第一作者：王军
通讯作者：林静、胡德超、罗坚义
背景介绍及内容概述
基于导电弹性体(CE)的柔性应变传感器为医疗保健、人机界面和软机器人技术的发展带来了希望。然而，通过简单的制备工艺，获得具有优异拉伸性、宽应变范围、高灵敏度和出色稳定性的CE应变传感器仍然是一个挑战。
近日，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心罗坚义教授、林静博士团队及佛山科学技术学院胡德超博士结合了疏-密导电网络的优点，报道了通过简单的一步法，研制了基于天然橡胶(NR)和改性MWCNTs (m-MWCNTs)的疏-密分层结构导电弹性体复合材料(CECs)。利用非离子表面活性剂Triton x-100的浊点，通过控制Triton x-100的含量和分散温度，形成了疏-密的导电层，且层状结构之间具有良好的连接。“疏”导电网络在小变形时的严重滑移和“密”导电网络在大应变时的撕裂可以协同提高NR/m-MWCNTs CECs的力学性能和传感性能。因此，设计的应变传感器可以在0-200%和200-423%的应变范围内实现高灵敏度和线性度，优于大多数其他先进的CECs应变传感器，同时具有检测范围宽(1% ~ 423%)、响应时间快(0.23s)、重复性好、稳定性好等优点。此外，NR/m-MWCNTs CECs具有优越的电热性能，研制的应变传感器可应用于肘部护垫和膝部护垫中，用于人体运动监测。上述结果表明，开发的疏-密分层CECs在智能可穿戴电子产品中具有极大的应用潜力。
本工作以“A sparse-dense hierarchical structured conductive elastomer composites for highly sensitive and stretchable strain sensor”为题，发表在Chemical Engineering Journal 上。
论文具体工作内容
图1 疏-密导电网络应变传感器结构示意图，具有可调控的传感特性和多种应用场景。（a）CECs疏-密导电网络的结构和优点。（b）疏-密层级结构CECs应变传感器的传感机理。（c）具有无线监测生理信号和焦耳加热功能的智能可穿戴电子设备。
图2 疏-密层级结构NR/m-MWCNTs CECs制备工艺流程图
图3 NR/m-MWCNTs CECs的SEM截面形貌图：（a）NR/MWCNTs-1;（b）NR/MWCNTs-3;（c）NR/MWCNTs-5 ;（d）NR/MWCNTs-7;
图4 NR/m-MWCNTs-5 CECs的疏-密层级结构的表征（a）TEM上侧图像；（b）TEM下侧图像；（c）上侧XRD；（d）下侧XRD；（e）上侧FITR；（f）下侧FITR.
图5 （a）NR/m-MWCNTs CECs下侧电导率（b）NR/m-MWCNTs CECs上侧电导率（c）NR/m-MWCNTs CECs电阻（d）NR/m-MWCNTs CECs力学性能。
图6 NR/m-MWCNTs-5 CECs的应变传感器的传感性能。（a）NR/m-MWCNTs-5 CECs在应变范围内的电阻响应和GF。（b）大、小应变下传感器的传感机理。（c）不同传感器最大应变下的GF比较。（d）20%-120%应变范围内，拉伸速度为100mm/min的相对电阻响应。（e）100%-350%应变范围内，拉伸速度为100mm/min的相对电阻响应。（f）传感器在100应变的加载和卸载拉伸下的迟滞曲线。(g)100%应变下不同速度的相对电阻响应。（h）实时拉伸过程中，拉伸和释放的响应时间。（i）100%应变下，1000次循环应变测试的相对电阻响应。
图7 NR/m-MWCNTs应变传感器对关节和微小肌肉运动进行检测，弯曲角度对应的电阻变化。（a）手指；（b）肘部；（c）膝关节；（d）微笑；（e）吞咽；（f-h）说话。
图8基于NR/m-MWCNTs应变传感器的智能可穿戴运动监测应用（a）运动信号的采集、转换、传输、显示的工作过程示意图。（b）不同运动状态感知场景的照片。（c）对应的相对电阻响应。
图9 NR/m-MWCNTs CECs的电热性能。（a）电压-电路曲线。（b，c）表面温度-时间曲线。（d）不同电压下的实时红外热成像图（e）14电压下，连续5个周期的温度响应。（f）不同电压下的温度响应。（g）表面温度与U2的关系（h）14V电压下温度响应的耐久测试。
总结与展望
通过简单的一步法成功制备了基于NR/m-MWCNTs的疏-密层级CEC。疏-密层级结构可以通过控制Triton x-100 的含量和分散温度制备，实现优异的机械和传感性能。稀层和密层之间的优良连接，从而保证了NR/m-MWCNTsCECs的突出综合性能。系统研究了传感机理，展示了两种传感模型，疏导电网络在小变形下的严重滑移和大应变下密导电网络的撕裂协同提高了NR/m-MWCNTs的传感性能。因此，基于NR/m-MWCNTs CEC的制备应变传感器在 0-200%（GF=37.9和R=0.99366）和200%-42%（GF=72.8和R=0.9933）的传感性能，优于大多数其他最先进的CECs应变传感器。同时，此传感器也兼具宽检测范围（1%-423%），响应时间快（0.23s）、优异的重复性和稳定性。此外，应变传感器还成功地应用于人体关节运动监测、发音和吞咽。NR/m-MWCNTs CEC具有卓越的电热性能。我们开发的疏-密层级 CECs能够在智能可穿戴电子设备中，监测各种人体运动。同时这项工作为高灵敏和可拉伸的应变传感器的发展提供了一个简单而有效的策略。
作者及团队介绍
第一作者：王军，男，五邑大学应用物理与材料学院2022级材料与化工硕士研究生。
通讯作者：林静，应用物理与材料学院硕士生导师，江门市二级高层次人才，以第一作者在Adv. Funct. Mater.、Small、Chem. Eng. J、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际权威期刊上发表SCI论文15篇，EI论文2篇，获授权发明专利3项。主持省级项目2项。
通讯作者：胡德超，博士，佛山科学技术学院特聘青年研究员，硕士生导师，主要从事高分子改性与功能复合材料方面的研究，以第一/通讯作者发表论文20余篇，获授权发明专利12项。主持国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等多个项目。
通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。
附文献及DOI号：
A sparse-dense hierarchical structured conductive elastomer composites for highly sensitive and stretchable strain sensor
DOI: 10.1016/j.cej.2023.146759
