南開大學Adv. Funct. Mater.: 富勒烯降低內摩擦——高性能0D-1D-2D三元納米復合材料應變傳感器

【引言】

近年來，科研人員在可穿戴電子器件的研究中取得了很大的進展。其中，在拉伸時將機械變形信號轉換為電阻變化輸出的電阻型應變傳感器在人體運動檢測，人體健康監測，柔性機器人等新興應用領域中具有重大的應用前景。在實際應用中，應變傳感器需要滿足一系列的綜合傳感性能，包括高靈敏度，大拉伸形變，良好的線性度，長期耐用性，優良的重復性，低滯后性，以及制備工藝簡單等。然而，由于傳感材料的結構限制，使傳感器同時達到高靈敏度(應變系數gauge factor>100)和大的拉伸形變(工作應變范圍>50%)仍然很困難，這也大大限制了應變傳感器的開發與實際應用。

【成果簡介】

近日，南開大學材料學院的梁嘉杰教授（通訊作者）團隊報道了利用零維的富勒烯降低材料內部摩擦以構造高性能0D-1D-2D三元納米復合材料應變傳感器的研究工作。該研究發表于Advanced Functional Materials，題為“Lowering Internal Friction of 0D–1D–2D Ternary Nanocomposite-Based Strain Sensor by Fullerene to Boost the Sensing Performance”。該報道通過一步式絲網印刷工藝，構建了一種新型的基于0D-1D-2D三元納米復合材料的應變傳感器。該傳感器在寬應變范圍下具有高靈敏度，低滯后性，良好的線性和重復性，其在62%應變下應變因子GF可以達到2392.9。這些優異的感應器器件性能主要是通過0D,1D,2D三元納米功能材料組分間的協同效應引起的。其中，一維銀納米線提供高導電性以降低器件電阻，二維氧化石墨烯提供脆性以及可滑移的層狀結構，而零維的富勒烯則提供潤滑性。富勒烯降低了氧化石墨烯的層間摩擦，在不損害納米復合材料膜的脆性的前提下促進了相鄰層間的滑動。當受到拉伸時，富勒烯誘發的層狀滑移可以承受部分應力以提高復合薄膜材料的應變，同時復合薄膜的脆性使其產生裂紋以確保傳感器在工作應變范圍內能產生大的電阻變化。該工作同時還討論了傳感器尺寸對傳感性能的影響，并成功將該高綜合性能優異的三元納米復合材料應變傳感器應用于多種人體運動的檢測中。該工作第一作者為研究生史鑫磊。

【圖文導讀】

圖1. 器件制備與基本表征

(a).構造0D-1D-2D三元納米復合材料應變傳感器的絲網印刷工藝示意圖。

(b).GO-AgNW-C60₍₇₎水性油墨的透射電鏡照片。

(c).GO-AgNW-C60₍₇₎傳感薄膜的橫截面掃描電鏡照片。

(d).不同質量比C60下三元納米復合材料應變傳感器的電導率。插圖顯示GO- AgNW-C60₍₇₎傳感薄膜的測量電阻為7.2Ω。

圖2. 三元納米復合材料應變傳感器傳感性能

(a).GO-AgNW-C60₍₀₎，GO-AgNW-C60₍₃₎，GO-AgNW-C60₍₅₎，GO-AgNW-C60₍₇₎和GO-AgNW-C60₍₉₎應變傳感器在一次拉伸/釋放循環下的相對電阻變化率-應變曲線。

(b).GO-AgNW-C60₍₀₎應變傳感器的GF值與線性特性。

(c).GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器的GF值與線性特性。

(d).GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器在不同應變速率下的一次拉伸/釋放循環下的相對電阻變化率-應變曲線。

(e).GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器在1Hz頻率不同循環應變下的相對電阻變化率。

(f).GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器在20％應變不同頻率下的相對電阻變化率。

(g).GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器在0％和40％應變范圍內3000個拉伸/釋放循環下的相對電阻變化率，應變速率為0.2mm s^-1。插圖為1000至1020次拉伸/釋放循環間的相對電阻變化率曲線。

(h).GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器在0％至40％應變范圍內不同拉伸/釋放循環下相對電阻變化率-應變曲線。?

圖3. GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器的GF和最大工作應變范圍與近期報道結果比較。

圖4. 富勒烯增強0D-1D-2D納米復合材料應變傳感器傳感機制

(a). GO-AgNW-C60₍₀₎和GO-AgNW-C60₍₀₎傳感膜在拉伸下的傳感機制示意圖。上插圖掃描照片顯示GO-AgNW-C60₍₀₎傳感膜中裂紋邊緣之間的間隙。下插圖掃描照片顯示GO-AgNW-C60₍₇₎傳感薄膜中部分滑出裂紋的內部層。

(b). GO-AgNW-C60(0) 傳感膜在不同應變下的表面掃描照片。

(c). GO-AgNW-C60(7) 傳感膜在不同應變下的表面掃描照片。

圖5. 不同尺寸應變傳感器性能

(a). GO-AgNW-C60₍₇₎-W1.5，GO-AgNW-C60₍₇₎-W2.5和GO-AgNW-C60₍₇₎-W3.5應變傳感器的相對電阻變化率-應變曲線，傳感器具有固定尺寸：長（2cm），厚度（1.3 μm）和寬度（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應變傳感器的相對電阻變化率-應變曲線，傳感器具有固定尺寸：長（2cm），寬度（2mm）和厚度（0.9，1.3和1.8μm）。

圖6. 使用GO-AgNW-C60₍₇₎應變傳感器監測人體運動。

(a).手腕脈搏跳動下對應電阻變化率。

(b).講話時反應“伸展”，“探測”和“敏感度”的對應電阻變化率。

(c).微笑時面部表情時對應電阻變化率。

(e).眨眼時對應電阻變化率。

(d).手腕彎曲時對應電阻變化率。

(f).手指彎曲時對應電阻變化率。

【小結】

該工作利用簡單的制造技術開發了基于0D-1D-2D三元納米復合材料的應變傳感器，其具有優異的靈敏度，寬的工作應變范圍，優良的線性響應行為，低滯后性以及長期穩定性和可靠性。通過簡單地調節印刷和墨水參數來控制傳感器結構，可以很容易地設計和預測傳感性能。C60作為潤滑劑起到降低內部摩擦力的作用，并在施加應變時引起傳感膜中裂紋擴展期間的層間滑移，從而提高拉伸性（> 50％），同時保持優異的靈敏度（工作應變范圍> 400）。這些優異的特性與簡便的器件制造方法相結合，使得該0D-1D-2D三元納米復合材料應變傳感器能夠精確檢測從微小脈沖跳動到大應變關節運動的全方位人體運動。

文獻鏈接：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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本文由材料人電子電工學術組二正正笑春風供稿，材料牛整理編輯。

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