深圳大学设计灵敏纳米探针（重庆大学成功制备出具有零温度电阻系数的可穿戴应变传感器）

成果简介

几乎没有研究开发具有零温度电阻系数（TCR）的可穿戴应变传感器，这对于克服温度干扰问题至关重要。本文，重庆大学李元庆教授、付绍云教授等研究人员在《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“Direct ink writing of a graphene/CNT/silicone composite strain sensor with a near-zero temperature coefficient of resistance”的论文，研究通过简便的直接墨水书写技术成功地制备了高度可拉伸的石墨烯纳米片（GNP）/碳纳米管（CNT）/有机硅弹性体（GCE）纤维。制备的GCE 纤维由分别具有负温度系数 (NTC) 和正温度系数 (PTC)的CNT和GNP组成。

结果，通过调节CNTs和GNPs的质量比得到的GCE纤维显示出接近零的TCR（1.14 × 10 -4℃）， 与文献报道的值相比是最低的。此外，与之前报道的数据相比，GCE应变传感器具有最高的灵敏度（100%应变的规格因子 (GF) = 14550.2），工作范围宽（1到100%），检测限低（1% 应变） )、快速响应时间 (170 ms) 和高耐用性 (10 000 次循环后)。此外，GCE 应变传感器在包括长期储存和潮湿/水暴露在内的外部条件下表现出出色的电气稳定性。最后，在水和高温条件下检测各种人体运动，以展示 GCE 应变传感器出色的传感性能和响应稳定性。

图文导读

图1、 (a) GCE 纤维的DIW工艺示意图。(b) GNPs和(c) CNTs 的SEM图像。(d) 显示 GCE 纤维横截面的SEM图像。(e) XRD 图案和 (f) CNT、GNP、有机硅弹性体和 GCE 纤维的拉曼光谱。(g) 有机硅弹性体和 GCE 纤维的 FTIR 图案和 (h) TGA 结果。(i) GCE 纤维的光学图像，显示其在高达 300% 应变下的出色拉伸性。

图 2 、(a) GCE 纤维的电阻率作为混合 GNP/CNT 填料中 GNP 质量比的函数。(b) 当温度从 25°C 升高到 100°C 时 GCE 纤维的 RCR。(c) 将制备的 GCE-20 纤维的 TCR 与以前的作品进行比较。(d) GCE-20 光纤的 RCR，当温度从 25°C 升高到 100°C 并在 100°C 下保持 15 分钟时。(e) 示意图显示了具有接近零 TCR 的 GCE-20 光纤的机制。

图3、 (a) GCE 应变传感器的 RCR 作为施加应变的函数。(b) GCE 应变传感器的应变传感机制。(c) GCE 应变传感器的 GF 值和应变范围与之前报道的那些工作的比较。

图4、 GCE 应变传感器的应变传感特性

图5、 (a) 长期存储的 GCE 应变传感器的电稳定性。(b) 相对湿度和 (c) 水对 GCE 应变传感器的 RCR 响应的影响。

图6、 GCE应变传感器的应用演示

小结

在这项研究中，我们开发了一种 DIW 组装方法，通过将 GNP/CNT 混合填料加入到有机硅弹性体中来制造纤维形应变传感器。所提出的纤维形 GCE 应变传感器表现出超过 300% 的可容忍应变、高灵敏度（100% 应变，GF = 14550.2）和高耐用性（10 000 个循环）。重要的是，所得应变传感器具有接近零的 TCR (1.14 × 10 -4°C）通过优化 CNTs 与 GNPs 的质量比，可以对环境温度变化保持优异的机电稳定性。此外，GCE应变传感器还表现出良好的长期环境稳定性和防水特性，是实际工程应用迫切需要的。最后，展示了包括检测人体运动和智能手套在内的各种可穿戴应用，以展示制造的纤维形应变传感器的潜在应用。

文献：

https://doi.org/10.1039/D2TC00918H