柔性和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展對(duì)電極系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，要求其與主設(shè)備無(wú)縫連接、高兼容性，以適應(yīng)復(fù)雜的變形條件，保持穩(wěn)定的性能。在這里，我們提出了一個(gè)碳納米管集成電極(CNTIE)，通過(guò)濕拉碳納米管(CNT)薄膜的末端，形成壓縮的細(xì)纖維，類似于傳統(tǒng)的導(dǎo)電絲電極。以中間CNT薄膜為主要功能部分，CNTIE為自衍生電極，兩部分之間具有固有的CNT連接，構(gòu)成柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器可轉(zhuǎn)移到通用基板(如氣球表面)或封裝在熱塑性聚合物，表現(xiàn)出很大的線性響應(yīng)范圍(拉伸應(yīng)變高達(dá)1000%)，優(yōu)良的耐久性和可重復(fù)性超過(guò)5000次，并能夠檢測(cè)小到大程度的人體運(yùn)動(dòng)。此外，基于CNTIE混合膜(MXene/CNT和石墨烯/CNT)的應(yīng)變傳感器在應(yīng)變范圍為0 800%時(shí)，也表現(xiàn)出良好的線性和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的銀線電極和單獨(dú)制備的CNT光纖電極相比，CNTIE在實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定應(yīng)變循環(huán)性能方面發(fā)揮了重要作用。我們自主研發(fā)的集成電極為解決傳統(tǒng)電極的不兼容問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于碳納米管和其他納米材料的高性能柔性可穿戴系統(tǒng)提供了一條潛在的途徑
圖1 CNTIE的準(zhǔn)備。(a) CNTIE制備過(guò)程示意圖和CNTIE不同部分的形貌。(b) CNTIE的SEM圖像。(c,f) CNTIE三角形區(qū)域的SEM圖像。(d,g) CNTIE三角形部分與CNT光纖交點(diǎn)的SEM圖像。(e,h) CNTIECNT纖維的SEM圖像。(i)以MXene/CNT和石墨烯/CNT混合膜為傳感層的集成電極應(yīng)變傳感器示意圖。(j) MXene/CNT混合膜的SEM圖像。(k)石墨烯/碳納米管混合膜的SEM圖像。
圖2。不同尺寸襯底應(yīng)變傳感器的機(jī)電響應(yīng)。(a-c)一維襯底(橡皮筋)、二維襯底(帶狀氣球)和三維襯底(充氣氣球)應(yīng)變傳感器的機(jī)電響應(yīng)。(d)不同尺寸襯底下應(yīng)變傳感器在不同應(yīng)變下的電阻變化。(e)附在氣球上的應(yīng)變傳感器在不同充氣狀態(tài)下的照片。(f)監(jiān)測(cè)充氣過(guò)程中氣球表面張力的變化。
圖3 可伸縮可穿戴設(shè)備;(a) CNTIE/TPU傳感器的制備。(b) CNTIE/TPU應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻隨應(yīng)變的變化。(c)報(bào)告的柔性傳感器線性范圍摘要。(d) CNTIE/TPU傳感器在ε = 50%和ε = 5%時(shí)的機(jī)械耐久性為5000次。 (e) MXene/CNTIE/TPU應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻隨應(yīng)變的變化。(f)石墨烯/ CNTIE/TPU應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻隨應(yīng)變的變化。
圖4。演示了用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的可穿戴式CNTIE應(yīng)變傳感器的實(shí)際應(yīng)用。(a)一名學(xué)生戴著CNTIE/TPU傳感器進(jìn)行皺眉、微笑測(cè)試時(shí)發(fā)出的電信號(hào)照片。(b)一名學(xué)生戴著裝有CNTIE/TPU傳感器的面罩進(jìn)行呼吸測(cè)試時(shí)發(fā)出的電信號(hào)照片。(c)一名學(xué)生戴著CNTIE/TPU傳感器進(jìn)行飲品測(cè)試時(shí)發(fā)出的電信號(hào)照片。(d)一名學(xué)生戴著CNTIE/TPU傳感器進(jìn)行咳嗽測(cè)試的電子信號(hào)照片;(e)學(xué)生佩戴CNTIE/TPU傳感器進(jìn)行彎曲測(cè)試時(shí)發(fā)出的電信號(hào)照片。(f)水下CNTIE/TPU傳感器。
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圖5。(a) CNTIE、Ag電極、CNT光纖電極示意圖。(b) 50%應(yīng)變下CNTIE、Ag電極和CNT纖維電極100次拉伸釋放循環(huán)的電阻變化率。(c) 50%應(yīng)變下CNTIE、Ag電極和CNT纖維電極100次拉伸釋放循環(huán)的Rn/R0和(ΔRn/Rn)/ΔR0/R0變化。(d)拉伸釋放循環(huán)100次后CNTIE的形態(tài)。
相關(guān)科研成果由北京大學(xué)Anyuan Cao和Yuanyuan Shang等人于2021年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.1c13530)上。原文：Flexible and Stable Carbon Nanotube Film Strain Sensors with Self-Derived Integrated Electrodes。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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