南开大学Adv. Funct. Mater.: 富勒烯降低内摩擦——高性能0D-1D-2D三元纳米复合材料应变传感器

【引言】

近年来，科研人员在可穿戴电子器件的研究中取得了很大的进展。其中，在拉伸时将机械变形信号转换为电阻变化输出的电阻型应变传感器在人体运动检测，人体健康监测，柔性机器人等新兴应用领域中具有重大的应用前景。在实际应用中，应变传感器需要满足一系列的综合传感性能，包括高灵敏度，大拉伸形变，良好的线性度，长期耐用性，优良的重复性，低滞后性，以及制备工艺简单等。然而，由于传感材料的结构限制，使传感器同时达到高灵敏度(应变系数gauge factor>100)和大的拉伸形变(工作应变范围>50%)仍然很困难，这也大大限制了应变传感器的开发与实际应用。

【成果简介】

近日，南开大学材料学院的梁嘉杰教授（通讯作者）团队报道了利用零维的富勒烯降低材料内部摩擦以构造高性能0D-1D-2D三元纳米复合材料应变传感器的研究工作。该研究发表于Advanced Functional Materials，题为“Lowering Internal Friction of 0D–1D–2D Ternary Nanocomposite-Based Strain Sensor by Fullerene to Boost the Sensing Performance”。该报道通过一步式丝网印刷工艺，构建了一种新型的基于0D-1D-2D三元纳米复合材料的应变传感器。该传感器在宽应变范围下具有高灵敏度，低滞后性，良好的线性和重复性，其在62%应变下应变因子GF可以达到2392.9。这些优异的感应器器件性能主要是通过0D,1D,2D三元纳米功能材料组分间的协同效应引起的。其中，一维银纳米线提供高导电性以降低器件电阻，二维氧化石墨烯提供脆性以及可滑移的层状结构，而零维的富勒烯则提供润滑性。富勒烯降低了氧化石墨烯的层间摩擦，在不损害纳米复合材料膜的脆性的前提下促进了相邻层间的滑动。当受到拉伸时，富勒烯诱发的层状滑移可以承受部分应力以提高复合薄膜材料的应变，同时复合薄膜的脆性使其产生裂纹以确保传感器在工作应变范围内能产生大的电阻变化。该工作同时还讨论了传感器尺寸对传感性能的影响，并成功将该高综合性能优异的三元纳米复合材料应变传感器应用于多种人体运动的检测中。该工作第一作者为研究生史鑫磊。

【图文导读】

图1. 器件制备与基本表征

(a).构造0D-1D-2D三元纳米复合材料应变传感器的丝网印刷工艺示意图。

(b).GO-AgNW-C60₍₇₎水性油墨的透射电镜照片。

(c).GO-AgNW-C60₍₇₎传感薄膜的横截面扫描电镜照片。

(d).不同质量比C60下三元纳米复合材料应变传感器的电导率。插图显示GO- AgNW-C60₍₇₎传感薄膜的测量电阻为7.2Ω。

图2. 三元纳米复合材料应变传感器传感性能

(a).GO-AgNW-C60₍₀₎，GO-AgNW-C60₍₃₎，GO-AgNW-C60₍₅₎，GO-AgNW-C60₍₇₎和GO-AgNW-C60₍₉₎应变传感器在一次拉伸/释放循环下的相对电阻变化率-应变曲线。

(b).GO-AgNW-C60₍₀₎应变传感器的GF值与线性特性。

(c).GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器的GF值与线性特性。

(d).GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器在不同应变速率下的一次拉伸/释放循环下的相对电阻变化率-应变曲线。

(e).GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器在1Hz频率不同循环应变下的相对电阻变化率。

(f).GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器在20％应变不同频率下的相对电阻变化率。

(g).GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器在0％和40％应变范围内3000个拉伸/释放循环下的相对电阻变化率，应变速率为0.2mm s^-1。插图为1000至1020次拉伸/释放循环间的相对电阻变化率曲线。

(h).GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器在0％至40％应变范围内不同拉伸/释放循环下相对电阻变化率-应变曲线。 

图3. GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器的GF和最大工作应变范围与近期报道结果比较。

图4. 富勒烯增强0D-1D-2D纳米复合材料应变传感器传感机制

(a). GO-AgNW-C60₍₀₎和GO-AgNW-C60₍₀₎传感膜在拉伸下的传感机制示意图。上插图扫描照片显示GO-AgNW-C60₍₀₎传感膜中裂纹边缘之间的间隙。下插图扫描照片显示GO-AgNW-C60₍₇₎传感薄膜中部分滑出裂纹的内部层。

(b). GO-AgNW-C60(0) 传感膜在不同应变下的表面扫描照片。

(c). GO-AgNW-C60(7) 传感膜在不同应变下的表面扫描照片。

图5. 不同尺寸应变传感器性能

(a). GO-AgNW-C60₍₇₎-W1.5，GO-AgNW-C60₍₇₎-W2.5和GO-AgNW-C60₍₇₎-W3.5应变传感器的相对电阻变化率-应变曲线，传感器具有固定尺寸：长（2cm），厚度（1.3 µm）和宽度（1.5,2.5和3.5mm）。

(b). GO-AgNW-C60₍₇₎-T0.9，GO-AgNW-C60₍₇₎-T1.3和GO-AgNW-C60₍₇₎-T1.8应变传感器的相对电阻变化率-应变曲线，传感器具有固定尺寸：长（2cm），宽度（2mm）和厚度（0.9，1.3和1.8µm）。

图6. 使用GO-AgNW-C60₍₇₎应变传感器监测人体运动。

(a).手腕脉搏跳动下对应电阻变化率。

(b).讲话时反应“伸展”，“探测”和“敏感度”的对应电阻变化率。

(c).微笑时面部表情时对应电阻变化率。

(e).眨眼时对应电阻变化率。

(d).手腕弯曲时对应电阻变化率。

(f).手指弯曲时对应电阻变化率。

【小结】

该工作利用简单的制造技术开发了基于0D-1D-2D三元纳米复合材料的应变传感器，其具有优异的灵敏度，宽的工作应变范围，优良的线性响应行为，低滞后性以及长期稳定性和可靠性。通过简单地调节印刷和墨水参数来控制传感器结构，可以很容易地设计和预测传感性能。C60作为润滑剂起到降低内部摩擦力的作用，并在施加应变时引起传感膜中裂纹扩展期间的层间滑移，从而提高拉伸性（> 50％），同时保持优异的灵敏度（工作应变范围> 400）。这些优异的特性与简便的器件制造方法相结合，使得该0D-1D-2D三元纳米复合材料应变传感器能够精确检测从微小脉冲跳动到大应变关节运动的全方位人体运动。

文献链接：Lowering Internal Friction of 0D–1D–2D Ternary Nanocomposite-Based Strain Sensor by Fullerene to Boost the Sensing Performance (Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800850)

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本文由材料人电子电工学术组二正正笑春风供稿，材料牛整理编辑。

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