Page 20 - 《精细化工》2021年第4期
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·654·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

            3  2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器的                            也面临着应变范围窄的问题，这主要是因为片层的
                影响因素                                           堆叠导致裂纹扩展速度快，在很大程度上限制了
                                                               MXene 传感器的应用。为了解决这一问题，YANG
                 可穿戴压阻式应变传感器的传感行为与诸多因                          等 [53] 构筑了一种基于 MXene 纳米颗粒-纳米片混合
            素有关    [65] ，例如，导电材料的种类、分布形式、电                     网络结构的高性能柔性应变传感器。纳米颗粒的迁
            学性能、界面相互作用及应变分布等，这些因素会                             移导致较大的电阻变化，同时包裹在分离的纳米颗
            影响导电材料的重叠区域、裂纹扩展和隧道效应，                             粒上的纳米片形成桥梁，可在大压力范围下维持传
            使得传感器的传感行为复杂化，但也为传感性能的                             导路径的连通性。纳米颗粒和纳米片的协同作用赋
            调控提供了有效的途径。                                        予传感器优异的响应性能，在整个传感范围内
            3.1    导电材料的种类                                     （53%），混合网络具有高灵敏度（可达 1176.7）、
                 对于传感材料本身来讲，压阻式应变传感器的                          超低检测限（0.025%）和良好的循环耐久性（超过
            拉伸性能和灵敏度主要取决于 2D 材料本身的机械                           5000 个循环）。这种高性能的应变传感器有望应用
            刚性和片层厚度差异引起的传感器的结构变化                      [51] 。   于全范围的人体运动检测。
            目前常作为活性材料用于压阻式应变传感器的 2D                                因此，由于材料成分和结构的不同，石墨烯基
            材料主要是石墨烯基材料和 MXene 两类，由于其具                         材料和 MXene 的应变传感性能也有所不同，例如，
            有原子厚度和高柔韧性，在用于人体健康监测的可                             RGO 纳米片的电阻较高，且刚性更强，在传感过程
            穿戴电子设备中显示出潜在的应用前景。                                 中主要依靠片层间的彼此滑动释放能量，纳米片间
                 GO 具有与原始 GE 相似的层状结构，但表面含                      的连接/分离导致电阻发生较小的变化；而 MXene
            有—OH、—COOH、—O—等的含氧基团，这些高                           纳米片在拉伸过程中更容易产生裂纹，产生较大的
            氧化的两亲基团不仅增加了层间距离，而且形成了                             电阻变化；此外，RGO 的密度比 MXene 小，在相
            较大的疏水基面和亲水边缘，有利于提高其水分散                             同浓度下，以 RGO 为导电材料制备的传感器厚度更
            性。此外，亲水性边缘也可以作为功能化改性的位                             大 [51] 。
            点 [66] 。然而，GE 的氧化过程破坏了其共轭结构，                       3.2    导电材料的分布
            产生大量缺陷，导致载流子迁移率和浓度均明显降                                 聚合物基体中各组分的分布对传感器的性能有
            低 [67-68] 。为了恢复这些结构缺陷，获得优良的导电性                     较大影响。一般认为，导电材料均匀分布在基体中
            能，可采用化学或热处理的方式对 GO 进行还原                   [69-70] ，  更容易获得较高的传感性能，这种结构在目前的报
            在此过程中 RGO 中的含氧基团和缺陷减少，但其电                          道中较为常见。均匀分布的导电材料在整个基体中
            导率仍低于原始石墨烯几个数量级                 [71] 。与原始 GE       构建高度交联的三维导电网络，改善传感器的灵敏
            相比，GO 和 RGO 具有大规模生产和化学衍生表面                         度，而表面改性的导电材料带有大量可与聚合物内
            的优点，已成为柔性电子器件和传感器中极具吸引                             部分子链形成多重相互作用的官能团，在改善导电
            力的活性材料       [72-74] 。WANG 等 [61] 设计了一种具有特         材料分散性的同时也提高了基体的拉伸性能，从而实
            殊 3D 导电网络的柔性 RGO/TPU 压阻式应变传感                       现传感器灵敏度和拉伸性能的同步提升（制备原理见
            器，该传感器具有良好的导电性能〔体积电阻率为                             图 2） [29,78] 。
            （5.0±0.5）Ω·m〕、高拉伸性（100%）、高灵敏度（应                        元素或结构的梯度分布形式广泛存在于自然界
            变为 10%和 100%时，灵敏度分别为 11 和 73）、良                    中，如纤维梯度的竹子和无机物梯度的骨头等，这
            好的循环耐久性（6000 个循环）和较快的响应速                           种梯度结构赋予竹子和骨头优异的强度和韧性。受
            度（200 ms），在智能可穿戴设备中具有广阔的应用                         生物启发，BOLAND 等        [24] 报道了一种具有浓度梯度
            前景。                                                的 GE-橡胶复合材料。基于该复合材料的应变传感
                 MXene 是通过从 MAX（M n+1 AX n ）相中刻蚀 A             器综合性能优异，灵敏度为 35，应变感知范围可达
            层元素来制备的一种新型 2D 层状材料，其中 n 为 1、                      800%，超过了大多数 GE 基应变传感器。这种浓度
            2 或 3，M 代表过渡金属元素，A 代表ⅢA 族或ⅣA                       梯度结构降低了导电材料的用量，有利于增强传感
            族元素，X 代表 C 和/或 N。MAX 相中的两层 A 元                     器的柔韧性；含有大量导电材料的表面层保证了传
            素夹层为过渡金属碳化物和/或氮化物，A 层蚀刻后                           感器良好的导电性，且在拉伸过程中易碎，有利于
            得到 M 2 X、M 3 X 2 、M 4 X 3 的结构，称为 MXene    [75] 。   增强传感器的灵敏度         [79-81] 。此外，将不同导电材料
            MXene 具有化学稳定性好、电导率高、机械硬度高                          以梯度分布形式进行复合也已成为研究热点，其结
            等特质，已被用于制备压阻式应变传感器来检测人                             构主要包括脆性层、过渡层和刚性层三部分。在拉
            体生理信号      [76-77] 。然而，作为应变传感材料，MXene              伸过程中，脆性层通过裂纹的产生和扩散消除拉伸
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