川大雷景新教授团队江亮/雷元 AFM：通过多级强弱动态结构设计低应变下的高应变响应和可回收传感器

2024-12-27 来源：高分子科技

电阻应变传感器因其简单的结构、易于制造和可靠的传感性能，在柔性传感技术中的实际应用中受到广泛关注。典型的电阻应变传感器是通过将高导电性填料（如碳纳米管、导电炭黑、MXene、石墨烯等）与弹性聚合物基底结合而构建的。然而，经均匀分散后的MXene、碳纳米管、石墨烯等具有良好的接触性，在非常低的应变下不容易破坏导电通道（如图1a），这给准确检测微小应变带来了挑战。相比之下，导电炭黑在施加的低应变下很容易破坏导电通路，可以显著提高应变传感器的灵敏度（如图1a）。因此，设计一种可回收的应变响应式传感器，同时在低应变水平下兼具高灵敏度、优异的机械性能和成本效益，仍然是一项重大挑战。

近期，四川大学高分子研究所、高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）的雷景新教授团队将导电炭黑与具有多层次强弱动态结构的丙烯酸树脂相结合，研制出了一种低应变下具有高应变响应的可回收传感器（PAV/Cu²⁺-CB-x），如图1b所示。此外，分子动力学模拟显示（如图1c-d），分子结构中存在多种强弱动态键：较弱的配位键和氢键赋予了这种传感器对微小应变的超常灵敏度，而较强的离子键则确保了其卓越的机械性能。具体表现为：PAV/Cu²⁺-CB-30的抗拉强度为7.16兆帕，断裂伸长率为355.50%，具有优异的再加工稳定性，同时还具有0.294 S cm^-1的高电导率，在低于5%的应变下具有出色的灵敏度。

图1. (a) 碳纳米管、MXene和导电炭黑基复合材料在外力作用下导电通路断开的示意图。(b) PAV/Cu²⁺-CB-x复合材料的合成路线示意图。(c) 基体树脂的动力学计算模型中丙烯酸和丙烯酰胺链段之间氢键作用示意图。(d) 添加导电炭黑复合材料的动力学计算模型示意图。

所设计的PAV/Cu²⁺-CB-30具有独特强-弱动态结合网络，在较小应变下，较弱的配位键和氢键能够发生快速的重复断裂和键合，而较强的离子键则充当固定锚点，确保了其卓越的机械性能，能够应用于应变传感器。同时，凭借高炭黑负载量和响应微小应变的分子网络，PAV/Cu²⁺-CB-30应变传感器展现出卓越的电学性能，包括高导电性（0.294 S cm^-1）和在极低应变（低于5%）下的出色灵敏度（GF=8.24）。这些优异的电学性能使传感器能够准确检测细微的活动（如图2所示），如语音、喉部肌肉运动以及关节运动（例如，手指、腕部和膝部），尤其是在佩戴于喉部和关节时。因此，所设计的PAV/Cu²⁺-CB-x应变传感器在未来的人体运动分析和语音检测应用中具有巨大的潜力。

图2. (a) PAV/Cu²⁺-CB-x复合材料的电导率。(b) PAV/Cu²⁺-CB-30的电阻恢复过程。(c) 在不同应变（0.1%、0.5%、1%和5%）下PAV/Cu²⁺-CB-30传感器的实时相对电阻变化时间曲线。(d) 在5%应变下PAV/Cu²⁺-CB-30传感器50次循环的稳定性测试。(e-h) PAV/Cu²⁺-CB-30传感器应用于不同身体部位检测。

研究成果以“Designing Highly Strain-Responsive and Recyclable Sensors Via Multilevel Strong and Weak Dynamic Structures Under Low Strain”为题发表在《Advanced Functional Materials》（doi.org/10.1002/adfm.202419308）上。论文第一作者为四川大学硕士研究生杨天泰，通讯作者为四川大学江亮副研究员和雷元副研究员。本工作得到中国博士后面上基金、四川省青年科学基金和四川省先进建筑材料产教融合创新示范平台等项目的资助支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419308

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（责任编辑：xu）

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