Kevlar納米纖維和MXene再登《ACS Nano》:陝科大張美雲團隊:高回彈...

隨著人工智慧領域的快速發展，可穿戴傳感器在仿生義肢、健康監測和醫用領域的研究呈現出爆發式的發展。其中，壓力傳感器是可穿戴傳感器中的重要組成部分。但是，目前的壓力傳感器還存在力學強度低、靈敏度不高、耐溫性能差的問題。未解決這一問題，陝西科技大學張美雲教授團隊將力學強度優異的Kevlar納米纖維（ANFs）和導電性高的MXene納米片結合製備出高回彈性、耐高溫、靈敏度高的複合氣凝膠傳感器，該傳感器可以感知形變量為2-80%的壓縮應變，極高的靈敏度（能夠感知100 Pa的壓力）和循環穩定性（1000次）。該研究以題為「Highly Compressible, Thermally Stable, Light-Weight and Robust Aramid Nanofibers/Ti3AlC2MXene Composite Aerogel for Sensitive Pressure Sensor」發表在《ACS Nano》上，青年教師楊斌和張美雲教授為論文的共同通訊作者。

【MXene/ANFs氣凝膠的製備】

如圖1所示，他們首先利用DMSO和KOH把原始的Kevlar纖維去質子化處理，得到Kevlar納米纖維的DMSO溶液。隨後，經過溶劑交換得到了Kevlar納米纖維的水溶液。同時，對Ti3AlC2進行插層剝離，得到了MXene納米片。把二者的水溶液進行混合、抽濾、冷凍、冷凍乾燥四個過程後，得到了密度僅為25 mg/cm3的複合氣凝膠。

圖1 MXene/ANFs氣凝膠的製備過程

【MXene的含量對於氣凝膠孔結構的影響】

隨後，他們研究了MXene的含量對於氣凝膠孔結構的影響。純ANFs氣凝膠的氣孔呈現出橢圓形。隨著MXene的含量從10%逐漸增加到50%，氣凝膠的氣孔結構傾向於圓筒狀，平均尺寸為50 μm。當含量達到70%時，ANFs的含量過低，無法支撐整個氣凝膠的框架結構，氣凝膠呈現出鬆散的扁平狀氣孔，平均尺寸為200 μm。此外，作者對於MXene和ANFs的相對含量對於氣凝膠氣孔結構的影響機理進行了分析。ANFs之間存在較強的氫鍵，在氣凝膠中起強度支撐、分散劑和保護層的作用。MXene起導電填料和粘結點的作用。二者中單相組分過高時，氣凝膠都表現出鬆散的大氣孔結構。只有當二者含量適中時，氣凝膠表現出「泥-磚」結構，且層與層之間相互連接。

圖2 MXene的含量對氣凝膠微觀形貌的影響

圖3 ANFs和MXene的含量對於複合氣凝膠孔結構的影響機理

【氣凝膠的壓縮和熱穩定性】

隨著MXene含量的增加，氣凝膠的機械強度和模量逐漸下降。作者選取了較低壓縮應力的含有30%MXene的氣凝膠進行壓縮循環測試。結果表明，經過1000次循環後，氣凝膠仍能恢復原始狀態，顯示出極好的循環穩定性。此外，與文獻對比，該氣凝膠具有更低的密度和更優異的隔熱性能。在200 ℃的熱臺放置10min後，其表面溫度仍然低於60 ℃。同時，該氣凝膠還表現出了優異的阻燃性能。

圖4 複合氣凝膠的壓縮性能

圖5 複合氣凝膠的耐溫性能

【氣凝膠傳感器的應用】

隨後，作者對不同MXene含量的氣凝膠進行了壓縮傳感測試。隨著MXene含量的增加，氣凝膠表現出的電流變化逐漸變大，這是由於導電性的增加導致的。綜合力學性能、電導率和絕熱性能的考慮，作者選用MXene含量為30%的氣凝膠作為壓阻傳感器。該傳感器的靈敏度達到了6.75，能夠響應頻率為0.2-0.8 Hz的壓縮行為，感知2-80%的壓縮形變，且展示出了極好的循環穩定性（1000次）和極快的響應（320 ms）和回彈時間（98 ms）。隨後，作者將該傳感器用於運動檢測，在壓縮至餅狀後，該傳感器仍然表現出了極快的響應速度（0.1-0.35 s）和優異的循環穩定性。

圖6 複合氣凝膠傳感器的壓阻性能

圖7複合氣凝膠傳感器的應用

【總結】

作者利用Kevlar納米纖維和MXene納米片製備了壓縮回彈性好、熱穩定性好、隔熱性能優異、靈敏度高的氣凝膠壓阻傳感器。該傳感器能夠穩定循環1000次，能夠響應不同的工作頻率（0.2-0.8 Hz）、不同的應變（2-80%），且靈敏度高（監測100 Pa的壓力），響應速率快（320 ms）。在運動監測和嚴苛環境下的傳感設備有優異的應用前景。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04888

來源：高分子科學前沿

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