中科院Adv. Funct. Mater. : 由聚合物納米球修飾石墨烯組成的多孔纖維，用于可穿戴和高靈敏度應變傳感器

中科院Adv. Funct. Mater. : 由聚合物納米球修飾石墨烯組成的多孔纖維，用于可穿戴和高靈敏度應變傳感器

【引言】

與傳統的基于薄膜的應變傳感器相比，可穿戴式傳感器用于監測各種人類行為被認為是可穿戴電子設備的重要組成部分。相比于傳統的薄膜應變傳感器，纖維或織物應變傳感器更容易集成到日常服裝中。此外，纖維或織物具有極好的柔韌性，可以跟隨人體的許多復雜運動。此外，織物中的纖維可以防止固體薄膜或塊狀物中出現的裂紋擴展，從而提高其長期使用。并且織物還可以具有舒適的吸引力，可以“透氣”或保持被攝對象溫暖。因此，纖維或紡織品是制造高性能可穿戴傳感器最合適的平臺。以前，我們開發了可拉伸應變傳感器，利用雙包被紗上的還原氧化石墨烯（rgo）涂層檢測扭轉和拉伸。在聚酯織物上涂上無封裝的RGO，使基于織物的應變傳感器能夠檢測不同的手勢。一般來說，基于纖維或織物的傳感器具有良好的運動響應、高靈活性、響應時間短、長期穩定性和出色的耐久性。目前，許多纖維/紡織品傳感器都在高應變范圍（超過100%的應變）內進行了高規格因子的探索。事實上，對于人體來說，許多重要的健康信號，如脈搏和呼吸，產生的應變小于1%。這對織物應力傳感器來說是個不小的挑戰。

【成果簡介】

近日，中科院丁古巧教授研究員和Peng He博士（共同通訊作者）在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇題為“Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated ?Graphene for Wearable and Highly Sensitive Strain Sensors”的文章。研究者受滾動摩擦的影響，界面面積的減小削弱了相互作用，通過延長相分離過程制備了納米球修飾石墨烯多孔纖維。這種新結構賦予石墨烯纖維高規格因子（51/0–5%和87/5–8%），這幾乎是沒有納米球的相同結構的10倍。檢測限低（0.01%應變），耐久性好（6000圈以上）。利用這些特性，這些纖維織物傳感器可以實時識別脈搏波和眼球運動，同時保持舒適的佩戴感。此外，通過編織這種纖維，具有特殊設計結構的電子織物能夠實時區分多個位置，顯示出可穿戴電子產品的巨大潛力。

【圖文簡介】

圖1 多孔石墨烯纖維的制備

a) 用于減少層間互連的嵌板插入和納米球插入的比較示意圖；

b) 多孔石墨烯連續制造工藝示意圖。藍色虛線標記了PGF的示意結構

c) 收集到的多孔石墨烯數碼照片；

d) 打結多孔石墨烯的低分辨率掃描電鏡圖像；

e) 顯示核殼結構的PGF的橫截面掃描電鏡圖像；

f) 具有透明石墨烯片和聚合物納米球的核心結構的掃描電鏡圖像。插圖顯示平均直徑：117±20牛米；

g) 聚合物外殼表面的掃描電鏡圖像；

h) 多孔石墨烯中多孔納米球裝飾結構形成過程的示意圖。

圖2 多孔石墨烯的表征

a) 不同結構的掃描電鏡圖像（i）有孔和納米球，（ii）有孔但沒有納米球，以及（iii）沒有孔或納米球。比例尺：1μm；

b) 結構（i–iii）在a中的柔度曲線；

c) a中不同結構的電阻率和BET表面積柱狀圖；

d) 通過有限元模擬（FES）分析納米球自由（左）和納米球（右）結構之間的位移比較；

e) 多孔納米球裝飾結構的靈敏度說明。

圖3 多孔石墨烯纖維的傳感特性

a) 無孔/無納米球（黑色）、無孔/無納米球（藍色）、多孔/納米球（紅色）和TPU/石墨烯控制（綠色）的測量系數；

b) 1%、2%和5%應變（自上而下）下的拉伸和釋放曲線；

c) 多孔石墨烯纖維應變傳感器的響應時間；

d) 多孔石墨烯纖維的測試極限達到01%（信噪比：26分貝）；

e) 多孔石墨烯纖維應變傳感器在1%應變拉伸和釋放下6000次循環后的耐久性。

圖4 基于多孔石墨烯纖維應變傳感器的應變傳感器的應用

a) 將多孔石墨烯纖維應變傳感器纖維整合到繃帶中并粘在手腕上的數碼照片；

b) 正常和按壓狀態下的手腕脈搏阻力。插圖顯示了使用PGFS傳感器的脈沖的詳細信息；

c) 多孔石墨烯纖維應變傳感器用于監測手指彎曲的信號；

d) 隨著拉伸的增加，編織多孔石墨烯纖維應變傳感器的電阻變化。插圖是用紗布編織PGF的數碼照片，顯示了較高的拉伸范圍；

e) 自制眼球監測裝置的數碼照片；

f) 眼球旋轉和閃爍信號；

g) 睡眠時眼睛的實時監控。

圖5 將多孔石墨烯纖維應變傳感器織成紡織品時使用的電子織物

a) 在三元矩陣中編織的PGFS的3D模型，Xi-Yi-Zi字母代表編織的PGFS，PJ字母代表位置。b) 電子布與商業布結合的數碼照片；

c) 無觸、單點觸、兩點觸的電阻反射。

【小結】

??研究者提出了一種多功能、簡便的方法來制備高靈敏度的納米球修飾PGF。通過將聚合物納米球和石墨烯片結合起來，設計的纖維具有高規格系數（51在0–5%范圍內，87在5–8%范圍內）、穩定的循環性能（6000個循環）、快速響應時間（<100 ms）和低檢測限（0.01%應變）。PGFS傳感器可以檢測各種信息，包括實時監測脈搏波、關節運動和眼球運動。PGF還集成到商用織物中，用于空間映射觸覺刺激。該傳感器具有低成本、高性能、高柔性等特點，在可穿戴電子領域具有廣闊的應用前景。此外，互連弱化策略為提高應變傳感器的靈敏度提供了一種新的解決方案，所用材料可擴展為其他導電粒子和聚合物，這些導電粒子和聚合物可通過相分離或其他方法形成納米球裝飾結構。

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