南京工業大學董曉臣ACS Nano：基于過渡金屬碳化物和碳納米管復合材料的應變傳感器

jcfxs01 6年前 (2017-12-15) 11405瀏覽

【引言】

目前，制造高靈敏度、低檢測極限、高拉伸性、可調節的敏感范圍、超薄器件尺寸的應變傳感器依然具有很大的挑戰。基于Ti3C2Tx MXene /碳納米管（CNTs）復合材料的納米網絡通過合理的結構設計可制備成多功能應變傳感器，該復合結構結合了二維Ti3C2Tx MXene納米層與一維CNT在應變傳感應用方面的優勢。近日，有學者報道了將Ti3C2Tx MXene與CNTs復合，通過獨特的結構設計，制備出性能優異的可穿戴式柔性應變傳感器。

【成果簡介】

近日，南京工業大學的董曉臣教授、楊健教授、邵進軍副研究員(共同通訊作者)和蔡依晨博士(第一作者)等人在ACS Nano上發布了一篇關于MXene與CNTs復合結構用于應變傳感器的文章，題為“Stretchable Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanotubes Composite Based Strain Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Tunable Sensing Range”。
作者將Ti3C2Tx MXene與CNTs復合制備出用于傳感器的新型材料。三明治型的Ti3C2Tx MXene/CNT傳感層由層狀的Ti3C2Tx MXene薄片和親水單壁碳納米管（SWNT）經層層（LBL）噴涂方法制備而成。研究結果表明，該復合材料制備的應變傳感器結構獨特，有超低檢測極限（0.1％應變），高拉伸性（高達130％），高靈敏度（靈敏度系數~772.6），可調節的應變檢測范圍（30-130％），超薄器件尺寸（< 2 μm）及優異的耐久性和穩定性（> 5000次循環）。

【圖片導讀】

圖1 樣品制備過程示意圖

(a) 三明治結構Ti3C2Tx MXene/CNT敏感層的制備過程；

(b) Ti3C2Tx MXene和碳納米管分散液的Tyndall效應;

(c-d) Ti3C2Tx薄片和SWCNT的TEM圖像；

(e) 應變傳感器不同拉伸程度時的照片。

圖2 樣品成分與結構表征


(a) Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/CNT膜的XRD圖譜；

(b) Ti3C2TxMXene納米片的XPS譜;

(c) 純TTi3C2Tx薄膜的SEM圖像；

(d) Ti3C2TxMXene薄片的橫截面SEM圖像；

(e) 三明治型Ti3C2Tx MXene/CNT薄膜的SEM圖像；

(f) 三明治型Ti3C2Tx MXene/CNT薄膜的SEM圖像。

圖3 樣品電學性能測試


(a) Ti3C2Tx MXene/CNT/應變傳感器的典型應變曲線；

(b) 四個外加應變下相對電阻變化與時間的函數;

(c) 0.1％的微小應變下相對電阻變化與時間的函數；

(d) 應變傳感器在20％應變不同頻率下的相對電阻響應；

(e) 相對電阻和應變隨時間變化的輸出輸入信號對比曲線；

(f) 頻率為1Hz，應變為20％時的耐久性測試。

圖4 樣品的相對電阻-應變曲線


(a-c) 在相同循環噴涂次數下不同濃度的Ti3C2Tx MXene和CNT制備的應變傳感器的應變曲線；

(d) 不同噴涂循環CNT1-MXene1（1代表分散液濃度：1 mg/mL）的應變曲線。

圖5 Ti3C2Tx MXene/CNT在不同拉伸狀態下的SEM圖像


(a) 0%； ? ? ? ? ? ? ?(b) 5%;

(c) 20%； ? ? ? ? ? (d) 40%；

(e) 80%； ? ? ? ? ? (f) 0%。

圖6 傳感器的應用測試


(a) 貼在喉嚨處的傳感器照片；

(b-d) 分別講“Carbon”，“Sensor”和“MXene”時記錄的聲帶振動響應曲線;

(e) 附著在人體膝蓋上的傳感器的照片；

(f-h) 傳感器在檢測人運動時膝蓋處應變響應。

【小結】

文章介紹了基于Ti3C2Tx MXene/碳納米管（CNTs）獨特三明治結構的應變傳感器，該傳感器具有極高的靈敏度、低的測定極限、高拉伸性和可調節的敏感范圍等特性。作者系統地測試了不同參數條件制備的三明治型Ti3C2Tx MXene/CNT應變傳感器，發現三明治結構可以利用重疊的Ti3C2Tx MXene納米層之間相對滑動、裂痕和褶皺產生電阻變化；同時相互連接的CNT在MXene納米片之間起導電橋梁作用，實現其可逆滑動和導電路徑的可逆變化，改變重疊區域的導電路徑，進而改變接觸電阻，實現應變傳感。Ti3C2Tx MXene/CNT傳感器在假肢反饋和檢測人體運動健康等領域有著良好的應用前景。

文獻鏈接：Stretchable Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanotubes Composite Based Strain Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Tunable Sensing Range (ACS Nano, 4 December, 2017 , DOI: 10.1021/acsnano.7b06251）

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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