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        隨著人工智能領域的快速發展,可穿戴傳感器在仿生義肢、健康監測和醫用領域的研究呈現出爆發式的發展。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強度低、靈敏度不高、耐溫性能差的問題。未解決這一問題,陜西科技大學張美云教授團隊將力學強度優異的Kevlar納米纖維(ANFs)和導電性高的MXene納米片結合制備出高回彈性、耐高溫、靈敏度高的復合氣凝膠傳感器,該傳感器可以感知形變量為2-80%的壓縮應變,極高的靈敏度(能夠感知100 Pa的壓力)和循環穩定性(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。

        Kevlar納米纖維和MXene再登《ACS Nano》:陜科大張美云團隊:高回彈性、耐高溫、高靈敏度氣凝膠傳感器

        【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纖維去質子化處理,得到Kevlar納米纖維的DMSO溶液。隨后,經過溶劑交換得到了Kevlar納米纖維的水溶液。同時,對Ti3AlC2進行插層剝離,得到了MXene納米片。把二者的水溶液進行混合、抽濾、冷凍、冷凍干燥四個過程后,得到了密度僅為25 mg/cm3的復合氣凝膠。

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        圖1?MXene/ANFs氣凝膠的制備過程

         

        【MXene的含量對于氣凝膠孔結構的影響】

        隨后,他們研究了MXene的含量對于氣凝膠孔結構的影響。純ANFs氣凝膠的氣孔呈現出橢圓形。隨著MXene的含量從10%逐漸增加到50%,氣凝膠的氣孔結構傾向于圓筒狀,平均尺寸為50?μm。當含量達到70%時,ANFs的含量過低,無法支撐整個氣凝膠的框架結構,氣凝膠呈現出松散的扁平狀氣孔,平均尺寸為200?μm。此外,作者對于MXene和ANFs的相對含量對于氣凝膠氣孔結構的影響機理進行了分析。ANFs之間存在較強的氫鍵,在氣凝膠中起強度支撐、分散劑和保護層的作用。MXene起導電填料和粘結點的作用。二者中單相組分過高時,氣凝膠都表現出松散的大氣孔結構。只有當二者含量適中時,氣凝膠表現出“泥-磚”結構,且層與層之間相互連接。

        Kevlar納米纖維和MXene再登《ACS Nano》:陜科大張美云團隊:高回彈性、耐高溫、高靈敏度氣凝膠傳感器
        圖2?MXene的含量對氣凝膠微觀形貌的影響

         

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        圖3?ANFs和MXene的含量對于復合氣凝膠孔結構的影響機理

         

        【氣凝膠的壓縮和熱穩定性】

        隨著MXene含量的增加,氣凝膠的機械強度和模量逐漸下降。作者選取了較低壓縮應力的含有30%MXene的氣凝膠進行壓縮循環測試。結果表明,經過1000次循環后,氣凝膠仍能恢復原始狀態,顯示出極好的循環穩定性。此外,與文獻對比,該氣凝膠具有更低的密度和更優異的隔熱性能。在200?℃的熱臺放置10min后,其表面溫度仍然低于60 ℃。同時,該氣凝膠還表現出了優異的阻燃性能。

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        圖4?復合氣凝膠的壓縮性能

         

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        圖5?復合氣凝膠的耐溫性能

         

        【氣凝膠傳感器的應用】

        隨后,作者對不同MXene含量的氣凝膠進行了壓縮傳感測試。隨著MXene含量的增加,氣凝膠表現出的電流變化逐漸變大,這是由于導電性的增加導致的。綜合力學性能、電導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到了6.75,能夠響應頻率為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穩定性(1000次)和極快的響應(320?ms)和回彈時間(98?ms)。隨后,作者將該傳感器用于運動檢測,在壓縮至餅狀后,該傳感器仍然表現出了極快的響應速度(0.1-0.35 s)和優異的循環穩定性。

        Kevlar納米纖維和MXene再登《ACS Nano》:陜科大張美云團隊:高回彈性、耐高溫、高靈敏度氣凝膠傳感器
        圖6?復合氣凝膠傳感器的壓阻性能

         

        Kevlar納米纖維和MXene再登《ACS Nano》:陜科大張美云團隊:高回彈性、耐高溫、高靈敏度氣凝膠傳感器
        圖7復合氣凝膠傳感器的應用

         

        【總結】

        作者利用Kevlar納米纖維和MXene納米片制備了壓縮回彈性好、熱穩定性好、隔熱性能優異、靈敏度高的氣凝膠壓阻傳感器。該傳感器能夠穩定循環1000次,能夠響應不同的工作頻率(0.2-0.8 Hz)、不同的應變(2-80%),且靈敏度高(監測100 Pa的壓力),響應速率快(320?ms)。在運動監測和嚴苛環境下的傳感設備有優異的應用前景。

         

        原文鏈接:

        https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04888

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