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    陜科大馬忠雷副教授和西工大張廣成教授:基于微孔結構與隔離結構多層次結構設計的輕質、柔性且高靈敏聚合物基應變傳感復合材料
    2020-11-30  來源:高分子科技

      應力、應變傳感材料是一種可將拉、壓、彎等外界刺激轉換為可視電信號的功能材料,在軟體機器人、運動監測及可穿戴設備中具有重要的應用價值。隨著柔性電子技術與人工智能領域的快速發展,迫切需要兼具輕質、柔性且高靈敏度的新型傳感器件,以實現對外界環境的智能感知及實時人機交互。傳統基于金屬或半導體的應力應變傳感材料雖然靈敏度高且響應快速,但存在密度大、可穿戴性低和成型加工困難等缺點。聚合物基導電復合材料具有成型加工容易、耐化學腐蝕且成本低等優勢,因而在柔性應力應變傳感領域具有重要的應用價值。然而,要達到良好的導電性能和傳感性能通常需要較高的填充量,嚴重影響復合材料的可加工性和力學性能(主要是強度和柔韌性)。因此,如何在低填充下制備兼具輕質、柔性且高靈敏的聚合物基應力應變傳感材料仍然具有較大的挑戰性。


      本研究基于微孔結構與隔離結構多層次結構設計,首先采用綠色環保的超臨界CO2微孔發泡技術制得輕質、高回彈的尼龍彈性體(Pebax)微孔珠粒,通過浸涂法將導電銀(Ag)包覆于Pebax微孔珠粒表面制得高導電Pebax@Ag復合微孔珠粒,再與聚二甲基硅氧烷/多壁碳納米管(PDMS/MWCNT)前驅體復合并固化成型制得輕質、柔性且高靈敏的隔離型微孔發泡應變傳感復合材料(圖1)。


    圖1 隔離型微孔發泡應變傳感復合材料的制備示意圖


      隔離型微孔發泡復合材料中Pebax@Ag微孔珠粒的“體積排除”效應使MWCNTs選擇性地分布于微孔珠粒之間,從而構筑形成高效三維導電網絡,提高了連續相中MWCNTs的局部有效濃度,顯著降低了復合材料的導電逾滲閾值(從2.0 vol%降低至0.28 vol%)。微孔結構的引入不僅降低了復合材料的質量密度(0.62 g/cm3),并且進一步改善了復合材料的柔性和回彈性(圖2)。


    圖2 隔離型微孔發泡應變傳感復合材料的微觀結構與壓阻傳感特性


      此外,Pebax@Ag微孔珠粒與PDMS/MWCNT連續相之間存在微米級間隙,在外施壓縮應變下微間隙閉合,微孔珠粒的導電Ag球面與MWCNTs相互連接形成高效導電通路,有利于提高復合材料在外施壓縮應變下的傳感性能。與均勻共混復合材料相比,隔離型微孔發泡復合材料不僅具有輕質、高回彈和低逾滲閾值等特點,而且在低填充下表現出更優異的電導率和壓阻傳感特性。該結果主要得益于:(1)由“體積排除”效應導致的高MWCNT局部有效濃度;(2)高效3D MWCNT/Ag球面導電通路的構筑;(3)高回彈微孔發泡Pebax珠粒的快速響應(圖3)。


    圖3 隔離型微孔發泡復合材料(a)與均勻共混復合材料(b)的應變傳感機理示意圖


      將所得隔離型微孔發泡應變傳感復合材料用于功能型鞋底中能夠良好地監測人體行走姿勢(如踮腳、跳躍、深蹲、行走和摔倒等),對獨居老人及建筑和登山等高危行業從事者的遠程監護與急救具有重要意義(圖4)。


    圖4 隔離型微孔發泡應變傳感復合材料的工作穩定性及其在人體運動監測(踮腳、跳躍、深蹲、行走和摔倒)中的應用


      相關研究成果以“Lightweight, Flexible and Highly Sensitive Segregated Microcellular Nanocomposite Piezoresistive Sensors for Human Motion Detection”為題發表在復合材料權威期刊Composites Science and Technology上。陜西科技大學為論文的第一完成單位,陜西科技大學馬忠雷副教授為第一作者兼通訊作者,西北工業大學張廣成教授、陜西科技大學李運濤教授為本文的共同通訊作者。感謝國家自然科學基金(51903145)、陜西省自然科學基礎研究計劃(2018JQ5060)和陜西省教育廳專項科研計劃項目(17JK0100)對本研究的支持。


      論文信息:

      Zhonglei Ma*, Ajing Wei, Yuntao Li*, Liang Shao, Hongming Zhang, Xiaolian Xiang, Jingping Wang, Qinbo Ren, Songlei Kang, Diandian Dong, Jianzhong Ma, Guangcheng Zhang*, Lightweight, Flexible and Highly Sensitive Segregated Microcellular Nanocomposite Piezoresistive Sensors for Human Motion Detection, Composites Science and Technology. 2020, DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108571.

      原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353820323630

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    (責任編輯:xu)
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