱穩(wěn)定性】

隨著MXene含量的增加,氣凝膠的機械強度和模量逐漸下降。作者選取了較低壓縮應(yīng)力的含有30%MXene的氣凝膠進行壓縮循環(huán)測試。結(jié)果表明,經(jīng)過1000次循環(huán)后,氣凝膠仍能恢復(fù)原始狀態(tài),顯示出極好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外,與文獻對比,該氣凝膠具有更低的密度和更優(yōu)異的隔熱性能。在200?℃的熱臺放置10min后,其表面溫度仍然低于60 ℃。同時,該氣凝膠還表現(xiàn)出了優(yōu)異的阻燃性能。

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圖4?復(fù)合氣凝膠的壓縮性能

 

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圖5?復(fù)合氣凝膠的耐溫性能

 

【氣凝膠傳感器的應(yīng)用】

隨后,作者對不同MXene含量的氣凝膠進行了壓縮傳感測試。隨著MXene含量的增加,氣凝膠表現(xiàn)出的電流變化逐漸變大,這是由于導(dǎo)電性的增加導(dǎo)致的。綜合力學(xué)性能、電導(dǎo)率和絕熱性能的考慮,作者選用MXene含量為30%的氣凝膠作為壓阻傳感器。該傳感器的靈敏度達到了6.75,能夠響應(yīng)頻率為0.2-0.8 Hz的壓縮行為,感知2-80%的壓縮形變,且展示出了極好的循環(huán)穩(wěn)定性(1000次)和極快的響應(yīng)(320?ms)和回彈時間(98?ms)。隨后,作者將該傳感器用于運動檢測,在壓縮至餅狀后,該傳感器仍然表現(xiàn)出了極快的響應(yīng)速度(0.1-0.35 s)和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

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圖6?復(fù)合氣凝膠傳感器的壓阻性能

 

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圖7復(fù)合氣凝膠傳感器的應(yīng)用

 

【總結(jié)】

作者利用Kevlar納米纖維和MXene納米片制備了壓縮回彈性好、熱穩(wěn)定性好、隔熱性能優(yōu)異、靈敏度高的氣凝膠壓阻傳感器。該傳感器能夠穩(wěn)定循環(huán)1000次,能夠響應(yīng)不同的工作頻率(0.2-0.8 Hz)、不同的應(yīng)變(2-80%),且靈敏度高(監(jiān)測100 Pa的壓力),響應(yīng)速率快(320?ms)。在運動監(jiān)測和嚴苛環(huán)境下的傳感設(shè)備有優(yōu)異的應(yīng)用前景。

 

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04888

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