Page 19 - 《精细化工》2021年第4期

第 4 期 郭茹月，等: 二维导电材料/柔性聚合物复合材料基可穿戴压阻式应变传感器的研究进展 ·653·

而对于三明治夹心型和表面吸附型应变传感器，裂 着力差，拉伸方向往往受到限制，力学性能较低。
2
纹扩展机制可能是其主要传感机制，这是因为在拉 线性度（R ）被认为是应变传感器另一个关键
伸过程中，裂纹极易在脆性导电层中传播。 的性能参数 [44] 。高的线性度意味着输入应变信号的
2.2 性能指标 每一个变化都会导致传感器的输出电信号发生相同
2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器的性能参 的变化，这对传感器的高精度检测极为重要。然而，
数主要包括灵敏度、拉伸性、线性度、响应时间和 目前报道的大多数压阻式应变传感器在大应变下均
耐久性等。其中，灵敏度（GF）和拉伸性是最重要 表现出较差的线性度，这是因为在变形较大时，传
的两个参数，前者以输出电信号与施加外力的比值 感器的导电网络会产生裂纹，发生断裂甚至被彻底
来表示〔GF=ΔR/εR 0 ，其中，R 0 为初始电阻（Ω）； 破坏 [45-49] ，导致输出信号发生剧烈变化 [50] 。
ΔR 为电阻的变化量（Ω）；ε 为施加的应变，通常用 响应时间常以应变施加和电阻变化间的时间差
长度变化量 ΔL 与初始长度 L 0 的比值来表示〕：反映 来表示，也指传感器的传感滞后行为。2D-CPC 基
了传感器对应变的响应能力，后者以能够重现传感 可穿戴压阻式应变传感器的滞后现象通常是由聚合
器传感性能时允许的最大应变来表示，是决定传感 物的黏弹性以及聚合物与导电材料之间的模量不匹
器应用范围的关键。二者相互矛盾，高灵敏度需要 配引起的。因此，与基体的结合越强，越有助于降
传感器在微小应变下发生显著的结构变化，而大拉 低传感器的滞后效应 [50] 。
伸性需要在较大应变下保持导电路径的连通性。由 在实际的人体活动监测中，不可避免地会产生
于低长径比的 2D 导电材料拉伸性能较差，为了在 许多大范围、复杂和动态的应变信号，因此传感器
较大应变下维持导电网络的完整性，通常将 2D 导 的耐久性（即在循环使用过程中恢复原有性能的能
电材料和柔性基体混合或在柔性基体内构筑可拉伸 力）对可穿戴应变传感器来说也是至关重要的。
的导电网络。前者操作简单，易于扩展，但也存在 表 2 列举了最近文献报道的 2D-CPC 基可穿戴
一些问题，例如：导电材料的分散性会影响传感器 压阻式应变传感器的性能指标，尽管报道的大多数
输出信号的线性度；绝缘的聚合物基体降低了传感 传感器已经能够满足高灵敏度和宽感应范围的要
器的导电性；较高的逾渗阈值需要引入大量的导电 求，但难以在某一传感材料中综合所有的性能参数。
材料。后者的导电性较高，特别是在较大应变下， 因此，仍需在现有研究基础上对 2D-CPC 基可穿戴
但制作工艺较为复杂，且导电层与聚合物基体间附 压阻式应变传感器开展更加深入的探索。

表 2 文献报道的 2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器的性能参数
Table 2 Performance indexes of 2D-CPC wearable piezoresistive strain sensors reported in the literatures
性能指标
传感材料 参考文献
灵敏度 拉伸性/% 线性度 响应时间/ms 耐久性/次
MXene/PF 228 150 — — >3200 [27]
MXene 纳米复合有机水凝胶 44.85 350 — 3100 — [29]
MXene/CNTs 772.6 130 — — >5000 [51]
2
MXene-Ag NWs-PDA/Ni 2+ 8767.4 83 R >0.971 — >5000 [52]
MXene 纳米颗粒-纳米片混合网络 1176.7 53 — — >5000 [53]
2
MXene/GE/PDMS 1148.2 74.1 R >0.98 130 10000 [40]
GE-PDMS 88443 350 — — 5000 [54]
GE-橡胶 35 800 — — 200 [24]
苯乙烯丁二烯橡胶/天然橡胶-GE ~82.5 120 — — ~300 [55]
Cu-Ag NWs/RGO/聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）橡胶 87362 374 — — — [56]
2
GO-Ag NWs-富勒烯 2392.9 62 R =0.985 — 3000 [57]
2
GE-共聚酯 17.4 200 R =0.993 <0.11 — [58]
激光诱导 GE 125 1 — — >20000 [59]
2
鱼鳞片状 GE 150 82 R =0.997 — >5000 [60]
RGO/TPU 79 100 — 200 6000 [61]
激光划片 GE 673 5 — — 1000 [62]
图案化 RGO 261.2 2 — — 50 [63]
GE 缠绕网络 2.55 70 — — 50000 [64]
注：CNTs 为碳纳米管；PDA 为聚多巴胺；—为文献未给出。