Page 21 - 《精细化工》2021年第4期
P. 21

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                                 ·655·


            应力；刚性层在较小应变下保证导电路径的连通性，                            长径比的一维（1D）材料（如纳米线、纳米管、纳
            在较大应变下发生滑移和局部撕裂；过渡层用于保                             米棒等）与 2D 材料复合，能够在基体中连接分离
            持脆性层和刚性层之间的连通性，从而保证传感器                             的 2D 纳米片，起到导电桥梁的作用，显著降低复
            的耐久性和稳定性。YANG 等            [40] 制备了具有梯度分           合材料的逾渗阈值。同时，在传感器工作过程中，
            布结构的 MXene/GE/PDMS 柔性应变传感器，其上                      1D 材料能够将纳米片间的微裂纹连接起来，在维持
            层由紧密堆积的 MXene 构成，下层由大量 GE 构成，                      导电路径连通性的同时，又增加了纳米片的层间距，
            中间为 MXene 和 GE 的混合过渡层。不同层间的协                       阻止纳米片之间的团聚，促进片层滑动，拓宽了传
            同运动维持了导电路径破坏与连通间的平衡（如图                             感器的工作范围。OH 等          [85] 在仅引入少量导电填料
            5 所示），从而保证传感器在大应变范围内高而稳定                           的情况下，制备了基于碳纳米管和热还原石墨烯
            的灵敏度（应变为 0~52.6%和 52.6%~74.1%时，灵                   （CNTs-TRG）杂化材料的增强型导电网络。CNTs
            敏度分别为 190.8 和 1148.2）、良好的耐久性和稳定                    与 TRG 间表现出良好的协同作用，导电填料间
            性（超过 10000 个循环）。此外，该应变传感器还具                        1D-2D 互连网络的形成降低了复合材料的电阻。此
                                                 2
            有检测限低（~0.025%）和线性度高（R >0.98）的                      外，由于 TRG 和 CNTs 间的 π-π 相互作用增加了空
            特点，可实现全范围人体运动的精确监测。                                间位阻，抑制了 GE 纳米片的堆叠，如图 6 所示。
                                                               CAI 等 [51] 制备了基于 MXene/CNTs 复合材料的应变
                                                               传感器，在拉伸过程中，高长径比的 CNTs 起到桥
                                                               梁作用，保证了导电路径的连通性，使得该传感器
                                                               具有高拉伸性（130%）、高灵敏度（772.6）、超低检
                                                               测限（0.1%）、可调传感范围（30%~130%）、出色
                                                               的可靠性和稳定性（>5000 次）。




            图 5  MXene/GE/PDMS 应变传感器在不同拉伸状态下的
                 应变响应示意图       [40]
            Fig. 5    Schematic diagram of MXene/GE/PDMS strain
                    sensor under different tensile states [40]       图 6  CNTs 和 TRG 的相互作用示意图       [85]

            3.3   电学性能                                         Fig. 6    Schematic illustration of interaction between CNTs
                                                                            [85]
                                                                     and TRG
                 由于聚合物基体的绝缘性，2D-CPC 基可穿戴
                                                                   此外，在复合材料中构建连续导电网络对于在
            压阻式应变传感器通常需要较高的填料含量（即高
                                                               低填料含量下实现高导电性并有效降低逾渗阈值也
            逾渗阈值）才能获得令人满意的电学性能，然而大
                                                               至关重要    [86-88] 。POTTS 等 [89] 和 PANG 等 [90] 研究表
            量填料的添加严重降低了传感器的灵敏度、柔性和
                                                               明，在一定的填料负荷下，隔离网络有助于导电路
            机械性能，且成本较高。目前，已经报道了多种策
                                                               径的形成，从而实现较低的逾渗阈值。ZHAN 等                    [86]
            略用于降低传感器的逾渗阈值，如改善导电材料分
                                                               采用乳液共混法制备了具有隔离网络结构的天然橡
            散性、与高长径比的材料复合或设计新的层次结构
            （如双渗透结构、隔离结构和多孔结构）等                     [82] 。     胶（NR）/GE 复合材料，材料的导电逾渗阈值降低
                                                               至 0.62%（指导电材料 GE 的体积分数）。LIN 等              [88]
                 首先，填料在聚合物基体中的分散状态对基体
            内部导电通路的形成至关重要，良好的分散性有助                             通过将自组装、双辊混合和热压法相结合，制备了
            于填料在绝缘基体内形成均匀的导电网络，降低复                             具有隔离网络结构的苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）/GE
            合材料的逾渗阈值，从而提高传感器的综合性能。                             复合材料，如图 7 所示，这种具有渗流导电路径的
            LIAO 等  [83] 利用 GE 纳米片的残余氧基与 TPU 中 N—              3D GE 网络使得复合材料的逾渗阈值降低至 0.55%
            H 基团间的氢键相互作用，使 GE 纳米片均匀分布                          （体积分数），且当 GE 的体积分数约为 1.66%时，
            于 TPU 基体中，大大降低了 GE/TPU 复合材料的逾                      复合材料的电导率达到 0.033 S/m，比采用常规乳液
            渗阈值，导电材料 GE 质量分数约为 0.1%（体积分                        共混法制备的片状 GE 基复合材料提高了 8 个数量
            数约为 0.05%），远低于文献报道的 GE/聚氨酯-丙烯                      级。然而，该研究需要在整个基体中构建完整的隔
            酸酯复合材料（体积分数约为 0.07%）                [17] 和 GE/聚    离网络结构来实现复合材料的导电性，破坏了其力
            苯乙烯复合材料（体积分数约为 0.1%）                [84] 。         学性能，且具有较高的难度和随机性，工艺相对复杂，
                 其次，低长径比的 2D 材料互连性较差，将高                        生产成本较高。LIN 等         [55] 通过简单的组装策略设计
   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26