陕科大张美云团队:高回弹性、耐高温、高灵敏度气凝胶传感器

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。

Kevlar纳米纤维和MXene再登《ACS Nano》:陕科大张美云团队:高回弹性、耐高温、高灵敏度气凝胶传感器

【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。

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图1 MXene/ANFs气凝胶的制备过程

 

【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。

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图2 MXene的含量对气凝胶微观形貌的影响

 

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图3 ANFs和MXene的含量对于复合气凝胶孔结构的影响机理

 

【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。

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图4 复合气凝胶的压缩性能

 

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图5 复合气凝胶的耐温性能

 

【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。

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图6 复合气凝胶传感器的压阻性能

 

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图7复合气凝胶传感器的应用

 

【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。

 

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04888

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