对具有高灵敏度和耐用性的柔性应变传感器的需求显著增加。然而，传统的传感器在探测范围和制造工艺方面受到限制。在这项工作中，提出了一种空间堆叠的方法来制作天然橡胶(NR)/Ti₃C₂T_x (MXene)/二氧化硅(SiO₂)薄膜，具有优异的电导率，灵敏度和可靠性。在NR/MXene复合材料中引入SiO₂后，形成了“岛链结构”，促进了导电通路的形成，显著提高了复合材料的导电性。其中，NR/MXene/10 wt%SiO₂复合材料的导电性能比NR/MXene复合材料单独的导电性能提高了约200倍(从0.07 S/m提高到13.4 S/m)。此外，“岛链结构”进一步增强了NR/MXene/10 wt%SiO₂复合材料的传感性能，表现为优异的灵敏度(GF = 189.2)、快速的响应时间(102 ms)和超过10,000个循环的良好重复性。该装置具有良好的机械传感性能，能够准确地检测人体生理信号。具体来说，该设备是一个应变检测器，通过监测手指、手臂和大腿的运动来识别不同的应变信号。该研究为具有优异导电性、柔韧性和稳定性的复合材料制造提供了关键见解，而这些是创建高性能柔性传感器的基本特性。
 
图1. NR/MXene/SiO₂薄膜的制备工艺示意图。
 
图2. (a) FT-IR曲线，(b)纳米复合物的XPS光谱，(c)纳米复合物的c 1s光谱，(d) NM₂Si₁₀的截面SEM图像和(e) NM₂Si₁₀相应的Ti, C, Si, O元素分布。
 
图3. (a)纳米复合材料的电导率，(b) MXene基弹性体电导率的比较，(c)纳米复合材料的相对力学性能，(d) NM₂Si₁₀复合材料的拉伸恢复曲线，(e)不同应变下薄膜的电阻变化，(f)不同拉伸速度下薄膜的电阻变化。
 
图4. (a) NM₂、(b) NM₂Si₁₀、(c) NM₂Si₂₀、(d) NM₂Si₅₀的截面SEM图像。(a1)-(d2) NR/MXene/ SiO₂复合材料中MXene网络在应变下的断裂示意图。
 
图5. (a) NR/MXene/SiO₂薄膜的电阻变化，(b)应变传感器循环电阻在不同应变下的变化，(c) NR/MXene/SiO₂薄膜的拉伸/恢复响应，(d) 25%应变下的输入张力波和传感响应，(e)和(f) 25%应变下NR/MXene/SiO₂薄膜的循环稳定性。
 
图6 应变传感器性能检测(a)颈部弯曲，(b)张口，(c)手腕弯曲，(d)手指弯曲，(e)肘部弯曲和(f)腿部弯曲。
 
      相关科研成果由陕西理工大学材料科学与工程学院Zhong-Guo Zhao等人于2023年发表在Journal of Colloid And Interface Science（https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.07.093.）上。原文：Flexible Silica/MXene/Natural rubber flm strain sensors with island chain structure for Healthcare monitoring.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979723013425。

转自《石墨烯研究》公众号