寧波材料所高強韌導電水凝膠傳感器取得進展

2020-11-22 中國科學院

　　隨著智能終端的普及，可穿戴柔性電子設備呈現出巨大的市場前景。柔性應變傳感器作為柔性電子器件的核心部件，在電子皮膚、人體健康監測、植入式設備、人機互動系統等方面有廣闊的應用前景，已成為水凝膠材料領域的重點研究方向。在實際應用中，確保傳感信號的靈敏度和可靠性非常重要，這對水凝膠的應變靈敏度和線性響應提出了很高的要求，也是當前大多數水凝膠應力應變傳感器面臨的重要瓶頸問題。如何在實現高可拉伸性的同時保證線性高靈敏度仍是目前面臨的挑戰。其關鍵在於合理地設計水凝膠網絡和導電網絡，並在二者之間構築協同響應機制，既獲得高強度韌性，又使導電網絡隨著應變而發生及時響應，從而獲得高靈敏度。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員付俊團隊研發了一種基於高強度導電水凝膠的線性高靈敏度應變傳感器。其使用的導電凝膠是由柔性的丙烯醯胺-甲基丙烯酸羥乙酯共聚物（P(AAm-co-HEMA)）與原位生成的剛性聚苯胺（PANI）組成的半互穿網絡水凝膠，其中P(AAm-co-HEMA)與PANI之間依靠氫鍵作用實現柔性絕緣網絡與剛性導電網絡之間的緊密結合（圖1a）。基於這樣的互穿網絡結構（圖1b，1c和1d），聚苯胺在該體系中的閾值僅為0.5wt/vol%，即可獲得高電導率。這一數值遠小於文獻報導的碳材料或金屬材料在柔性應變傳感器中的應用量。低含量聚苯胺顯著提升了導電凝膠的拉伸韌性（9.19MJ/m3），比母體PAAm-co-HEMA凝膠提高了11倍，電導率提高至8.14S/m（接近純聚苯胺凝膠體系的11s/m）。這種依靠可逆的氫鍵作用結合的互穿網絡使得凝膠對循環載荷具有優異的抗疲勞性（0-200%大應變循環100次後電性能仍穩定），在0-300%的大拉伸應變下靈敏度穩定在1.48（圖2a），對應變具有極高的敏感性（0.23%的壓縮應變下靈敏度為11，圖2b）。

　　PANI/PAAm-co-HEMA凝膠具有優異的傳感性能，被成功用於監測人體運動或生理信號，包括脈搏，聲帶震動以及關節運動等。其中凝膠傳感器可以清晰地識別手腕的彎曲角度(圖3a)、聲帶的震動波形、幅度與頻率（圖3b）以及脈搏波形（圖3c）。值得一提的是，該傳感器可準確檢測到典型的脈搏雙峰波型，這一細微的雙峰特徵是由左心室收縮引起的血壓和身體的反射波形成的，其比值P1/P2是動脈硬化的診斷指標。此外，科研人員還構築了超靈敏凝膠傳感器陣列，模擬人體皮膚的二維信號感知特徵，能及時、準確地反映陣列表面微小的應力刺激，每個陣列單元可分別獨立記錄應力變化，並以電信號形式輸出（圖4）。

　　該成果以Ultra Stretchable Strain Sensors and Arrays with High Sensitivity and Linearity Based on Super Tough Conductive Hydrogels 為題發表在Chemistry of Materials上（2018, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03999），付俊為通訊作者。相關技術已經申請了中國發明專利（CN 201710073869.2）。

　　以上工作得到國家自然科學基金面上項目（51873224）的資助。

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　　圖1 （a）PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的合成示意圖；（b）P(AAm-co-HEMA)水凝膠SEM圖像；PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的（c）SEM圖和（d）CLSM圖像

 

圖2 PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠拉伸（a）以及壓縮（b）下電阻變化率-應變曲線 

 

圖3 PANI/P(AAm-co-HEMA)凝膠應變傳感器用於檢測手腕彎曲（a）、聲帶震動（b）以及脈搏（c） 

 

　　圖4 PANI/P(AAm-co-HEMA)凝膠組裝的傳感器陣列（a）以及細節圖（b，c）；（d）當手指同時按在傳感器陣列的B3、E3、B6和E6上時，各傳感器電阻變化結果；(e)當測試者在陣列上寫下「CNiTECH」，各個凝膠對應的電信號結果 

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