柔性和可穿戴電子設備的發展對電極系統提出了越來越高的要求，要求其與主設備無縫連接、高兼容性，以適應復雜的變形條件，保持穩定的性能。在這里，我們提出了一個碳納米管集成電極(CNTIE)，通過濕拉碳納米管(CNT)薄膜的末端，形成壓縮的細纖維，類似于傳統的導電絲電極。以中間CNT薄膜為主要功能部分，CNTIE為自衍生電極，兩部分之間具有固有的CNT連接，構成柔性應變傳感器。該傳感器可轉移到通用基板(如氣球表面)或封裝在熱塑性聚合物，表現出很大的線性響應范圍(拉伸應變高達1000%)，優良的耐久性和可重復性超過5000次，并能夠檢測小到大程度的人體運動。此外，基于CNTIE混合膜(MXene/CNT和石墨烯/CNT)的應變傳感器在應變范圍為0 800%時，也表現出良好的線性和穩定性。與傳統的銀線電極和單獨制備的CNT光纖電極相比，CNTIE在實現高穩定應變循環性能方面發揮了重要作用。我們自主研發的集成電極為解決傳統電極的不兼容問題，開發基于碳納米管和其他納米材料的高性能柔性可穿戴系統提供了一條潛在的途徑
圖1 CNTIE的準備。(a) CNTIE制備過程示意圖和CNTIE不同部分的形貌。(b) CNTIE的SEM圖像。(c,f) CNTIE三角形區域的SEM圖像。(d,g) CNTIE三角形部分與CNT光纖交點的SEM圖像。(e,h) CNTIECNT纖維的SEM圖像。(i)以MXene/CNT和石墨烯/CNT混合膜為傳感層的集成電極應變傳感器示意圖。(j) MXene/CNT混合膜的SEM圖像。(k)石墨烯/碳納米管混合膜的SEM圖像。
圖2。不同尺寸襯底應變傳感器的機電響應。(a-c)一維襯底(橡皮筋)、二維襯底(帶狀氣球)和三維襯底(充氣氣球)應變傳感器的機電響應。(d)不同尺寸襯底下應變傳感器在不同應變下的電阻變化。(e)附在氣球上的應變傳感器在不同充氣狀態下的照片。(f)監測充氣過程中氣球表面張力的變化。
圖3 可伸縮可穿戴設備;(a) CNTIE/TPU傳感器的制備。(b) CNTIE/TPU應變傳感器的相對電阻隨應變的變化。(c)報告的柔性傳感器線性范圍摘要。(d) CNTIE/TPU傳感器在ε = 50%和ε = 5%時的機械耐久性為5000次。 (e) MXene/CNTIE/TPU應變傳感器的相對電阻隨應變的變化。(f)石墨烯/ CNTIE/TPU應變傳感器的相對電阻隨應變的變化。
圖4。演示了用于運動檢測的可穿戴式CNTIE應變傳感器的實際應用。(a)一名學生戴著CNTIE/TPU傳感器進行皺眉、微笑測試時發出的電信號照片。(b)一名學生戴著裝有CNTIE/TPU傳感器的面罩進行呼吸測試時發出的電信號照片。(c)一名學生戴著CNTIE/TPU傳感器進行飲品測試時發出的電信號照片。(d)一名學生戴著CNTIE/TPU傳感器進行咳嗽測試的電子信號照片;(e)學生佩戴CNTIE/TPU傳感器進行彎曲測試時發出的電信號照片。(f)水下CNTIE/TPU傳感器。
(1).png)
圖5。(a) CNTIE、Ag電極、CNT光纖電極示意圖。(b) 50%應變下CNTIE、Ag電極和CNT纖維電極100次拉伸釋放循環的電阻變化率。(c) 50%應變下CNTIE、Ag電極和CNT纖維電極100次拉伸釋放循環的Rn/R0和(ΔRn/Rn)/ΔR0/R0變化。(d)拉伸釋放循環100次后CNTIE的形態。
相關科研成果由北京大學Anyuan Cao和Yuanyuan Shang等人于2021年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.1c13530)上。原文：Flexible and Stable Carbon Nanotube Film Strain Sensors with Self-Derived Integrated Electrodes。
轉自《石墨烯研究》公眾號
.jpg)
