【清華大學&武漢理工大學：基于3D MXene柔性網絡的高性能壓力傳感器】

隨著智能可穿戴設備的日益普及，在各種復雜的應用場景中，迫切需要具有柔性的高性能壓力傳感器。現有的柔性壓力傳感器面臨一個巨大挑戰，就是在寬溫度范圍內需要保持高靈敏度，這對于它們在惡劣環境中的應用至關重要。

基于以上挑戰，清華大學南策文院士和武漢理工大學張鑫研究員等人合作，報道了一種基于三維MXene/PEI網絡的高性能柔性壓阻傳感器，適用于較寬的溫度范圍(從液氮溫度到150°C)。

PEI是一種非晶態熱塑性聚合物，具有耐高溫、優異的拉伸強度和的尺寸穩定性，在航空航天領域已經顯示出巨大的應用潛力。此外，含有醚鍵的PEI表現出極大的靈活性和可加工性，可以通過各種物理過程構建不同的微觀和宏觀結構。另一方面，新興的MXenes納米片具有金屬導電性、優異的機械強度和良好的親水性，可以承受一定的低溫(- 200℃以下)和高溫(400℃以上)，適用于在惡劣條件下應用PEI纖維網絡構建可穿戴壓力傳感器。

通過PEI的逐層靜電紡絲工藝，制備了三維MXene/PEI網絡，提高寬溫度范圍內的傳感性能。制備了類似蜘蛛網的MXene/PEI互聯3D纖維網絡，將MXene納米片涂覆在每根PEI納米線表面。這種三維MXene/PEI網絡受益于外力作用下的大變形，提高壓阻傳感器在高溫下的傳感性能。此外，在MXene/PEI網絡與柔性電極之間組裝了一層超薄PEI層作為間隔層，可以進一步增強外部變形下的導電路徑。該柔性壓阻傳感器在寬溫度范圍(從液氮到150°C)內具有優異的靈敏度、響應/恢復時間短、檢測限低、高溫下耐久性好，在人體活動、健康監測、壓力分布陣列和人機交互等方面具有潛在應用價值。

在這項工作中，研究者制備了一個三維MXene/聚醚酰亞胺網絡為基礎的高靈敏度壓阻傳感器。該傳感器在寬溫度范圍內具有超高靈敏度(在?5℃時為80 kPa?1，在室溫時為156 kPa?1，在150℃時為20 kPa?1)，9 Pa的低檢測限，163 ms的快速響應時間，長期耐久性，室溫時超過 10000 次循環、100 °C 下 2000 次循環和 ?5 °C 下 500 次循環。

壓力傳感器可以實時跟蹤不同的人類活動，檢測壓力分布，并用于人機交互。它還可以在高溫 (150 °C) 和低溫 (液氮) 下對外部機械刺激做出敏感反應。此外，纖維網絡具有良好的焦耳加熱能力，在 12 V 電壓下可達到 78 °C。因此，柔性 MXene/PEI 纖維網絡在柔性可穿戴電子設備和惡劣條件下的個人加熱系統領域內，具有廣闊的應用前景。

來源：傳感器專家網