SmartMat |研究论文：用于超灵敏和宽范围应变传感，具有双导电Ag/CB层设计的高导电性纤维
学术
科技
2024-10-24 12:08
天津
Ben Niu, Su Yang, Yiyi Yang, Tao Hua. Highly conductive fiber with design of dual conductive Ag/CB layers for ultrasensitive and wide-range strain sensing.
SmartMat. 2023; 4:e1178.
https://doi.org/10.1002/smm2.1178
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近年来，对可穿戴电子产品日益增长的需求极大地推动了柔性应变传感器的发展。然而，同时实现高灵敏度、宽工作范围和良好的耐磨性仍然是一个挑战。在此，本文开发了一种基于湿纺多孔聚氨酯(PU)纤维的高拉伸纤维应变传感器，特别是构建了一种独特的双层银(Ag)/炭黑(CB)导电网络。应变作用下，脆性银层上的快速裂纹扩展带来了较大的电阻变化，因此具有较高的灵敏度，而以隧穿效应为主的CB层在分离的银岛之间架起桥梁，在大应变下保持导电通路的完整性。Ag/CB@PU复合纤维通过Ag/CB层的协同作用，不仅具有5139.9 S/m的高电导率，而且具有2.52×10^6的超高灵敏度和高达200%的宽工作范围。除此之外，它还能够检测0.1%的非常微小的应变，并稳定工作超过8000次循环。采用成熟的编织技术，这种纤维应变传感器可以无缝集成到纺织品中，以保形跟踪人体的不同运动。结合基于全解决方案的简易制造方案，本工作提出了一种制备高性能纤维应变传感器的新策略，有望在基于纺织品的可穿器件中得到应用。
图 1. (A) Ag/CB@PU导电可拉伸复合纤维的制备工艺示意图。(B)不同复合纤维的光学显微镜图像，显示纤维在制造过程中的颜色变化。(C)原始和拉伸Ag/CB@PU复合纤维的照片。(D)由Ag/CB@PU复合纤维举起100克重物的照片。图 2. (A, B)湿纺PU纤维的SEM横截面图。(C) (B)孔径统计。(D) PU、(E) CB@PU、(F) PDA-CB@PU和(G) Ag/CB@PU纤维的表面SEM图像。(H) Ag/CB@PU纤维表面的Ag映射。(I) Ag/CB@PU纤维的SEM横截面图，显示出多层结构。
图 3. (A)不同表面涂层的PU纤维和复合纤维的XPS光谱。(B) N 1s扫描PU、CB@PU和PDA-CB@PU纤维。(C) Ag/CB@PU纤维的Ag3D扫描图。(D)纯PU、CB@PU、PDA-CB@PU、Ag/CB@PU等不同纤维的TGA曲线。(E) CB@PU、PDA-CB@PU和Ag/CB@PU复合纤维的电导率和片电阻。(F)用不同复合纤维作为电极连接的发光LED，电压为5 V。(G)图片显示Ag/CB@PU纤维的剥离试验。(H)长时间超声(180 W, 40 kHz)作用下三种Ag/CB@PU纤维样品的电阻变化发展。图中为超声处理30 min后的SEM形态。
图 4. (A) Ag/CB@PU纤维传感器在拉伸速度为300 mm/min时的典型相对电阻变化-应变曲线。附图显示了60%应变范围内的曲线。(B)在拉伸速度为300 mm/min时，在50% ~200%的循环应变下，相对电阻的变化情况。(C)拉伸速度为10 mm/min, 0.1%和0.3%微应变下的相对电阻变化。(D) Ag/CB@PU纤维传感器的迟滞特性。(E)在100%应变下，传感器对不同测试速度的相对电阻响应。(F) 300 mm/min速度下，传感器对0.5%小应变的相对电阻响应，表示响应和恢复时间。(G)传感器在50%应变、300 mm/min速度下8000次耐久性试验。(H)本研究中Ag/CB@PU传感器与其他已报道的纤维应变传感器的GF和最大工作范围的比较。图 5. SEM图像显示了Ag/CB@PU应变传感器在(A) 0%， (B, D, E) 100%， (C, F) 150%应变增加下的形貌发展。图 6. (A) Ag/CB@PU传感器在拉伸过程中的传感机理示意图。(B)传感器在不同应变下的电阻模型。图 7. 与Ag/CB@PU纤维传感器集成的传感织物的可穿戴演示:(A)结构和(B)带有改进Bedford绳结构的设计传感织物的照片。(C)手腕弯曲、(D)吞咽、(E)肘部弯曲、(F)膝关节弯曲等不同人体运动检测传感器的照片及相应信号。
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作者简介
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华涛，香港理工大学纺织及成衣研究所副教授。1998年在美国加州大学戴维斯分校做访问学者。加入创新科技署前，他曾任中国江南大学副教授及理大创新科技署研究员。他是英国皇家艺术、制造和商业学会会员、纺织学会会员、纤维学会会员、香港纺织和服装学会会员。2009年获中国纺织工业联合会科学技术一等奖，2014年获全国产学研创新学会中国创新成果奖。
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