陜西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Zhong-Guo Zhao等--具有島鏈結(jié)構(gòu)的柔性硅/MXene/天然橡膠薄膜應(yīng)變傳感器用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)

對(duì)具有高靈敏度和耐用性的柔性應(yīng)變傳感器的需求顯著增加。然而，傳統(tǒng)的傳感器在探測(cè)范圍和制造工藝方面受到限制。在這項(xiàng)工作中，提出了一種空間堆疊的方法來(lái)制作天然橡膠(NR)/Ti₃C₂T_x (MXene)/二氧化硅(SiO₂)薄膜，具有優(yōu)異的電導(dǎo)率，靈敏度和可靠性。在NR/MXene復(fù)合材料中引入SiO₂后，形成了“島鏈結(jié)構(gòu)”，促進(jìn)了導(dǎo)電通路的形成，顯著提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。其中，NR/MXene/10 wt%SiO₂復(fù)合材料的導(dǎo)電性能比NR/MXene復(fù)合材料單獨(dú)的導(dǎo)電性能提高了約200倍(從0.07 S/m提高到13.4 S/m)。此外，“島鏈結(jié)構(gòu)”進(jìn)一步增強(qiáng)了NR/MXene/10 wt%SiO₂復(fù)合材料的傳感性能，表現(xiàn)為優(yōu)異的靈敏度(GF = 189.2)、快速的響應(yīng)時(shí)間(102 ms)和超過(guò)10,000個(gè)循環(huán)的良好重復(fù)性。該裝置具有良好的機(jī)械傳感性能，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)人體生理信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，該設(shè)備是一個(gè)應(yīng)變檢測(cè)器，通過(guò)監(jiān)測(cè)手指、手臂和大腿的運(yùn)動(dòng)來(lái)識(shí)別不同的應(yīng)變信號(hào)。該研究為具有優(yōu)異導(dǎo)電性、柔韌性和穩(wěn)定性的復(fù)合材料制造提供了關(guān)鍵見(jiàn)解，而這些是創(chuàng)建高性能柔性傳感器的基本特性。

圖1. NR/MXene/SiO₂薄膜的制備工藝示意圖。

圖2. (a) FT-IR曲線，(b)納米復(fù)合物的XPS光譜，(c)納米復(fù)合物的c 1s光譜，(d) NM₂Si₁₀的截面SEM圖像和(e) NM₂Si₁₀相應(yīng)的Ti, C, Si, O元素分布。

圖3. (a)納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率，(b) MXene基彈性體電導(dǎo)率的比較，(c)納米復(fù)合材料的相對(duì)力學(xué)性能，(d) NM₂Si₁₀復(fù)合材料的拉伸恢復(fù)曲線，(e)不同應(yīng)變下薄膜的電阻變化，(f)不同拉伸速度下薄膜的電阻變化。

圖4. (a) NM₂、(b) NM₂Si₁₀、(c) NM₂Si₂₀、(d) NM₂Si₅₀的截面SEM圖像。(a1)-(d2) NR/MXene/ SiO₂復(fù)合材料中MXene網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)變下的斷裂示意圖。

圖5. (a) NR/MXene/SiO₂薄膜的電阻變化，(b)應(yīng)變傳感器循環(huán)電阻在不同應(yīng)變下的變化，(c) NR/MXene/SiO₂薄膜的拉伸/恢復(fù)響應(yīng)，(d) 25%應(yīng)變下的輸入張力波和傳感響應(yīng)，(e)和(f) 25%應(yīng)變下NR/MXene/SiO₂薄膜的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖6 應(yīng)變傳感器性能檢測(cè)(a)頸部彎曲，(b)張口，(c)手腕彎曲，(d)手指彎曲，(e)肘部彎曲和(f)腿部彎曲。

相關(guān)科研成果由陜西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Zhong-Guo Zhao等人于2023年發(fā)表在Journal of Colloid And Interface Science（https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.07.093.）上。原文：Flexible Silica/MXene/Natural rubber flm strain sensors with island chain structure for Healthcare monitoring.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979723013425。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)



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