西交利物浦大学宋鹏飞教授团队——碳纳米管、石墨烯和纳米金刚石基应变传感器在恶劣环境中的应用 | MDPI C

通讯作者介绍

宋鹏飞，现为西交利物浦大学机械电子工程及机器人系的副教授。研究兴趣主要集中在微系统领域，包括微流体生物传感器和平台，以及微尺度的自动化和机器人技术。截止2023年12月，宋博士已发表了49篇SCI论文 (h指数为14)，包括 biosensors and bioelectronics、microsystems & nanoengineering、ieee-tase、ieee/asme-mec 等。宋博士的研究曾在多个重要微流体和机器人会议上获得奖项或入围。此外，他担任 ieee robotics and automation letters 副主编、frontiers in robotics and ai 编委，以及cyborg and bionic systems 青年编委，并担任 ieee international conference on manipulation、 automation and robotics at small scales (ieee-marss) 的委员会成员。他还是多个知名期刊的审稿人，例如 engineering、 microsystems & nanoengineering 及 ieee trans 等。

研究背景

这篇综述文章深入探讨了基于碳纳米管、石墨烯和纳米金刚石的应变传感器在恶劣环境下的应用和性能。文章从研究背景、材料特性、制造方法、性能测试、应用案例以及未来挑战和机遇六个方面进行了详细阐述。随着柔性和可穿戴电子设备的快速发展，对高性能应变传感器的需求日益增长。这些传感器在健康监测、人机交互、智能机器人、医疗保健以及结构健康监测等领域展现出广泛的应用潜力。然而，现有技术在潮湿、化学腐蚀或极端温度条件下表现不佳，限制了其应用范围。碳材料因其独特的物理和化学性质，为解决这些问题提供了新的可能性。

研究过程与结果 

碳材料特点

首先概述了碳纳米管、石墨烯和纳米金刚石的基本性质。碳纳米管具有极高的电导率和机械强度，石墨烯则以其二维结构和卓越的电子特性著称，而纳米金刚石则因其超硬和高热导性而受到关注。这些特性使得这些材料在制造应变传感器时具有显著优势。CNTs具有优异的电导率和机械强度，其热导率范围为6600 Wm⁻¹K⁻¹，杨氏模量在270至950 GPa之间，而石墨烯和ND也展示了独特的物理化学特性，如良好的电导性、热稳定性、化学稳定性和生物相容性。

表1. CNTs、石墨烯和ND的基本性质。

制造方法

综述详细讨论了碳基应变传感器的制造技术，包括涂层技术、3D打印、化学气相沉积、转移方法和纺丝工艺等。这些方法各有优势，能够根据不同的应用需求定制传感器的性能。文章总结了一系列基于碳材料的应变传感器的性能参数 (正文中的表2)。例如，采用单锅法制造的单壁碳纳米管 (SWCNT) 传感器在-70至25°C下工作时，其灵敏度达到3.76；多壁碳纳米管 (MWCNT) 和还原氧化石墨烯 (rGO) 复合材料制成的传感器则能在-30至80°C范围内工作，并且经过1000次循环后仍保持稳定。

性能测试

文章对碳基应变传感器在恶劣环境下的性能进行了深入分析。包括机械强度、化学稳定性、热稳定性、灵敏度、响应和恢复时间以及耐用性。通过实验数据和比较，展示了这些传感器在极端条件下的可靠性和稳定性。

碳材料基应变传感器在极端条件下的发展潜力

极端温度条件：

1. 碳纳米管 (CNT) 基应变传感器：

• 利用定向冻干法制备的各向异性复合聚酰亚胺气凝胶 (CPIAs)，展示了在宽温度范围 (25至316°C) 内的稳定电气响应和良好的机械行为。某些CNT基传感器在高温 (如250°C) 下仍能保持其响应性，而另一些则能在极低温度(如零下196摄氏度)下工作。
• 通过一种简便的溶剂替代法，制备了一种基于纳米复合聚丙烯酰胺/蒙脱土/碳纳米管 (MMCOHs) 的环境耐受型导电水凝胶。这种水凝胶表现出卓越的机械性能、抗冻能力 (-60°C)、长期环境稳定性 (超过30天) 以及在60°C下的抗干燥行为 (图1a，b 和c)。

图1. MMCOH的环境耐受性。(a) MMCH和MMCOH防冻性能照片。(b) 25℃和-60℃时MMCOH的应力-应变曲线。(c) MMCOH在−60至20℃的电导率。(d) 从≈22.8°C (室温) 到≈47.3°C，循环应变为15%时传感器的电信号，表示传感器在不同温度下的稳定性。(e) 湿度从≈39到≈71%变化过程中，循环应变为15%的GMF传感器的电输出，体现了传感器在不同湿度下的稳定性。

2. 石墨烯基应变传感器：

• 石墨烯改性织物 (GMF) 传感器能够在一定温度和湿度范围内对温度和湿度变化不敏感，保持稳定的信号输出，温度从22.8到47.3°C，湿度从RH 39% 到RH 71% (图1d和e)。
• 通过功能化石墨烯网络与水凝胶聚合物网络的复合，制备了具有抗冻和自修复能力的纳米复合有机水凝胶。

3. 纳米金刚石 (ND) 基应变传感器：

• 利用超纳米晶金刚石 (UNCD) 开发的压阻式传感器原型，在25至300°C的温度范围内展示了稳定的压阻响应。
• 纳米金刚石与聚苯胺 (PANI) 结合的纳米复合物，即使在多次商业洗涤周期后，仍能保持在织物表面，显示出良好的耐磨损性能。

极端湿度或者其他恶劣条件：

1. CNT基应变传感器：

• 研究了一种具有超疏水性和抗化学腐蚀能力的CNT/SiO₂涂层，这种涂层能够保持在潮湿、酸性或其他恶劣条件下的导电性和超疏水性。
• 某些CNT基传感器即使在高湿度环境中也能保持相对稳定性，而其他传感器则展示了在水下或极低温条件下的稳定性。

2. 石墨烯基应变传感器：

• 通过静电自组装制备了一种超疏水、抗化学腐蚀的rGO导电织物，这种传感器能够在高湿度和低温环境中稳定工作 (图2a和b)。
• 利用层状纤维素纳米晶体/石墨烯 (MCNC-GN) 纳米复合物与聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基质结合，开发了一种环境耐受型应变传感器，具有优良的灵敏度、可拉伸性、耐用性和环境稳定性 (图2c，d和e)。

图2. (a) PSKF@rGO/SiO₂-PDMS传感器的制备过程示意图。(b) PSKF@rGO/SiO₂-PDMS传感器应用场景及功能示意图。(c) MCNC-GN/PDMS-2表面不同水滴的CAs和照片。(d) MCNC-GN/PDMS-2的WCA和电导率随人工汗液浸泡时间的变化。插图：浸泡7天后的WCA图像。(e) 不同光照射时间下MCNC-GN/PDMS-2的WCA变化。插图：紫外线照射5小时后的WCA图像。

3. 纳米金刚石 (ND) 基应变传感器：

• 通过简单的水热合成方法制备的MoS₂/ND纳米复合物，被制造成湿度传感器，显示出在11%至97%相对湿度范围内的稳定性。
• 纳米金刚石与聚苯胺 (PANI) 结合的纳米复合物，提高了织物的机械和舒适性能，即使在多次洗涤后仍能保持在织物表面。

应用案例

综述提供了碳基应变传感器在多个领域的应用实例，包括但不限于：

• 健康监测：如心跳、脉搏、呼吸和动脉信号监测。
• 运动感应：在可穿戴设备中监测人体运动和肌肉活动。
• 电子皮肤：模拟人类皮肤的功能，用于感知压力和温度变化。
• 特殊应用：如在航天、深海探索和矿业操作中的结构完整性监测。

图3. 基于碳纳米管、石墨烯和纳米金刚石的应变传感器在恶劣环境中的应用。

未来挑战和机遇

尽管取得了显著进展，但碳基应变传感器在实际应用中仍面临挑战，包括提高灵敏度和准确性、保证长期稳定性、适应复杂环境，以及降低成本等。文章指出，未来的研究需要集中在新材料的开发、传感器设计的创新、封装技术的改进以及与现有系统的集成上。

研究总结 

这些传感器仍然面临着若干挑战，比如在湿润环境下容易受到干扰。为了克服这些问题，研究人员正在开发新的封装技术和保护涂层以提高传感器的耐用性和可靠性。此外，还探索了非接触式智能控制系统的可能性，通过监测手指水分蒸发来实现无接触控制，从而减少细菌传播的风险。它们不仅具备传统传感器所不具备的独特性能，还能应用于广泛的工业和医疗领域。尽管存在一些挑战，但随着材料科学和技术的进步，这些传感器有望在未来实现更广泛的应用并进一步推动柔性电子行业的发展。总之，这篇综述详细介绍了基于碳材料的应变传感器的最新研究进展，强调了它们在不同环境下的应用潜力，并指出了未来研究的方向。通过不断的技术创新，这些传感器将有助于改善人类生活质量并在多个行业中发挥重要作用。

原文出自 C 期刊

Wang, X.; Lim, E.G.; Hoettges, K.; Song, P. A Review of Carbon Nanotubes, Graphene and Nanodiamond Based Strain Sensor in Harsh Environments. C 2023, 9, 108. https://doi.org/10.3390/c9040108