不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队 Small：基于亚微米木质纤维构建超弹气凝胶压力传感器

2023-11-21 来源：高分子科技

压力传感器因其在语音识别、健康监测、运动检测、电子皮肤等领域的广泛应用前景而备受瞩目。其中，多孔纤维素基气凝胶由于其低密度、高表面积和可生物降解的特点，近些年已被探究用于开发环保型高性能压力传感器。然而，纤维素基气凝胶的传感性能高度依赖于其本身的密度。通常情况下，低密度结构具有较大的孔间距，在低压力条件下无法形成有效的导电路径，导致检测极限较高和响应时间较长；而高密度结构虽然有利于构建有效的导电网络，但往往以牺牲结构弹性和传感性能为代价。因此，在保持结构弹性的同时，进一步提升纤维素基气凝胶的传感性能仍存在挑战。

近日，不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队利用双冰模板法结合静电自组装，开发了一种导电且超弹的亚微米木质纤维/碳黑（SMF/CB）复合气凝胶，所制备气凝胶实现了其密度、弹性和传感性能之间的有效平衡。该工作以“Superelastic Cellulose Sub-Micron Fibers/Carbon Black Aerogel for Highly Sensitive Pressure Sensing”为题发表于《Small》，不列颠哥伦比亚大学硕士研究生张伊凡和博士后朱朋辉为论文的共同第一作者，通讯作者为朱朋辉博士和姜锋教授。

图1. SMF/CB气凝胶设计策略示意图。(a) 利用冰模板法将CNF组装成SMF示意图；(b) 静电组装法将CB吸附至SMF表面示意图；(c) 所制备SMF/CB复合气凝胶的结构示意图。

图2. CNF、SMF和SMF/CB悬浮液及所制备气凝胶的形貌特征。(a) CNF、SMF和SMF/CB悬浮液的照片；(b) CNF、(c) SMF和(d) SMF/CB的TEM 图；(e) CNF、(f) SMF和(g) SMF/CB气凝胶在100 g砝码压缩前后的照片对比；(h-j) CNF、(k-m) SMF和(n-p) SMF/CB气凝胶的SEM图。

图3. SMF和SMF/CB气凝胶的机械性能。(a) SMF0.4气凝胶在10%至50%应变下的压缩应力-应变曲线；在40%应变下，(b) 不同密度的SMF气凝胶和(c)不同CB负载量的SMF/CB气凝胶在50次循环测试中的最大应力保留率；(d) SMF0.2/CB0.1气凝胶在10%至50%应变下的压缩应力-应变曲线；(e) SMF0.2/CB0.1 气凝胶在40%应变下的循环压缩应力-应变曲线；(f) SMF0.2/CB0.1气凝胶在10,000次循环测试中的高度保留率。

图4. SMF/CB气凝胶的传感性能。(a) SMF/CB气凝胶在不同施加压力下的I-V曲线；(b) SMF0.2/CB0.1气凝胶在不同施加压力下的相对电阻变化；(c) SMF0.2/CB0.1气凝胶在0-6.5 kPa范围内的灵敏度；(d) CB/SMF气凝胶的压阻传感机理示意图；(e) SMF0.2/CB0.1气凝胶在1.5 kPa施加压力下进行1,000次循环压缩/释放测试过程中的相对电阻变化；(f) SMF0.2/CB0.1气凝胶在施加1 kPa压力的压缩/释放过程中的响应和恢复时间；(g) 本研究与已发表的相关研究关于响应和恢复时间的对比。

图5. SMF/CB气凝胶在多种人体运动监测中的应用展示。SMF0.2/CB0.1气凝胶在监测(a) 咳嗽、(b,c) 语音、(d) 脉搏、(e) 肘部弯曲和(f) 膝盖弯曲时的相对电阻变化；(g) 用于监测手关节弯曲的SMF0.2/CB0.1气凝胶阵列示意图；(h) SMF0.2/CB0.1气凝胶阵列对不同手指运动的响应曲线及其在人机交互中的应用展示。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202310038

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（责任编辑：xu）

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