东华大学王华平/陈仕艳《ACS Nano》：电阻电容杂化响应增强的柔性纤维压力传感器

2023-08-02 来源：高分子科技

在柔性压力传感器领域，受压力增加所引起的材料模量增加的影响，传感器的灵敏度会随压力增加出现明显衰减。由于结构设计的限制导致这一影响在纤维压力传感器上表现更加明显。这种灵敏度的衰减无疑在很大程度上限制了柔性传感器的应用范围。

图1杂化响应纤维压力传感器

近期，针对此问题东华大学王华平教授团队利用湿法纺丝和涂层工艺制备了三层皮芯结构（图1）。通过调控中间层复合材料的电学性质以达到电阻电容杂化响应，并利用此杂化响应优化了传感器的灵敏度尤其是高压力范围下的灵敏度。与其他类型传感器相比较，杂化响应有效减缓了传感器灵敏度的衰减（图2）。进一步根据压阻层可能存在的导电通路推导出传感器的等效电路，并对等效电路的理论值与实验值进行模拟确认其杂化响应行为和杂化响应的触发区间（图3）。最后，探究了该传感器对不同压力下的脉搏监测能力。这项工作利用杂化响应优化了电容式纤维压力传感器的灵敏度，拓宽了柔性纤维压力传感器的应用场景。该工作以“Highly Sensitive Fiber Pressure Sensors over a Wide Pressure Range Enabled by Resistive-Capacitive Hybrid Response”为题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者是东华大学材料科学与工程学院2022级博士研究生屈向阳。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2基于不同中间层复合材料的四种电容响应模型。（a）四种电容响应模型的照片和截面示意图；（b）四种响应模型的电压降有限元模拟；（c）四种电容响应模型的电容变化机理图；（d）四种不同电容模型的应力/压缩应变曲线。

图3 杂化响应纤维传感器的电容响应行为及理论分析。（a）传感器电容值随压力变化；（b）传感器相对电容随压力变化；（c）传感器的归一化灵敏度与压力的关系；（d）三种可能的HFPSs等效电路；DCPS（e）、HFPS₂（f）、HFPS_2.5（g）、HFPS₃（h）的理论和实验电容变化；（i）HFPS_2.5的杂化响应压力范围；（j） HFPS_2.5中电阻和电容的电流分数；（k）HFPS_2.5与近年报道的电容式纤维压力传感器的灵敏度对比。

基于湿法纺丝制备的柔性电阻式应变传感器的工作基础（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29167?29175，该工作是团队近期关于在纤维传感器相关研究的最新进展之一。团队曾系统探索了细菌纤维素的溶解条件和纺丝条件对纤维性能的影响，以及超级电容器以及水传感器应用的探究（Chem. Eng. J. 2022, 427, 131904；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 21319?21329）。此外，在压力传感方面，团队探究了基于细菌纤维素基体的直纤维和螺旋纤维交叉结构用于压力和距离传感的研究（ACS Nano 2020, 14, 15428–15439；Nano Energy 2023, 113, 108598）。接下来团队将对纤维的智能化的开发以及应用研究进行进一步的深入探索。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03484

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（责任编辑：xu）

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