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  應(yīng)力、應(yīng)變傳感材料是一種可將拉、壓、彎等外界刺激轉(zhuǎn)換為可視電信號(hào)的功能材料，在軟體機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及可穿戴設(shè)備中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著柔性電子技術(shù)與人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，迫切需要兼具輕質(zhì)、柔性且高靈敏度的新型傳感器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的智能感知及實(shí)時(shí)人機(jī)交互。傳統(tǒng)基于金屬或半導(dǎo)體的應(yīng)力應(yīng)變傳感材料雖然靈敏度高且響應(yīng)快速，但存在密度大、可穿戴性低和成型加工困難等缺點(diǎn)。聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料具有成型加工容易、耐化學(xué)腐蝕且成本低等優(yōu)勢(shì)，因而在柔性應(yīng)力應(yīng)變傳感領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，要達(dá)到良好的導(dǎo)電性能和傳感性能通常需要較高的填充量，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的可加工性和力學(xué)性能（主要是強(qiáng)度和柔韌性）。因此，如何在低填充下制備兼具輕質(zhì)、柔性且高靈敏的聚合物基應(yīng)力應(yīng)變傳感材料仍然具有較大的挑戰(zhàn)性。

  本研究基于微孔結(jié)構(gòu)與隔離結(jié)構(gòu)多層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先采用綠色環(huán)保的超臨界CO₂微孔發(fā)泡技術(shù)制得輕質(zhì)、高回彈的尼龍彈性體（Pebax）微孔珠粒，通過浸涂法將導(dǎo)電銀（Ag）包覆于Pebax微孔珠粒表面制得高導(dǎo)電Pebax@Ag復(fù)合微孔珠粒，再與聚二甲基硅氧烷/多壁碳納米管（PDMS/MWCNT）前驅(qū)體復(fù)合并固化成型制得輕質(zhì)、柔性且高靈敏的隔離型微孔發(fā)泡應(yīng)變傳感復(fù)合材料（圖1）。

圖1 隔離型微孔發(fā)泡應(yīng)變傳感復(fù)合材料的制備示意圖

  隔離型微孔發(fā)泡復(fù)合材料中Pebax@Ag微孔珠粒的“體積排除”效應(yīng)使MWCNTs選擇性地分布于微孔珠粒之間，從而構(gòu)筑形成高效三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了連續(xù)相中MWCNTs的局部有效濃度，顯著降低了復(fù)合材料的導(dǎo)電逾滲閾值（從2.0 vol%降低至0.28 vol%）。微孔結(jié)構(gòu)的引入不僅降低了復(fù)合材料的質(zhì)量密度（0.62 g/cm³），并且進(jìn)一步改善了復(fù)合材料的柔性和回彈性（圖2）。

圖2 隔離型微孔發(fā)泡應(yīng)變傳感復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與壓阻傳感特性

  此外，Pebax@Ag微孔珠粒與PDMS/MWCNT連續(xù)相之間存在微米級(jí)間隙，在外施壓縮應(yīng)變下微間隙閉合，微孔珠粒的導(dǎo)電Ag球面與MWCNTs相互連接形成高效導(dǎo)電通路，有利于提高復(fù)合材料在外施壓縮應(yīng)變下的傳感性能。與均勻共混復(fù)合材料相比，隔離型微孔發(fā)泡復(fù)合材料不僅具有輕質(zhì)、高回彈和低逾滲閾值等特點(diǎn)，而且在低填充下表現(xiàn)出更優(yōu)異的電導(dǎo)率和壓阻傳感特性。該結(jié)果主要得益于：（1）由“體積排除”效應(yīng)導(dǎo)致的高M(jìn)WCNT局部有效濃度；（2）高效3D MWCNT/Ag球面導(dǎo)電通路的構(gòu)筑；（3）高回彈微孔發(fā)泡Pebax珠粒的快速響應(yīng)（圖3）。

圖3 隔離型微孔發(fā)泡復(fù)合材料（a）與均勻共混復(fù)合材料（b）的應(yīng)變傳感機(jī)理示意圖

  將所得隔離型微孔發(fā)泡應(yīng)變傳感復(fù)合材料用于功能型鞋底中能夠良好地監(jiān)測(cè)人體行走姿勢(shì)（如踮腳、跳躍、深蹲、行走和摔倒等），對(duì)獨(dú)居老人及建筑和登山等高危行業(yè)從事者的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與急救具有重要意義（圖4）。

圖4 隔離型微孔發(fā)泡應(yīng)變傳感復(fù)合材料的工作穩(wěn)定性及其在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)（踮腳、跳躍、深蹲、行走和摔倒）中的應(yīng)用

  相關(guān)研究成果以“Lightweight, Flexible and Highly Sensitive Segregated Microcellular Nanocomposite Piezoresistive Sensors for Human Motion Detection”為題發(fā)表在復(fù)合材料權(quán)威期刊Composites Science and Technology上。陜西科技大學(xué)為論文的第一完成單位，陜西科技大學(xué)馬忠雷副教授為第一作者兼通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)張廣成教授、陜西科技大學(xué)李運(yùn)濤教授為本文的共同通訊作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（51903145）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2018JQ5060）和陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（17JK0100）對(duì)本研究的支持。

  論文信息：

  Zhonglei Ma*, Ajing Wei, Yuntao Li*, Liang Shao, Hongming Zhang, Xiaolian Xiang, Jingping Wang, Qinbo Ren, Songlei Kang, Diandian Dong, Jianzhong Ma, Guangcheng Zhang*, Lightweight, Flexible and Highly Sensitive Segregated Microcellular Nanocomposite Piezoresistive Sensors for Human Motion Detection, Composites Science and Technology. 2020, DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108571.

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353820323630