核壳结构弹性导电纤维在力学传感器上的应用

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       基于人体仿生学的一些基本现象，人体关节脱臼或错位后经过适当医疗处理能够复原。这种结构包括了较软的人体皮肤组织结构和较硬的骨骼结构。在复原过程中两者都起到了至关重要的作用。其中皮肤组织尤其以自愈合性给予仿生材料设计更进一层的灵感。沙特阿卜杜拉国王科技大学　（ＫＡＵＳＴ）周剑 博士 （现加州大学戴维斯分校项目科学家），徐雪珠博士（现加州大学戴维斯分校博士后）和Gilles Lubineau 教授以这种基本结构为蓝图，设计了电阻可回复型电极。这种复合电极以导电层和包覆层为基本组成部分。导电层选择碳纳米管为该结构的核心，充当“骨骼”的作用，可变形范围小。在前期的研究中，该课题组在弹性材料包覆碳纳米管集合体的制备以及传感器高性能化等方面取得了新突破。前期成果发表在 《Nanoscale》《ACS Applied Materials & Interfaces》上。 周剑博士提出了材料“碎片化”概念来控制材料的拉伸比，制得了具有高灵敏度的弹性传感器。 此关键技术为将碳纳米管材料应用于纳米级传感领域开拓了新的发展空间。

图1. 核壳结构导电弹性纤维的制备与表征高导电性和可拉伸的纤维是可穿戴电子设备的重要组成部分。

       这种纤维需要优异的导电性，拉伸性和可织造性。现有技术满足这些设计要求中仍然表现出一定的局限性。为了解决上述关键问题，周剑博士利用同轴湿法纺丝和后处理方法相结合的方式，制备了热塑性弹性体包裹的碳纳米管纤维并将其用于高性能应变传感器。这一成果近期发表在《Advanced Functional Materials》上，题目为“Coaxial Thermoplastic Elastomer-Wrapped Carbon Nanotube Fibers for Deformable and Wearable　Strain Sensors”。该论文第一作者为周剑博士，第二作者为徐学珠博士，通讯作者为Gilles Lubineau教授。当纤维拉伸超过其裂纹应变时，纤维碎裂并形成高密度的裂纹。在应变传感过程中，破裂碎碳纳米管纤维网络起着关键的传感功能，而热塑性弹性体的涂层提供电绝缘功能和高度拉伸性能。基于同轴导电纤维的应变传感器具有以下优点：

（1）加工方法简单，绿色可靠，与现有纺织工业技术有很强的兼容性与可扩展性；

（2）所得电极与文献报到的柔性导体相比将具有电导率高、可以承受大拉伸形变、可机洗、使用寿命长等优点；

（3）所得力学传感器灵敏度高，可拉伸性高，线性度高；

（4）热塑性弹性体能防止短路，确保器件安全运行。

       目前的研究表明，该同轴导电纤维可以在可变形和可穿戴的电子设备中找到广泛的应用。该技术的重要利益之一是制备过程是完全连续的和可扩展的。这种策略可以扩展到其他导电材料，例如碳纳米材料，金属纳米颗粒和导电聚合物，为下一代可变形和可穿戴设备提供另一种方法。