Best Paper Award
Highly stretchable, sensitive and wide linear responsive fabric-based strain sensors with a self-segregated carbon nanotube (CNT)/Polydimethylsiloxane (PDMS) coating
具有自分离碳纳米管(CNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层的高度可拉伸，敏感和宽线性响应的织物应变传感器
西南石油大学
向东 副教授团队
研究背景
随着柔性电子器件的快速发展，高性能导电高分子复合材料（CPCs）在医疗设备、人机交互、软机器人等诸多领域的需求稳步增长。近年来，由导电纳米填料嵌入绝缘弹性聚合物基体内的CPCs因其制备工艺简单、成本低、电导率可控以及优异的机电性能而被广泛应用于柔性应变传感器等可穿戴电子器件中。但目前，这些传感系统仍存在性能指数偏低、应变检测范围和灵敏度不满足高性能传感应用等方面的不足。本文研究人员尝试将碳纳米管（CNT）与高拉伸性高分子材料如PDMS结合，以制备性能指数更高的基于CPCs的应变传感器。
研究方法及亮点
01
制备了具有自隔离结构的CNT/PDMS纳米复合涂层，将纳米复合涂层涂在弹性医用绷带上，获得基于织物的应变传感器。由于自隔离结构（PDMS粒子）的存在，应变传感器的渗流阈值得到了降低，并且获得了3D导电网络结构。
2
该织物基应变传感器实现了高灵敏度、宽线性响应、应变检测范围、快速的响应时间、对不同应变（频率）的识别能力以及优异的循环稳定性等传感特性。
3
该传感器实现了可穿戴设备的功能，包括人体运动监测、负载状态监测和识别物体重量分布。
实验结果解析
图1展示了显示C-CNT/PDMS-Fa(a)和S-CNT/PDMS.F(b)的制备过程和导电网络的示意图。拉伸（C）、折叠（d）和扭曲（e）S-CNT/PCDMS-F的照片。表明S-CNT/PDMS-F具有出色的灵活性——它们可以拉伸、折叠和扭曲，显示了它们在可穿戴电子设备中的潜力。
图4a显示了用于确定被测两个传感器的ωc和t的曲线拟合，结果表明在这两个传感器中都建立了3D导电网络。图4b显示，通过S-CNT/PDMS-F和C-CNT/PDMS-5的测量电流在测试电压范围内高度线性，符合经典欧姆定律。S-CNT/PDMS-F曲线的较大梯度进一步证实了其电阻远低于C-CNT/PDMS-F。
图5.C-CNT/PDMS-F与S-CNT/PDMS-F的性能比较：(a) ΔR/R0与外加应变的关系。(b) 循环加载/卸载过程下的响应时间。(c) 在50%应变和频率为0.01、0.1、0.2和1 Hz时循环加载ΔR/R0的变化。(d) 0.1 Hz下不同应变（5%、10%、30%、50%和80%）加/卸载循环的ΔR/R0。
实验总结与结论
通过将自隔离的CNT/PDMS纳米复合材料涂覆在高弹性织物绷带上，提出了一种开发低成本、高性能、高灵敏度、宽应变检测范围的S-CNT/PDMS-F应变传感器的新策略。传感器（GF=615）的高灵敏度可归因于纳米复合涂层内自隔离交联PDMS颗粒的存在。除了总应变检测范围大（可达200%）外，该传感器在应变范围0-100%内也表现出良好的线性响应（R2=0.993）。此外，与没有自隔离PDMS的应变传感器相比，所开发的S-CNT/PDMS-F在不同频率和应变下具有更快的响应时间和更好的信号输出响应，并且提高了信号的稳定性、可重复性和耐用性。S-CNT/PDMS-F的优异性能也被广泛应用于人体运动监测、压力监测和负载分布识别等领域。
引用此文章
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2021.10.012
作者简介
向东，西南石油大学新能源与材料学院副教授，博士毕业于英国贝尔法斯特女王大学，主要从事聚合物基复合材料及先进制造技术、油气田复合材料服役行为及性能优化、柔性应变传感器等方面的研究。现为四川省学术和技术带头人后备人选、四川省海外高层次留学人才、四川省科技协同创新促进会先进材料专委会委员、《塑料工业》青年编委，以及30余个SCI期刊审稿人。主持国家自然科学基金、中央引导地方项目、四川省国外高端人才引进项目、四川省国际合作（重点）项目等10余项。发表SCI论文100余篇（H-index 24），授权国家发明专利40余件，出版英文专著2部、副主编教材1部。2023年入选“全球前2%顶尖科学家榜单”，获得英国材料、矿物和采矿学会（IOM3）Alan Glanvill奖（非申请制）1项，中国石油和化工自动化行业技术发明一等奖1项、科技进步二等奖2项，中国石油和化学工业联合会技术发明二等奖1项，川渝产学研创新成果奖一等奖1项、二等奖1项、三等奖2项。
刘黎冰，西南石油大学新能源与材料学院博士研究生，研究方向为导电高分子复合材料基柔性应变传感器及先进制造技术、纤维表面改性及其增强复合材料的结构功能一体化。现已发表SCI论文7篇，国家发明专利授权5件，参与1部英文专著章节撰写。
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2023年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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