辽宁大学《CEJ》:PDMS/MXene/rGO可穿戴应变传感器,用于人体运动检测

研究采用倾斜过滤法和预拉伸技术,创新性地开发出了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/MXene/还原氧化石墨烯(rGO)应变传感器。这种传感器具有由厚度变化引起的新型梯度微皱纹结构,从而增强了其应变传感能力,并赋予了其超疏水特性。

成果简介

柔性应变传感器因其卓越的拉伸性、柔韧性、皮肤适形性和超强的传感能力,在健康监测、人机交互和电子皮肤等领域备受关注。尽管最近取得了一些进展,但开发兼具高灵敏度、宽应变范围和强大稳定性的高性能应变传感器仍然是一项重大挑战。为了克服这一难题,本文,辽宁大学Zhenming Chu、Zhenming Chu等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Thickness-induced gradient micro-wrinkle PDMS/MXene/rGO wearable strain sensor with high sensitivity and stretchability for human motion detection”的论文,研究采用倾斜过滤法和预拉伸技术,创新性地开发出了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/MXene/还原氧化石墨烯(rGO)应变传感器。这种传感器具有由厚度变化引起的新型梯度微皱纹结构,从而增强了其应变传感能力,并赋予了其超疏水特性。

材料与微结构之间的协同作用使传感器实现了高灵敏度(测量系数 (GF) 峰值为 136124.40)、宽应变范围(高达 300%)和卓越的稳定性(10% 应变下高达 10500 次循环)。这款应变传感器能够检测从大规模运动到细微刺激等各种人体运动,表面纹理粗糙,表面能量低,具有超疏水和耐腐蚀性能。这些特点使其适合在恶劣环境中使用。梯度微皱纹应变传感器在健康监测、电子皮肤和人机交互领域的实际应用中具有广阔的前景。

图文导读

辽宁大学《CEJ》:PDMS/MXene/rGO可穿戴应变传感器,用于人体运动检测

图1、PMRGW-30应变传感器的制备及雷达图

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图2.(a)XRD图谱,(b)拉曼光谱,(c)获得样品的FTIR光谱。(d) rGO和MXene/rGO的XPS调查光谱。(e) MXene和MXene/rGO的Ti 2p光谱。(f) C 1s光谱的比较。

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图3.(a) PMRGW-30应变传感器示意图。(b) (c) (d) 第一部分、第二部分和第三部分的放大俯视图SEM表面形态图像。分别在(a)中。(e) PMRGW-30应变传感器的C、O、Ti和Si的顶视图元素映射。(f) MXene/rGO、PDMS和PDMS/MXene/rGO的FTIR光谱。

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图4、PMRGW-30应变传感器的超疏水性能

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图5.应变传感器的传感特性

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图6、PMRGW-30应变传感器的工作机理分析

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图7、健康监测应用演示

小结

综上所述,通过倾斜真空过滤和预拉伸方法,制备出了基于 MXene/rGO 复合材料的高性能应变传感器,该材料具有由厚度引起的梯度微皱纹结构。MXene 和 rGO 之间的亲核置换和脱水反应的协同互补效应,再加上梯度微皱纹结构,使应变传感器同时具有高灵敏度(GF = 136,124.40)和宽应变范围(高达 300%)。此外,该传感器还具有超强的稳定性(高达 10,500 次循环)、140 毫秒的快速响应时间和 310 毫秒的恢复时间。它可以检测各种人体运动,包括颈部和肘部运动等大范围运动,以及脉搏和声带振动等细微振动。此外,该传感器还具有出色的超疏水性和耐腐蚀性,因此适用于潮湿、酸碱等恶劣环境。未来,以增强多功能性、数据处理和智能化为重点的研究有望推动柔性应变传感器的发展。将当前新型梯度微皱纹应变传感器与人工智能技术相结合,将使其在各个领域发挥更大的作用,实现更广泛的应用。

文献:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153684

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