隨著人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，可穿戴傳感器在仿生義肢、健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)用領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展。其中，壓力傳感器是可穿戴傳感器中的重要組成部分。但是，目前的壓力傳感器還存在力學(xué)強(qiáng)度低、靈敏度不高、耐溫性能差的問(wèn)題。未解決這一問(wèn)題，陜西科技大學(xué)張美云教授團(tuán)隊(duì)將力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異的Kevlar納米纖維（ANFs）和導(dǎo)電性高的MXene納米片結(jié)合制備出高回彈性、耐高溫、靈敏度高的復(fù)合氣凝膠傳感器，該傳感器可以感知形變量為2-80%的壓縮應(yīng)變，極高的靈敏度（能夠感知100 Pa的壓力）和循環(huán)穩(wěn)定性（1000次）。該研究以題為“Highly Compressible, Thermally Stable, Light-Weight and Robust?Aramid Nanofibers/Ti3AlC2MXene Composite Aerogel for Sensitive Pressure Sensor”發(fā)表在《ACS Nano》上，青年教師楊斌和張美云教授為論文的共同通訊作者。
【MXene/ANFs氣凝膠的制備】
如圖1所示，他們首先利用DMSO和KOH把原始的Kevlar纖維去質(zhì)子化處理，得到Kevlar納米纖維的DMSO溶液。隨后，經(jīng)過(guò)溶劑交換得到了Kevlar納米纖維的水溶液。同時(shí)，對(duì)Ti3AlC2進(jìn)行插層剝離，得到了MXene納米片。把二者的水溶液進(jìn)行混合、抽濾、冷凍、冷凍干燥四個(gè)過(guò)程后，得到了密度僅為25 mg/cm3的復(fù)合氣凝膠。
【MXene的含量對(duì)于氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的影響】
隨后，他們研究了MXene的含量對(duì)于氣凝膠孔結(jié)構(gòu)的影響。純ANFs氣凝膠的氣孔呈現(xiàn)出橢圓形。隨著MXene的含量從10%逐漸增加到50%，氣凝膠的氣孔結(jié)構(gòu)傾向于圓筒狀，平均尺寸為50?μm。當(dāng)含量達(dá)到70%時(shí)，ANFs的含量過(guò)低，無(wú)法支撐整個(gè)氣凝膠的框架結(jié)構(gòu)，氣凝膠呈現(xiàn)出松散的扁平狀氣孔，平均尺寸為200?μm。此外，作者對(duì)于MXene和ANFs的相對(duì)含量對(duì)于氣凝膠氣孔結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理進(jìn)行了分析。ANFs之間存在較強(qiáng)的氫鍵，在氣凝膠中起強(qiáng)度支撐、分散劑和保護(hù)層的作用。MXene起導(dǎo)電填料和粘結(jié)點(diǎn)的作用。二者中單相組分過(guò)高時(shí)，氣凝膠都表現(xiàn)出松散的大氣孔結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)二者含量適中時(shí)，氣凝膠表現(xiàn)出“泥-磚”結(jié)構(gòu)，且層與層之間相互連接。
【氣凝膠的壓縮和熱穩(wěn)定性】
隨著MXene含量的增加，氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和模量逐漸下降。作者選取了較低壓縮應(yīng)力的含有30%MXene的氣凝膠進(jìn)行壓縮循環(huán)測(cè)試。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后，氣凝膠仍能恢復(fù)原始狀態(tài)，顯示出極好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，與文獻(xiàn)對(duì)比，該氣凝膠具有更低的密度和更優(yōu)異的隔熱性能。在200?℃的熱臺(tái)放置10min后，其表面溫度仍然低于60 ℃。同時(shí)，該氣凝膠還表現(xiàn)出了優(yōu)異的阻燃性能。
【氣凝膠傳感器的應(yīng)用】
隨后，作者對(duì)不同MXene含量的氣凝膠進(jìn)行了壓縮傳感測(cè)試。隨著MXene含量的增加，氣凝膠表現(xiàn)出的電流變化逐漸變大，這是由于導(dǎo)電性的增加導(dǎo)致的。綜合力學(xué)性能、電導(dǎo)率和絕熱性能的考慮，作者選用MXene含量為30%的氣凝膠作為壓阻傳感器。該傳感器的靈敏度達(dá)到了6.75，能夠響應(yīng)頻率為0.2-0.8 Hz的壓縮行為，感知2-80%的壓縮形變，且展示出了極好的循環(huán)穩(wěn)定性（1000次）和極快的響應(yīng)（320?ms）和回彈時(shí)間（98?ms）。隨后，作者將該傳感器用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，在壓縮至餅狀后，該傳感器仍然表現(xiàn)出了極快的響應(yīng)速度（0.1-0.35 s）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
【總結(jié)】
作者利用Kevlar納米纖維和MXene納米片制備了壓縮回彈性好、熱穩(wěn)定性好、隔熱性能優(yōu)異、靈敏度高的氣凝膠壓阻傳感器。該傳感器能夠穩(wěn)定循環(huán)1000次，能夠響應(yīng)不同的工作頻率（0.2-0.8 Hz）、不同的應(yīng)變（2-80%），且靈敏度高（監(jiān)測(cè)100 Pa的壓力），響應(yīng)速率快（320?ms）。在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和嚴(yán)苛環(huán)境下的傳感設(shè)備有優(yōu)異的應(yīng)用前景。
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