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华南理工大学王小英教授ACS Nano综述:MXene基柔性压力传感器的研究进展,中国机械网,okmao.com
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华南理工大学王小英教授ACS Nano综述:MXene基柔性压力传感器的研究进展
2021年12月28日    阅读量:4350    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

消费电子、人工智能和临床医学的快速发展催生了对柔性压力传感器日益增长的需求。高导电性和柔韧性的敏感材料是压力传感器的核心成分,很大程度上决定了传感器的性能。MXene是一种新型的2D纳米材料,具有良好的导电性、柔韧性,且通过制备方法可较便捷地调控MXene的表面基团和微观结构,使其可以获得独特的微纳结构及性能,在柔性压力传感器中具有广阔的应用前景中国机械网okmao.com


近期,华南理工大学王小英教授课题组,对MXene及其柔性压力传感器的制备方法、在柔性传感领域的研究进展进行了阐述和总结,并就该研究领域在未来的研究方向和发展前景进行了展望。相关成果发表于《ACS Nano》,题目是“Recent Progress in Ti3C2Tx MXene-Based Flexible Pressure Sensors”。华南理工大学吴正国博士、韦岚升博士生为第一作者,王小英教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国博士后科学基金以及广州市科技计划项目的支持。

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图1 基于MXene柔性压力传感器的结构与应用领域

该文章首先介绍了压力传感的组成,并指出对活性材料微结构的设计和调控使其同时满足灵敏度和检测范围至关重要。提出亟需寻求导电性和柔韧性良好、形貌易调控的材料以制备兼具高灵敏度和宽感应范围的压力传感器。而后阐述了MXenes二维材料的构成,并总结了其制备方法。MXene的制备方法多种多样,它们影响着MXenes的结构、表面官能团,进而对传感器的性能产生重要影响,该文章从压力传感器的角度出发对其进行了阐述。

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图2 MXenes制备方法总结

其次,作者介绍了制备MXenes压力柔性传感器的方法。这类方法获得的MX压力传感材料所呈现的形态大致可分为以下四种:织物(复合纤维)、薄膜(复合涂层)、气凝胶(海绵,泡沫)、水凝胶。

随后,文章分别详尽介绍了近年来国内外课题组基于MXenes柔性传感器的构建策略及应用。最后,作者指出了基于MXenes柔性压力传感器存在的问题和挑战,为今后的研究指明了方向。

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图3纯MXene基传感器。(a)多层 MXene的传感机理示意图,(b)激光打印的微通道MXene基传感对声音、运动的检测,(c)印刷工艺构造的MXene基传感器示意图及(d)组成的阵列在机器人运动监测、蓝牙通讯的应用

直接利用MXene自身的结构和形貌构建柔性压力传感器是一种简单有效的方法,将多层的Ti3C2Tx封装成压阻传感器。当传感器受到外力时,多层Ti3C2Tx的电阻随着层间距离的变化发生相应改变,而实现压力到电信号的转换。激光、印刷是一种设计微结构的有效技术,它可以根据需要,精确的赋予材料不同的形状和尺寸,对微结构进行更精细的调控可以获得更好的传感性能。

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图4 基于柔性衬底的MXene柔性压力传感器的(a)检测性能及(b)在医疗监测上的应用;(c)优异的机械性能;(d)MXene/棉织物复合材料的制备及(e)传感性能

构建具有更高柔性的传感最直接的方法就是通过纺丝、浸涂、沉积等方法,将MXene负载到柔性基材中,利用柔性基材延展性好、硬度低的特点改善传感器的综合性能。MXene作为力敏材料可增大传感器的介电常数和相对电阻,从而提高了灵敏度、检测范围、重现性,反应了其用于医疗保健监测和下一代人造皮肤的潜力。

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图5 气凝胶压力柔性传感器:(a)定向冻干法制备MXene/纳米纤维素复合气凝胶,MXene复合气凝胶(b)的制备,吸波(c)、(d)阻燃性能

气凝胶是一种具有连通的网络结构的多孔材料,具有质轻,超弹性,可形变量大的特点。MXene片层由于自身的脆性,难以独立形成气凝胶,为此,还需引入其它一维或二维的高韧性、弹性材料以构建新的导电网络。纳米纤维素具有高的纵横比和柔韧性,可以相互缠结将MXene纳米片连接,作为气凝胶的支撑骨架。聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纳米纤维也可用做MXene基气凝胶的骨架材料和抗氧化保护层,其可与MXene形成均匀的多孔结构使气凝胶的孔更致密,从而拓宽导电路径。

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图6 复合膜柔性压力传感器: (a) 仿生互联生物复合膜,(b、c) 具有类kirigami结构的MXene基复合膜的制备及其性能,(d) 具有波状层状宏观结构的复合膜示意图

相对于气凝胶,MXene柔性薄膜传感材料的应用场景更多,其更轻薄的形态使传感器更能实现可穿戴的特性,同时还往往具备更高的灵敏度和稳定性。与其他2D纳米材料相比,MXene具有通过其水分散体轻松形成柔性导电膜的能力,且不需要表面活性剂也可保持原始性质,有望实现容易的加工性。一些合成的高分子材料具有较高的稳定性和柔韧性,可通过逐层组装、旋涂和MXene复合生产出导电可弯曲的涂层或薄膜,表现出卓越的稳定性,得到的传感器在大弯曲变形下仍显示出可恢复的电阻响应,有望用于检测人体运动、地形扫描以及高速公路和雷达上的速度测量。

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图7 水凝胶柔性压力传感器:(a) 优异柔韧性水凝胶,(b) 防冻水凝胶在低温下的传感性能,(c) 自愈合温敏水凝胶

水凝胶是一种具有非凡可拉伸性、柔韧性和高电导率的聚合物网络,常被用作压力传感器活性材料的载体,还可赋予传感一些独特的性能。然而活性物质在水凝胶中易于运动,极大损害了检测的稳定性。而MXene具有亲水的表面基团,可增加体系中氢键的数量,进而与聚合物形成稳定的交联结构,获取具有改善机械性能和自愈性能的水凝胶。智能水凝胶的制备为用于个性化医疗监控,人工智能的柔性、自愈粘合和持久湿润的表皮传感和电子皮肤的开发提供了新亮点。目前用于构建MXene基压力传感的智能水凝胶的类型还较少,更多的响应功能还待进一步的开发。


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