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  近年來，可穿戴應(yīng)變傳感器由于其在人體運(yùn)動檢測和個人健康監(jiān)測中的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。將導(dǎo)電納米材料如金屬納米顆粒/納米線、碳納米管、石墨烯等作為傳感介質(zhì)復(fù)合在柔性聚合物基質(zhì)中是制備柔性應(yīng)變傳感器最常用的策略之一。盡管使用該方法制備的傳感器具有出色的傳感性能，但由于柔性聚合物的透氣性較差，降低了穿戴的舒適性。而且納米材料之間的隧穿效應(yīng)往往導(dǎo)致傳感器的電阻在拉伸時呈指數(shù)形式上升，降低了傳感器的線性度，給實(shí)際應(yīng)用帶來了困難。

  針對這些問題，大連理工大學(xué)潘路軍教授團(tuán)隊(duì)使用簡單的浸泡法將錦/氨綸織物浸入碳素墨水中，制備了一款兼具舒適性和高性能的柔性應(yīng)變織物傳感器。該織物應(yīng)變傳感器在0-30％的應(yīng)變范圍內(nèi)不僅擁有較高的靈敏度（GF~62.9）還表現(xiàn)出非常好的的線性響應(yīng)能力（R²~0.99）。在洗滌前后，該傳感器均在5000次測試中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。由于織物本身具有良好的皮膚親和力，且集成能力較好，該傳感器可以方便地貼附在到人體或作為裝飾縫在貼身衣物上，收集人體關(guān)節(jié)運(yùn)動信號和脈搏、呼吸、心跳等生理信號，在運(yùn)動防護(hù)、疾病監(jiān)測等應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

圖1. 墨汁修飾的織物應(yīng)變傳感器的制備流程

圖2. 墨汁修飾的織物傳感器的傳感性能。（a）氨綸含量分別為10％，13％和16％的織物傳感器的應(yīng)變-應(yīng)力曲線。插圖為拉伸過程中的實(shí)時電阻。（b）幾個周期內(nèi)SP13傳感器的電阻與施加的應(yīng)變之間的相關(guān)性。（c）SP13傳感器在拉伸/釋放周期中的實(shí)時電阻。（d）以5％的增量施加5-30％的應(yīng)變來對SP13傳感器進(jìn)行循環(huán)測試。（e）SP13傳感器的相對電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系。（f）在10％應(yīng)變下對SP13傳感器進(jìn)行5000次循環(huán)測試。

  由于傳感器的制備過程較為簡單，無需昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的操作，使得該傳感器的可重復(fù)性和性能再現(xiàn)性較為良好，同時原材料價格低廉易于獲取，為器件的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。

圖3.（a）洗滌前后SP13傳感器的線性度、初始電阻和靈敏度比較。（b）八個樣品的線性度、初始電阻和靈敏度。

  對織物傳感器在拉伸過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)該傳感器的傳感機(jī)理可以從兩方面來解釋：1. 纖維束之間的接觸面積減少；2. 碳黑導(dǎo)電層中裂縫的產(chǎn)生。值得注意的是裂縫僅產(chǎn)生在經(jīng)向方向的部分纖維上，而在橫向方向上相互繞結(jié)的纖維部分并沒有裂縫的產(chǎn)生，說明該緯編結(jié)構(gòu)能夠均勻的分布應(yīng)力。纖維束之間接觸面積的減少和裂縫產(chǎn)生的相互協(xié)同作用使該傳感器具有超高的靈敏度和出色的線性度。

圖4. 拉伸過程中織物的（a-c）正面和（d-f）背面的結(jié)構(gòu)演變。黃色虛線表示接觸面積的減少。（g-i）拉伸時碳黑導(dǎo)電層裂縫的產(chǎn)生和傳播。（j）裂縫產(chǎn)生的示意圖。藍(lán)色虛線內(nèi)無裂縫產(chǎn)生。

圖5. 應(yīng)變傳感器在監(jiān)測（a）手指關(guān)節(jié)，（b）腕關(guān)節(jié)，（c）肘關(guān)節(jié)，（d）呼吸，（e）腕部脈搏和（f）100步步行運(yùn)動中的應(yīng)用。（g）飾有“DLUT”圖案的智能T恤。（h）傳感器貼附在手腕部以檢測脈搏。（i）用墨水修飾過的織物制成的防護(hù)腕帶。貼附在（j）彈性運(yùn)動膠帶上和（k）安裝在膝蓋上的傳感器照片。

  他們通過將氨綸/聚酰胺纖維浸入碳筆墨水中來制造紡織品應(yīng)變傳感器。這種低成本且易于制造的織物應(yīng)變傳感器促進(jìn)了大規(guī)模生產(chǎn)。該傳感器具有出色的線性度、靈敏度、拉伸可恢復(fù)性、可洗性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。這種令人印象深刻的傳感性能使墨水修飾的織物有機(jī)會成為未來智能服裝的理想材料。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b22534