齊魯工業大學劉溫霞教授和濟南大學劉宏教授Small綜述：柔性應變傳感器用導電水凝膠的研究進展

youyoucao 2年前 (2021-10-20) 3037瀏覽

第一作者：李剛

通訊作者：劉溫霞、劉宏、李國棟

通訊單位：齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室、濟南大學前沿交叉研究院

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101518

成果簡介

柔性應變傳感器因其具有人類皮膚的柔韌性和可以通過將各種外界刺激轉換為電信號來模擬人類皮膚的感覺功能，在醫療監測設備、智能機器人和可穿戴傳感器等領域引起了人們極大的關注和研究興趣。在過去的幾年中，導電水凝膠被廣泛用于制造應變傳感器，其在應變傳感器的組裝和傳感中的應用非常活躍，并扮演者非常重要的角色。近日，齊魯工業大學生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室劉溫霞教授課題組和濟南大學前沿交叉研究院劉宏教授聯合在《Small》?雜志上發表了題為“Development of Conductive Hydrogels for Fabricating Flexible Strain Sensors”的綜述文章（圖1）。該綜述首先總結了柔性應變傳感器所需的導電水凝膠的獨特性能，然后描述了在不同傳感模式下設計的基于導電水凝膠的柔性傳感器，最后總結了它們在傳感器領域的巨大優勢和前景，并對未來發展提出了一些建議和展望。

圖1?本文的內容簡介示意圖

內容速覽

一、導電水凝膠的特性

理想的柔性應變傳感器應具有高靈敏度、良好的機械性能、優異的環境適應能力、長期穩定性和耐損傷。因此，開發具有高導電性、良好機械性能、自修復能力和抗凍性的導電水凝膠對于設計柔性電子設備至關重要。最近，研究人員在賦予導電水凝膠制造柔性應變傳感器所需的特性方面取得了很大進展。通過填充工程和與其他功能納米材料的結合，導電水凝膠被賦予了柔性應變傳感器所需的許多可調節和獨特的特性，包括導電性、機械性能、自愈能力和抗凍性。在該部分內容中，我們系統地回顧和總結了導電水凝膠這些不可或缺的特性。

圖2?基于導電聚合物的導電水凝膠交聯結構示意圖

圖3 基于碳納米管和石墨烯導電材料的導電水凝膠交聯結構示意圖

圖4 基于MXene導電材料的導電水凝膠交聯結構示意圖

圖5?基于金屬導電材料的導電水凝膠交聯結構示意圖

圖6?基于電解質/聚電解質材料的導電水凝膠交聯結構示意圖

圖7 導電水凝膠的機械性能

圖8 導電水凝膠的自愈合性能

圖9 導電水凝膠的抗凍性能

二、導電水凝膠在柔性應力傳感器領域的應用

在實際應用中，應變傳感器應該具有高靈敏度（Gauge factor，GF）、低檢測限、快速響應及經久耐用的特性，且可承受循環加載/卸載并保持穩定的傳感性能。在能源匱乏的環境中，應變傳感器還需要能夠自供電。因此，實際應用對基于導電水凝膠的傳感器提出了許多挑戰，尤其是導電水凝膠類應變傳感器的靈敏度普遍較低，響應時間相對較長。為了提高導電水凝膠傳感器的性能，除了提高導電水凝膠的導電性及為水凝膠引入微結構外，還探索了在不同傳感模式下工作的基于導電水凝膠的應變/壓力傳感器，通過選擇不同的工作模式，針對性地提高水凝膠應變/壓力傳感器的靈敏度和加快響應時間，并滿足自供電的要求。

在該部分內容中，我們首先簡單總結了各種典型的導電水凝膠傳感器的工作模式（包括電阻、電容、壓電、摩擦電和基于原電池的模式），并回顧了在不同傳感模式下運行的導電水凝膠應變/壓力傳感器的最新進展。