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  近年來，由于物聯(lián)網(wǎng)和各種智能終端的快速發(fā)展，柔性可穿戴式電子器件在醫(yī)療保健、VR虛擬現(xiàn)實(shí)、電子皮膚和智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。其中，電阻式應(yīng)變傳感器由于信號(hào)轉(zhuǎn)換快、采集簡單、成本低廉而受到了廣泛的關(guān)注。柔性電阻式應(yīng)變傳感器一般由有機(jī)高分子基材(PDMS、PU、Ecoflex等)和導(dǎo)電納米材料(石墨烯、碳納米管、銀納米線等)組成。然而大多數(shù)已報(bào)道的傳感器受傳感材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或制備方法的制約，難以獲得出色的綜合性能，嚴(yán)重限制了現(xiàn)實(shí)生活中的大規(guī)模應(yīng)用。此外，柔性基材在反復(fù)變形下易于損壞，導(dǎo)致傳感器的機(jī)械性能和使用壽命急劇下降，基于Diels-Alder反應(yīng)、氫鍵、亞胺鍵、金屬-配體配位等功能基材被用來賦予傳感器自修復(fù)功能，然而提高使用壽命的同時(shí)也面臨力學(xué)性能差、易塑性變形或需要外部刺激(如近紅外照射)的問題。因此，以實(shí)際應(yīng)用需求為導(dǎo)向，開發(fā)綜合性能優(yōu)異的新型室溫可自修復(fù)傳感器具有重要意義。

圖1 基于AgNWs@TGF三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)室溫可自修復(fù)應(yīng)變傳感器的制備過程

  最近，華南理工大學(xué)李紅強(qiáng)副教授/曾幸榮教授課題組報(bào)道了一種綜合性能優(yōu)異的室溫可自修復(fù)傳感器，該傳感器以鎳泡沫為模板，浸涂氧化石墨烯(GO)后經(jīng)過還原、刻蝕反應(yīng)制得巰基化石墨烯三維支撐骨架(TGF)，然后通過浸涂負(fù)載銀納米線后得到三維二進(jìn)制導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)AgNWs@TGF。最后通過灌注帶雙硫鍵(S-S)的室溫可自修復(fù)功能化聚氨酯(FPU)得到AgNWs@TGF/FPU應(yīng)變傳感器。

圖2 傳感器斷面電鏡圖片(a, b)、傳感機(jī)理(c)以及應(yīng)變系數(shù)與拉伸應(yīng)變的關(guān)系(d, e)

  電鏡圖像顯示(圖2 a, b)，F(xiàn)PU將AgNWs@TGF導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)完全填充。AgNWs的負(fù)載量增加會(huì)導(dǎo)致傳感器應(yīng)變系數(shù)(GF)降低(圖2 d, e)，當(dāng)傳感器處于拉伸狀態(tài)時(shí)，傳感器的電阻發(fā)生響應(yīng)并增大，這主要是因?yàn)槿嵝曰腇PU會(huì)帶動(dòng)AgNWs三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生拉伸，從而導(dǎo)致AgNWs之間發(fā)生相對滑移，AgNWs間接觸點(diǎn)減少，電子通行能力減弱，由拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)為恢復(fù)狀態(tài)時(shí)，則此過程反向進(jìn)行(圖2 c)。當(dāng)斷裂的傳感器經(jīng)過室溫24 h放置后，傳感器完全愈合(圖3 a)，且愈合后傳感器的電阻和應(yīng)變系數(shù)變化很小(圖3 b, c)，這主要是基于FPU脲基間氫鍵重建和雙硫鍵交換重構(gòu)的協(xié)同作用(圖3 d)。此外，接觸界面AgNWs與FPU雙硫鍵間的Ag-S配位作用力也有利于傳感器的自修復(fù)。

圖3 傳感器自愈合前后掃描電鏡對比(a)、電學(xué)性能對比(b, c)和愈合機(jī)理圖(d)

  該傳感器具有優(yōu)異的綜合性能(檢測極限0.1 %、應(yīng)變范圍60 %、響應(yīng)/松弛時(shí)間40/84 ms、疲勞測試漂移現(xiàn)象較弱等) (圖4 a-d)，可應(yīng)用于檢測脈搏、點(diǎn)頭、行走、手腕/手肘彎曲、書寫等各種人體活動(dòng)(圖4 e-g)。

圖4 傳感器的檢測極限(a)、響應(yīng)/松弛時(shí)間(b,c)、疲勞測試(d)以及對不同人體運(yùn)動(dòng)的檢測(e-g)

  相關(guān)研究成果以“Three-Dimensional Binary-Conductive-Network Silver Nanowires@Thiolated Graphene Foam Based Room-Temperature Self-Healable Strain Sensor for Human Motion Detection”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文第一作者為華南理工大學(xué)材料學(xué)院博士生張林，通訊作者為華南理工大學(xué)李紅強(qiáng)副教授、曾幸榮教授。

  論文連接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13442