近年來，由于柔性可穿戴電子設(shè)備的固有特性，它作為傳統(tǒng)剛性金屬導(dǎo)體在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和感覺皮膚方面的替代選擇，引起了人們的極大興趣。然而，大多數(shù)可穿戴傳感器的實(shí)際應(yīng)用普遍受到延展性和靈敏度差、強(qiáng)度不理想、電導(dǎo)率低、感覺功能單一等因素的限制。本文設(shè)計(jì)了一種基于羧基丁苯橡膠(XSBR)和親水性絲膠(SS)的非共價(jià)修飾碳納米管(CNTs)的氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并將其制成多功能傳感器。復(fù)合多功能傳感器能夠檢測(cè)弱和大變形, 其檢測(cè)下限為1%應(yīng)變，伸長(zhǎng)率高達(dá)217%，強(qiáng)度為12.58 MPa，靈敏度高，測(cè)量系數(shù)高達(dá)25.98，電導(dǎo)率為0.071 S m−1，滲流閾值為0.504 wt%。此外，所制備的傳感器還具有高熱響應(yīng)(0.01636°C
−1)，實(shí)現(xiàn)了在人體溫度測(cè)量中的應(yīng)用。多功能、可擴(kuò)展的XSBR/SSCNT傳感器集成了實(shí)時(shí)和原位生理信號(hào)跟蹤能力，為開發(fā)可穿戴人工智能在人類健康和運(yùn)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域提供了一條有前景的道路。
Figure 1. XSBR/SSCNT傳感器的制備工藝和表征。a)柔性XSBR/SSCNT傳感器膠乳成膜制備示意圖。b) XSBR/SSCNT薄膜干燥熱壓后宏觀部分(黑體)。c-f) XSBR/SSCNT-1、XSBR/SSCNT-3、XSBR/SSCNT-5、XSBR/SSCNT-7低溫?cái)嗫诘腟EM圖像。
Figure 2. a)添加不同碳納米管的XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的FTIR光譜。b) XSBR/CNT-5和XSBR/ SSCNT傳感器的拉曼光譜。SSCNT和XSBR/SSCNT-5的c) O1s和d) N1s的XPS譜圖。e)純XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的交聯(lián)密度。f)吉布斯自由能和熵變隨碳納米管含量的變化。
Figure 3. 傳感器的應(yīng)變性能。a) XSBR/SSCNT傳感器膜在200%和400%載荷下的拉伸能力。b) XSBR/SSCNT薄膜在2kg載荷下拉伸性能的照片。c)不同碳納米管含量的純XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。d)不同碳納米管含量的純XSBR和XSBR/SSCNT傳感器的極限拉伸強(qiáng)度比較，e)楊氏模量，f)韌性。g) XSBR/SSCNT傳感器拉伸前后納米結(jié)構(gòu)示意圖。
Figure 4. XSBR/SSCNT傳感器的機(jī)電性能。a)不同碳納米管含量的XSBR/SSCNT傳感器電導(dǎo)率。b)電導(dǎo)率與(Φ−Φ
c)/(1−Φ
c)的對(duì)數(shù)圖。c)與其他報(bào)道的導(dǎo)電復(fù)合材料的電導(dǎo)率和拉伸應(yīng)力的Ashby圖。d)以XSBR/SSCNT-5為導(dǎo)體的LEDa(工作電壓9.8 V)在拉伸和彎曲前后的亮度比較。e) XSBR/SSCNT-5在不同菌株下的相對(duì)抗性隨時(shí)間的變化。f) XSBR/SSCNT-5在300mm min
−1拉伸速率下的典型相對(duì)電阻應(yīng)變曲線。g)在0-3%的應(yīng)變范圍內(nèi)，相對(duì)電阻隨施加應(yīng)變的變化。h)在逐漸減小的階躍應(yīng)變下，從10%到1%施加應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化。插圖顯示了XSBR/SSCNT-5在1%應(yīng)變下的耐久性。i) XSBR/SSCNT-5在5%應(yīng)變作用下的響應(yīng)曲線為0.2 s。
Figure 5. XSBR/SSCNT-5的溫度傳感性能。a) XSBR/SSCNT-5在溫度從30℃升高到100℃時(shí)的歸一化相對(duì)電阻變化。b) XSBR/SSCNT-5電阻隨溫度的變化呈非線性關(guān)系。c) Arrhenius圖顯示ln(R)與1000/T呈線性關(guān)系。d)傳感器在40 ~ 80℃反復(fù)冷卻和加熱過程中具有重復(fù)性的溫度識(shí)別能力。e)正常狀態(tài)下及置于熱水瓶(60℃)10s . f后前臂皮膚溫度的紅外熱圖像。熱敏傳感器對(duì)熱(60℃)和冷(20℃)水的瞬時(shí)電響應(yīng)。
Figure 6.可穿戴式XSBR/SSCNT柔性傳感器的應(yīng)用，用于檢測(cè)各種人體動(dòng)作和聲音。相對(duì)阻力隨a)手腕彎曲運(yùn)動(dòng)的照片和b)相應(yīng)的信號(hào)而變化。c)彎曲肘部。d)裝配在膝關(guān)節(jié)上的傳感器光學(xué)圖像，以及相應(yīng)的e)屈/伸、蹲、跳信號(hào);f)慢走-快走，慢跑-跑。g)柔性應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)腕脈的相對(duì)電阻變化。插圖顯示了手腕上的傳感器(左)和單個(gè)脈沖信號(hào)(右)的照片。h)監(jiān)測(cè)微笑微小肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器信號(hào)的響應(yīng)性。插圖:撲克臉和微笑臉的照片。i)當(dāng)佩戴者說“我是”、“橡膠”、“學(xué)校”、“傳感器”、“歡迎”時(shí)的發(fā)音。“j)附著在腹部的傳感器的光學(xué)圖像，以及k)兩種不同呼吸模式，深呼吸和淺呼吸的相應(yīng)信號(hào)。
Figure 7. a,b)無線檢測(cè)XSBR/SSCNT傳感器外部連接示意圖和光學(xué)圖像c)通過手機(jī)app接收手指彎曲運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)d)使用XSBR/SSCNT傳感器作為行動(dòng)受限患者的警報(bào)或警告。e,f)跑步時(shí)的電流變化，并降低“人工發(fā)熱”。g,h)“人工發(fā)熱”前后人類前額的紅外熱像圖。
相關(guān)研究工作由廣西大學(xué)Chuanhui Xu 課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》上，原文：A High-Performance, Sensitive, Wearable Multifunctional Sensor Based on Rubber/CNT for Human Motion and Skin Temperature Detection。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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