河南科技大学《ACS AMI》：基于多孔聚二甲基硅氧烷与碳纳米管和石墨烯混合的可穿戴应变传感器

1、成果简介

随着可穿戴智能电子设备的快速发展，迫切需要高性能的柔性应变传感器。本文，河南科技大学Yuxin He等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Wearable Strain Sensors Based on a Porous Polydimethylsiloxane Hybrid with Carbon Nanotubes and Graphene”的论文，研究将碳纳米管（CNT）和石墨烯（GR）用于填充柔性多孔聚二甲基硅氧烷（CNT-GR / PDMS）纳米复合材料，并设计用于应变传感应用。使用索氏提取技术成功构建了典型的微孔结构，并且连接的CNT和GR在多孔骨架中构建了完美的三维导电网络。因此，基于多孔结构和典型的协同导电网络，可以很好地调节基于CNT-GR / PDMS的应变传感器的可拉伸性和灵敏度。

基于位于细胞骨架外层和内层的脆性协同导电网络的破坏作用以及不同应变范围内相邻细胞之间的接触效应，制备的基于CNTs-GR / PDMS的应变传感器表现出优异的应变系数。 此外，这种材料还具有超低的检测限（0.5％应变），快速的响应时间（60毫秒），良好的稳定性和耐用性（10,000个循环）以及与频率/应变有关的传感性能，从而使其在检测过程中具有活性。检测各种外部环境。最后，将制备的基于多孔CNTs-GR / PDMS的应变传感器连接到皮肤上，以检测各种人体运动，例如手腕弯曲，手指弯曲，肘部弯曲和膝盖弯曲，从而证明了在智能可穿戴设备中的广阔应用前景

2、图文导读

图1.（a）多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料的制备过程示意图。（b–e）多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料的照片。当扭曲，弯曲和拉伸时，可实现非凡的柔韧性。

图2. SEM图像显示了（a–a”）纯PDMS，（b–b”）具有0.7 wt％CNTs-GR的CNTs-GR / PDMS纳米复合材料以及（c–c”）和（ d–d”）多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料，其放大倍数为0.7 wt％CNTs-GR。

图3.（a）TGA曲线，（b）DSC曲线，（c）FTIR光谱和（d）具有不同CNTs-GR负载的纯PDMS和多孔CNTs-GR / PDMS复合材料的XRD图。

图4.（a）具有不同CNTs-GR负载的纯PDMS和多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料的典型应力-应变曲线，（b）电导率和CNTs-GR负载之间的关系，（ c）具有0.7重量％的CNTs-GR的纯PDMS和CNTs-GR / PDMS复合材料，（d（e）多孔结构。

图5.（a）对于具有不同CNTs-GR负载的多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料，其拉伸速率为20 mm / min时，ΔR / R 0作为应变的函数。（b）在不同应变范围内具有0.7wt％的CNTs-GR的多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料的敏感性。（c）随着拉伸应变的增加，多孔结构演变的示意图。

图7.多孔CNTs-GR / PDMS基应变传感器的响应模式在不同的弯曲度下固定在（a）手指，（b）手腕，（c）肘部和（d）膝盖上。当志愿者（e）说“ Ah”，“ Apple”和“ HAUST”时，（f）拳头，（g）咀嚼，（h）打击时，基于多孔CNTs-GR / PDMS的应变传感器的响应模式和（i）微笑。

3、小结

使用索氏提取技术成功制备了具有协同导电网络的多孔CNTs-GR / PDMS纳米复合材料。所制备的基于CNTs-GR / PDMS的应变传感器可以有效地用于大规模人体运动和微妙的生理信号的实时监控，显示出其在有前途的可穿戴智能电子产品中的巨大潜力。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsami.0c22823