【清華大學(xué)&武漢理工大學(xué)：基于3D MXene柔性網(wǎng)絡(luò)的高性能壓力傳感器】

隨著智能可穿戴設(shè)備的日益普及，在各種復(fù)雜的應(yīng)用場景中，迫切需要具有柔性的高性能壓力傳感器。現(xiàn)有的柔性壓力傳感器面臨一個巨大挑戰(zhàn)，就是在寬溫度范圍內(nèi)需要保持高靈敏度，這對于它們在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。

基于以上挑戰(zhàn)，清華大學(xué)南策文院士和武漢理工大學(xué)張鑫研究員等人合作，報道了一種基于三維MXene/PEI網(wǎng)絡(luò)的高性能柔性壓阻傳感器，適用于較寬的溫度范圍(從液氮溫度到150°C)。

PEI是一種非晶態(tài)熱塑性聚合物，具有耐高溫、優(yōu)異的拉伸強度和的尺寸穩(wěn)定性，在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)顯示出巨大的應(yīng)用潛力。此外，含有醚鍵的PEI表現(xiàn)出極大的靈活性和可加工性，可以通過各種物理過程構(gòu)建不同的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。另一方面，新興的MXenes納米片具有金屬導(dǎo)電性、優(yōu)異的機械強度和良好的親水性，可以承受一定的低溫(- 200℃以下)和高溫(400℃以上)，適用于在惡劣條件下應(yīng)用PEI纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建可穿戴壓力傳感器。

通過PEI的逐層靜電紡絲工藝，制備了三維MXene/PEI網(wǎng)絡(luò)，提高寬溫度范圍內(nèi)的傳感性能。制備了類似蜘蛛網(wǎng)的MXene/PEI互聯(lián)3D纖維網(wǎng)絡(luò)，將MXene納米片涂覆在每根PEI納米線表面。這種三維MXene/PEI網(wǎng)絡(luò)受益于外力作用下的大變形，提高壓阻傳感器在高溫下的傳感性能。此外，在MXene/PEI網(wǎng)絡(luò)與柔性電極之間組裝了一層超薄PEI層作為間隔層，可以進一步增強外部變形下的導(dǎo)電路徑。該柔性壓阻傳感器在寬溫度范圍(從液氮到150°C)內(nèi)具有優(yōu)異的靈敏度、響應(yīng)/恢復(fù)時間短、檢測限低、高溫下耐久性好，在人體活動、健康監(jiān)測、壓力分布陣列和人機交互等方面具有潛在應(yīng)用價值。

在這項工作中，研究者制備了一個三維MXene/聚醚酰亞胺網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的高靈敏度壓阻傳感器。該傳感器在寬溫度范圍內(nèi)具有超高靈敏度(在?5℃時為80 kPa?1，在室溫時為156 kPa?1，在150℃時為20 kPa?1)，9 Pa的低檢測限，163 ms的快速響應(yīng)時間，長期耐久性，室溫時超過 10000 次循環(huán)、100 °C 下 2000 次循環(huán)和 ?5 °C 下 500 次循環(huán)。

壓力傳感器可以實時跟蹤不同的人類活動，檢測壓力分布，并用于人機交互。它還可以在高溫 (150 °C) 和低溫 (液氮) 下對外部機械刺激做出敏感反應(yīng)。此外，纖維網(wǎng)絡(luò)具有良好的焦耳加熱能力，在 12 V 電壓下可達到 78 °C。因此，柔性 MXene/PEI 纖維網(wǎng)絡(luò)在柔性可穿戴電子設(shè)備和惡劣條件下的個人加熱系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

來源：傳感器專家網(wǎng)