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不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊(duì) Small：基于亞微米木質(zhì)纖維構(gòu)建超彈氣凝膠壓力傳感器
2023-11-21  來源：高分子科技

  壓力傳感器因其在語音識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、電子皮膚等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景而備受矚目。其中，多孔纖維素基氣凝膠由于其低密度、高表面積和可生物降解的特點(diǎn)，近些年已被探究用于開發(fā)環(huán)保型高性能壓力傳感器。然而，纖維素基氣凝膠的傳感性能高度依賴于其本身的密度。通常情況下，低密度結(jié)構(gòu)具有較大的孔間距，在低壓力條件下無法形成有效的導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致檢測(cè)極限較高和響應(yīng)時(shí)間較長；而高密度結(jié)構(gòu)雖然有利于構(gòu)建有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但往往以犧牲結(jié)構(gòu)彈性和傳感性能為代價(jià)。因此，在保持結(jié)構(gòu)彈性的同時(shí)，進(jìn)一步提升纖維素基氣凝膠的傳感性能仍存在挑戰(zhàn)。


  近日，不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊(duì)利用雙冰模板法結(jié)合靜電自組裝，開發(fā)了一種導(dǎo)電且超彈的亞微米木質(zhì)纖維/碳黑（SMF/CB）復(fù)合氣凝膠，所制備氣凝膠實(shí)現(xiàn)了其密度、彈性和傳感性能之間的有效平衡。該工作以“Superelastic Cellulose Sub-Micron Fibers/Carbon Black Aerogel for Highly Sensitive Pressure Sensing”為題發(fā)表于《Small》，不列顛哥倫比亞大學(xué)碩士研究生張伊凡和博士后朱朋輝為論文的共同第一作者，通訊作者為朱朋輝博士和姜鋒教授。


圖1. SMF/CB氣凝膠設(shè)計(jì)策略示意圖。(a) 利用冰模板法將CNF組裝成SMF示意圖；(b) 靜電組裝法將CB吸附至SMF表面示意圖；(c) 所制備SMF/CB復(fù)合氣凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖。


圖2. CNF、SMF和SMF/CB懸浮液及所制備氣凝膠的形貌特征。(a) CNF、SMF和SMF/CB懸浮液的照片；(b) CNF、(c) SMF和(d) SMF/CB的TEM 圖；(e) CNF、(f) SMF和(g) SMF/CB氣凝膠在100 g砝碼壓縮前后的照片對(duì)比；(h-j) CNF、(k-m) SMF和(n-p) SMF/CB氣凝膠的SEM圖。


圖3. SMF和SMF/CB氣凝膠的機(jī)械性能。(a) SMF0.4氣凝膠在10%至50%應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；在40%應(yīng)變下，(b) 不同密度的SMF氣凝膠和(c)不同CB負(fù)載量的SMF/CB氣凝膠在50次循環(huán)測(cè)試中的最大應(yīng)力保留率；(d) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在10%至50%應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(e) SMF0.2/CB0.1 氣凝膠在40%應(yīng)變下的循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(f) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在10,000次循環(huán)測(cè)試中的高度保留率。


圖4. SMF/CB氣凝膠的傳感性能。(a) SMF/CB氣凝膠在不同施加壓力下的I-V曲線；(b) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在不同施加壓力下的相對(duì)電阻變化；(c) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在0-6.5 kPa范圍內(nèi)的靈敏度；(d) CB/SMF氣凝膠的壓阻傳感機(jī)理示意圖；(e) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在1.5 kPa施加壓力下進(jìn)行1,000次循環(huán)壓縮/釋放測(cè)試過程中的相對(duì)電阻變化；(f) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在施加1 kPa壓力的壓縮/釋放過程中的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間；(g) 本研究與已發(fā)表的相關(guān)研究關(guān)于響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的對(duì)比。


圖5. SMF/CB氣凝膠在多種人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展示。SMF0.2/CB0.1氣凝膠在監(jiān)測(cè)(a) 咳嗽、(b,c) 語音、(d) 脈搏、(e) 肘部彎曲和(f) 膝蓋彎曲時(shí)的相對(duì)電阻變化；(g) 用于監(jiān)測(cè)手關(guān)節(jié)彎曲的SMF0.2/CB0.1氣凝膠陣列示意圖；(h) SMF0.2/CB0.1氣凝膠陣列對(duì)不同手指運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)曲線及其在人機(jī)交互中的應(yīng)用展示。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202310038

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（責(zé)任編輯：xu）
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