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鄭大劉春太教授/劉虎副教授、納米能源所潘曹峰研究員：強健超彈的蜘蛛網狀聚酰亞胺纖維基導電復合氣凝膠用于極端溫度下的線性壓力傳感器

2023-05-12 來源：高分子科技

物聯網的進步推動了人工觸覺傳感技術的巨大發展，作為基石的壓力傳感器因其在遠程人體健康監測、人機界面、可穿戴電子設備和人形機器人領域的新興應用而受到廣泛關注。近年來，人們提出了包括壓阻、壓電、摩擦電和電容在內的多種機制用于壓力傳感器，其中壓阻傳感器表現出測量方案簡單、可靠性相對較高的巨大優勢，受到了人們的極大關注。然而，同時實現低檢測極限和寬壓力傳感范圍對壓阻式壓力傳感器來說是一個巨大的挑戰，限制了其在電子皮膚中的實際應用，因為電子皮膚通常需要1-10 Pa的輕微觸感以及對劇烈行為如抓握重物（數百kPa）的傳感。此外，為了便于信號讀取和識別，還迫切需要具有良好線性傳感模式和高靈敏度的壓阻式壓力傳感器。

在近期的研究中，鄭州大學劉春太教授、劉虎副教授和北京納米能源與系統研究所的潘曹峰研究員等人創新性地應用三乙胺（TEA）實現了疏水聚酰亞胺纖維(PIFs)在碳納米管(CNT)水溶液中的均勻分散, 同時保證了纖維的結構不會受到破壞, 并利用冷凍干燥和熱酰亞胺技術制備了強健超彈的蜘蛛網狀PIF/CNT導電復合氣凝膠。該氣凝膠作為壓力傳感器具有寬線性感應范圍(0.01–53.34 kPa)、超低檢測限(10 Pa)、高靈敏度(0.507 kPa^?1)、快速響應/恢復時間(85/80 ms)、穩定的快速壓縮響應(500 mm min^?1)和優異的抗循環疲勞能力(5000次)等優異的傳感性能。此外，有限元分析以及等效電路模擬計算表明, 光滑的多級纖維網絡有利于相鄰的導電纖維之間的接觸面積在外部壓力下有明顯的線性變化, 使之表現出優異的線性傳感性能。更重要的是，該傳感器可用于人體生理和運動信號檢測、電子皮膚和智能控制, 且在極端溫度(?100–300°C)下表現出出色的傳感穩定性和熱絕緣性, 可用于極端太空環境下太空服和月球/火星棲息地充氣結構的傳感單元。這個工作為開發下一代極端環境耐受性的線性壓力傳感器提供了一個簡單有效的方法。

圖1 PIF/CNT復合氣凝膠的制備流程

圖2 PIF/CNT復合氣凝膠的蜘蛛網狀結構和超彈性

圖3 PIF/CNT復合氣凝膠的有限元分析和等效電路模擬

圖4 PIF/CNT復合氣凝膠優異的傳感性能

圖5 PIF/CNT復合氣凝膠對人體運動和生理活動的精準監測

該研究以“Robust and superelastic spider web-like polyimide fiber-based conductive composite aerogel for extreme temperature-tolerant linear pressure sensor”為題發表于《Science China Materials》期刊，通訊作者為鄭州大學劉春太教授、劉虎副教授和北京納米能源與系統研究所的潘曹峰研究員，第一作者是鄭州大學博士生楊文科。

原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40843-022-2418-1

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（責任編輯：xu）

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