随着人工智能领域的快速发展，可穿戴传感器在仿生义肢、健康监测和医用领域的研究呈现出爆发式的发展。其中，压力传感器是可穿戴传感器中的重要组成部分。但是，目前的压力传感器还存在力学强度低、灵敏度不高、耐温性能差的问题。未解决这一问题，陕西科技大学张美云教授团队将力学强度优异的Kevlar纳米纤维（ANFs）和导电性高的MXene纳米片结合制备出高回弹性、耐高温、灵敏度高的复合气凝胶传感器，该传感器可以感知形变量为2-80%的压缩应变，极高的灵敏度（能够感知100 Pa的压力）和循环稳定性（1000次）。该研究以题为“Highly Compressible, Thermally Stable, Light-Weight and Robust Aramid Nanofibers/Ti3AlC2MXene Composite Aerogel for Sensitive Pressure Sensor”发表在《ACS Nano》上，青年教师杨斌和张美云教授为论文的共同通讯作者。
【MXene/ANFs气凝胶的制备】
如图1所示，他们首先利用DMSO和KOH把原始的Kevlar纤维去质子化处理，得到Kevlar纳米纤维的DMSO溶液。随后，经过溶剂交换得到了Kevlar纳米纤维的水溶液。同时，对Ti3AlC2进行插层剥离，得到了MXene纳米片。把二者的水溶液进行混合、抽滤、冷冻、冷冻干燥四个过程后，得到了密度仅为25 mg/cm3的复合气凝胶。
【MXene的含量对于气凝胶孔结构的影响】
随后，他们研究了MXene的含量对于气凝胶孔结构的影响。纯ANFs气凝胶的气孔呈现出椭圆形。随着MXene的含量从10%逐渐增加到50%，气凝胶的气孔结构倾向于圆筒状，平均尺寸为50 μm。当含量达到70%时，ANFs的含量过低，无法支撑整个气凝胶的框架结构，气凝胶呈现出松散的扁平状气孔，平均尺寸为200 μm。此外，作者对于MXene和ANFs的相对含量对于气凝胶气孔结构的影响机理进行了分析。ANFs之间存在较强的氢键，在气凝胶中起强度支撑、分散剂和保护层的作用。MXene起导电填料和粘结点的作用。二者中单相组分过高时，气凝胶都表现出松散的大气孔结构。只有当二者含量适中时，气凝胶表现出“泥-砖”结构，且层与层之间相互连接。
【气凝胶的压缩和热稳定性】
随着MXene含量的增加，气凝胶的机械强度和模量逐渐下降。作者选取了较低压缩应力的含有30%MXene的气凝胶进行压缩循环测试。结果表明，经过1000次循环后，气凝胶仍能恢复原始状态，显示出极好的循环稳定性。此外，与文献对比，该气凝胶具有更低的密度和更优异的隔热性能。在200 ℃的热台放置10min后，其表面温度仍然低于60 ℃。同时，该气凝胶还表现出了优异的阻燃性能。
【气凝胶传感器的应用】
随后，作者对不同MXene含量的气凝胶进行了压缩传感测试。随着MXene含量的增加，气凝胶表现出的电流变化逐渐变大，这是由于导电性的增加导致的。综合力学性能、电导率和绝热性能的考虑，作者选用MXene含量为30%的气凝胶作为压阻传感器。该传感器的灵敏度达到了6.75，能够响应频率为0.2-0.8 Hz的压缩行为，感知2-80%的压缩形变，且展示出了极好的循环稳定性（1000次）和极快的响应（320 ms）和回弹时间（98 ms）。随后，作者将该传感器用于运动检测，在压缩至饼状后，该传感器仍然表现出了极快的响应速度（0.1-0.35 s）和优异的循环稳定性。
【总结】
作者利用Kevlar纳米纤维和MXene纳米片制备了压缩回弹性好、热稳定性好、隔热性能优异、灵敏度高的气凝胶压阻传感器。该传感器能够稳定循环1000次，能够响应不同的工作频率（0.2-0.8 Hz）、不同的应变（2-80%），且灵敏度高（监测100 Pa的压力），响应速率快（320 ms）。在运动监测和严苛环境下的传感设备有优异的应用前景。
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