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華靜課題組在多年粒子/橡膠表界面的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了靜電自組裝法制備高靈敏應(yīng)變傳感器用于復(fù)雜環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用，取得了新進(jìn)展和突破。傳感器的穩(wěn)定性和極端環(huán)境耐用性處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

近年來，由于具有良好的可拉伸性，柔性應(yīng)變傳感器在工業(yè)制造和日常生活中受到了廣泛關(guān)注。提升柔性傳感器的靈敏度和可靠性一直是實(shí)際應(yīng)用所迫切需要的。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能與MXene進(jìn)行靜電自組裝的多壁碳納米管，制備出導(dǎo)電雜化填料，然后通過液相共混實(shí)現(xiàn)了在彈性基體丁基橡膠的良好分散，最終制備出具備高效的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。組裝導(dǎo)電填料是由一維棒狀結(jié)構(gòu)和二維片狀結(jié)構(gòu)自組裝所得到的，在具有較大的電子傳輸通道的同時(shí)又有豐富的接觸位點(diǎn)，克服了單填料體系在聚合物基體中由于接觸位點(diǎn)少所造成的導(dǎo)電體系不發(fā)達(dá)的缺點(diǎn)。組裝導(dǎo)電填料在聚合物基體中形成了非常發(fā)達(dá)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。得益于這種特殊的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，傳感器表現(xiàn)出非常高的靈敏性(GF=35137)和可靠性(循環(huán)1萬次以上)。同時(shí)，傳感器具有寬檢測(cè)范圍(0-431%)和優(yōu)異的穩(wěn)定性，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、低溫下均可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感功能。傳感器的制備為如何提高柔性傳感器的靈敏度和可靠性提供了解決思路，在可穿戴智能電子領(lǐng)域、健康檢測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖1. 柔性應(yīng)變傳感器制備過程圖

所設(shè)計(jì)的基于不同種填料靜電自組裝得到的具有獨(dú)特的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的傳感器將會(huì)為復(fù)雜環(huán)境下的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)提供思路。

圖2 應(yīng)變傳感器對(duì)各種人體活動(dòng)的響應(yīng)模式。(A)面部運(yùn)；(B)眨眼；(C)手指彎曲；(D)伸直彎曲的肘部；(E)屈膝；(F)手腕彎曲；手指在不同環(huán)境下彎曲(G)低溫0℃；(H)耐高溫45℃；(I)70%濕度。

更多信息請(qǐng)參見 Composites Science and Technology（中科院一區(qū)TOP，IF=9.1）期刊上“Electrostatically self-assembled three-dimensional conductive network for highly sensitive and reliable skin-like strain sensor”為題發(fā)表的論文（DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110493）。第一作者為青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生李圣凱，博士湯健，通訊作者為華靜教授，劉金慧副教授。此研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中石化的支持。