中科院Adv. Funct. Mater. : 由聚合物纳米球修饰石墨烯组成的多孔纤维，用于可穿戴和高灵敏度应变传感器

中科院Adv. Funct. Mater. : 由聚合物纳米球修饰石墨烯组成的多孔纤维，用于可穿戴和高灵敏度应变传感器

【引言】

与传统的基于薄膜的应变传感器相比，可穿戴式传感器用于监测各种人类行为被认为是可穿戴电子设备的重要组成部分。相比于传统的薄膜应变传感器，纤维或织物应变传感器更容易集成到日常服装中。此外，纤维或织物具有极好的柔韧性，可以跟随人体的许多复杂运动。此外，织物中的纤维可以防止固体薄膜或块状物中出现的裂纹扩展，从而提高其长期使用。并且织物还可以具有舒适的吸引力，可以“透气”或保持被摄对象温暖。因此，纤维或纺织品是制造高性能可穿戴传感器最合适的平台。以前，我们开发了可拉伸应变传感器，利用双包被纱上的还原氧化石墨烯（rgo）涂层检测扭转和拉伸。在聚酯织物上涂上无封装的RGO，使基于织物的应变传感器能够检测不同的手势。一般来说，基于纤维或织物的传感器具有良好的运动响应、高灵活性、响应时间短、长期稳定性和出色的耐久性。目前，许多纤维/纺织品传感器都在高应变范围（超过100%的应变）内进行了高规格因子的探索。事实上，对于人体来说，许多重要的健康信号，如脉搏和呼吸，产生的应变小于1%。这对织物应力传感器来说是个不小的挑战。

【成果简介】

近日，中科院丁古巧教授研究员和Peng He博士（共同通讯作者）在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题为“Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated  Graphene for Wearable and Highly Sensitive Strain Sensors”的文章。研究者受滚动摩擦的影响，界面面积的减小削弱了相互作用，通过延长相分离过程制备了纳米球修饰石墨烯多孔纤维。这种新结构赋予石墨烯纤维高规格因子（51/0–5%和87/5–8%），这几乎是没有纳米球的相同结构的10倍。检测限低（0.01%应变），耐久性好（6000圈以上）。利用这些特性，这些纤维织物传感器可以实时识别脉搏波和眼球运动，同时保持舒适的佩戴感。此外，通过编织这种纤维，具有特殊设计结构的电子织物能够实时区分多个位置，显示出可穿戴电子产品的巨大潜力。

【图文简介】

图1 多孔石墨烯纤维的制备

a) 用于减少层间互连的嵌板插入和纳米球插入的比较示意图；

b) 多孔石墨烯连续制造工艺示意图。蓝色虚线标记了PGF的示意结构

c) 收集到的多孔石墨烯数码照片；

d) 打结多孔石墨烯的低分辨率扫描电镜图像；

e) 显示核壳结构的PGF的横截面扫描电镜图像；

f) 具有透明石墨烯片和聚合物纳米球的核心结构的扫描电镜图像。插图显示平均直径：117±20牛米；

g) 聚合物外壳表面的扫描电镜图像；

h) 多孔石墨烯中多孔纳米球装饰结构形成过程的示意图。

图2 多孔石墨烯的表征

a) 不同结构的扫描电镜图像（i）有孔和纳米球，（ii）有孔但没有纳米球，以及（iii）没有孔或纳米球。比例尺：1μm；

b) 结构（i–iii）在a中的柔度曲线；

c) a中不同结构的电阻率和BET表面积柱状图；

d) 通过有限元模拟（FES）分析纳米球自由（左）和纳米球（右）结构之间的位移比较；

e) 多孔纳米球装饰结构的灵敏度说明。

图3 多孔石墨烯纤维的传感特性

a) 无孔/无纳米球（黑色）、无孔/无纳米球（蓝色）、多孔/纳米球（红色）和TPU/石墨烯控制（绿色）的测量系数；

b) 1%、2%和5%应变（自上而下）下的拉伸和释放曲线；

c) 多孔石墨烯纤维应变传感器的响应时间；

d) 多孔石墨烯纤维的测试极限达到01%（信噪比：26分贝）；

e) 多孔石墨烯纤维应变传感器在1%应变拉伸和释放下6000次循环后的耐久性。

图4 基于多孔石墨烯纤维应变传感器的应变传感器的应用

a) 将多孔石墨烯纤维应变传感器纤维整合到绷带中并粘在手腕上的数码照片；

b) 正常和按压状态下的手腕脉搏阻力。插图显示了使用PGFS传感器的脉冲的详细信息；

c) 多孔石墨烯纤维应变传感器用于监测手指弯曲的信号；

d) 随着拉伸的增加，编织多孔石墨烯纤维应变传感器的电阻变化。插图是用纱布编织PGF的数码照片，显示了较高的拉伸范围；

e) 自制眼球监测装置的数码照片；

f) 眼球旋转和闪烁信号；

g) 睡眠时眼睛的实时监控。

图5 将多孔石墨烯纤维应变传感器织成纺织品时使用的电子织物

a) 在三元矩阵中编织的PGFS的3D模型，Xi-Yi-Zi字母代表编织的PGFS，PJ字母代表位置。b) 电子布与商业布结合的数码照片；

c) 无触、单点触、两点触的电阻反射。

【小结】

  研究者提出了一种多功能、简便的方法来制备高灵敏度的纳米球修饰PGF。通过将聚合物纳米球和石墨烯片结合起来，设计的纤维具有高规格系数（51在0–5%范围内，87在5–8%范围内）、稳定的循环性能（6000个循环）、快速响应时间（<100 ms）和低检测限（0.01%应变）。PGFS传感器可以检测各种信息，包括实时监测脉搏波、关节运动和眼球运动。PGF还集成到商用织物中，用于空间映射触觉刺激。该传感器具有低成本、高性能、高柔性等特点，在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。此外，互连弱化策略为提高应变传感器的灵敏度提供了一种新的解决方案，所用材料可扩展为其他导电粒子和聚合物，这些导电粒子和聚合物可通过相分离或其他方法形成纳米球装饰结构。

文献链接：Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated Graphene for Wearable and Highly Sensitive Strain Sensors. 2019, Adv. Funct. Mater. ,DOI: 10.1002/adfm.201903732.