基于纺织基材的柔性应变传感器具有天然的柔韧性、高灵敏度和宽范围的拉伸响应。然而，纺织品复杂且各向异性的子结构导致负差分电阻 (NDR) 响应，缺乏对机制的更深入了解。因此，我们检测了具有显着 NDR 拉伸响应的石墨烯纺织应变传感器，为机理研究提供了必要的研究平台。单纤维束的开创性测量证实了 NDR 效应在亚几何尺度上的存在。基于拉伸形态和测量的原位表征，我们进行了定量行为分析，全面揭示了全范围拉伸电响应的起源。结果表明，产生 NDR 效应的主要因素是织物束内纤维的相对位移。基于神经尖峰样拉伸响应，我们进一步展示了纺织品应变传感器在阈值检测和近传感器信号处理中的应用潜力。所提出的NDR行为模型将为可穿戴智能纺织品的设计和应用提供参考。
 
Figure 1. 石墨烯织物应变传感器的形态组成和典型拉伸响应。(a) 典型纬编纺织品的示意图。单纤维束在外部和内部都涂有石墨烯纳米片。(b) 通过扫描电子显微镜观察纺织品应变传感器的表面形貌。比例尺代表 500μm。(c) 纺织品表面的示意性垂直视图，注释显示纤维束细胞电阻的三个组成部分：X方向纤维束R x、Y方向纤维束R y和X - Y接触部分，RC _. (d) 基于石墨烯的纺织应变传感器的典型负微分电阻拉伸响应。相对应变为 0–30% 的纺织品传感器不同于通常的正电阻变化传感器。将传感器的测量幅度标准化为初始值。
 
Figure 2. 基于石墨烯的纺织应变传感器的性能。(a) 完整的抗拉响应，可分为三个阶段，表现出广泛的敏感性。(b) 不同机构张力传感器的性能比较。(16−18,29−33)颜色块代表基于石墨烯的传感器的响应范围。(c 和 d) 传感器在X方向和Y方向的 3000 次拉伸载荷循环下的性能。（e 和 f）分别具有X方向和Y方向拉伸的放大循环。（g 和 h）5 个设备在 20% 相对应变下的归一化平均响应和误差条。
 
Figure 3. 纺织行为模型及拉伸模拟结果。(a和b)载荷应力下织物结构沿X方向变形的俯视图。插图比例尺，500μm。(c) 相邻纤维束在X方向加载张力下的相对变形的机械模拟。(d和e)载荷应力下织物结构沿Y方向变形的俯视图。插图比例尺，500μm。(f) Y轴下相邻纤维束相对变形的力学模拟-方向加载张力。(g) 横向加载张力下单根纤维束相对变形的力学模拟。(h) 单根纤维束和模型拟合的拉伸试验。由于单根纤维束的拉伸余量较小，当相对应变达到25.38%时纤维束完全断裂。(i-l) 分别为X负载X电阻、X负载Y电阻、Y负载Y电阻和Y负载X电阻的拉伸响应。
 
Figure 4. 纺织应变传感器的应用场景。(a) 拉伸响应的说明。在初始状态下，外部应变刺激形成一个由阶段 I 和 II 组成的峰值 (φ)。当应变超过阈值 (κ) 时，将出现一个后电位峰值。整个反应具有类似神经尖峰的波形，如插图所示。(b) 在低于阈值的应变下的循环响应。(c) 在高于阈值的应变下的循环响应。(d) 实验部署地点概览。(e-g) 分别在喉部、肘部和手指关节处测量的波形。可以看出，纺织传感器在实际应用中对不同的应变敏感。(h) 近传感器信号放大器示意图。具有负微分电阻的基于石墨烯的纺织应变传感器 -r和具有正电阻变化R的基于石墨烯的 PDMS 应变传感器可以由交流信号放大器组成。

          相关研究工作由清华大学Tian-Ling Ren课题组于2022年在线发表于《ACS Nano》期刊上，原文：Understanding the Origin of Tensile Response in a Graphene Textile Strain Sensor with Negative Differential Resistance。

转自《石墨烯研究》公众号