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中國(guó)科學(xué)院Ranran Wang課題組--Ti3C2Tx MXene-石墨烯復(fù)合膜用于高靈敏度和大范圍線性響應(yīng)的可穿戴應(yīng)變傳感器
        目前迫切需要具有高靈敏度和大范圍線性響應(yīng)的應(yīng)變傳感器。在本文中,我們介紹了自發(fā)形成的Ti3C2Tx/石墨烯/PDMS分層結(jié)構(gòu),拉伸后可分為兩層:Ti3C2Tx為主的脆性上層和柔性石墨烯/PDMS復(fù)合底層。通過(guò)上層和下層的協(xié)同運(yùn)動(dòng)破壞和維持導(dǎo)電路徑之間的平衡,確保了傳感器在寬應(yīng)變范圍內(nèi)具有較高且穩(wěn)定的應(yīng)變系數(shù)(例如,應(yīng)變范圍為0–52.6%和52.6–74.1%時(shí)應(yīng)變系數(shù)為190.8和1148.2)。基于Ti3C2Tx/石墨烯/PDMS分層結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器還具有低檢測(cè)限(~0.025%)、高線性度(R2> 0.98)、高循環(huán)穩(wěn)定性(超過(guò)5000個(gè)循環(huán))和對(duì)全方位人體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確監(jiān)控。瑜伽中不同的呼吸模式得到了區(qū)分,以證明該傳感器的實(shí)用性。
 
Figure 1. a)Ti3C2Tx/石墨烯應(yīng)變傳感器的制造示意圖;b)多層石墨烯和c)Ti3C2Tx的TEM圖像;d)多層石墨烯和e)Ti3C2Tx膜的俯視SEM圖像。

 
Figure 2. a)Ti3C2Tx/G0.1、b)Ti3C2Tx/G 0.25、c)Ti3C2Tx/G 0.5、d)Ti3C2Tx/G 0.67的俯視SEM圖像;Ti3C2Tx/G 0.5薄膜通過(guò)膠帶刮下e)一層和f)兩層的頂視圖SEM圖;g)完整的Ti3C2Tx/G 0.5膜的元素映射;從h)一層和i)兩層膠帶上刮下的Ti3C2Tx/G0.5膜的元素映射。
 

Figure 3. 基于Ti3C2Tx/石墨烯/PDMS應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感特性:a)基于Ti3C2Tx/G0.5/PDMS應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻變化-應(yīng)變曲線;b)基于Ti3C2Tx/石墨烯/PDMS應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻變化-應(yīng)變曲線;c)(b)中曲線在0-10%應(yīng)變范圍內(nèi)的再現(xiàn);d)應(yīng)變傳感器在0.025%-10%的逐步增加應(yīng)變下的電流信號(hào);e)應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的實(shí)時(shí)電流-時(shí)間曲線;f)在10%應(yīng)變下,應(yīng)變傳感器在各種頻率下的電流變化;g)40%應(yīng)變下的循環(huán)耐久性測(cè)試;h)在40%應(yīng)變下特定拉伸/釋放循環(huán)的相對(duì)電阻-應(yīng)變曲線
 

Figure 4. 基于Ti3C2Tx/石墨烯/PDMS應(yīng)變傳感器在初始拉伸/釋放周期中以各種應(yīng)變拉伸的俯視SEM圖像:(a-c)0%、(d-f)10%、(g-i)30%、(j-l)70%,(m-o)0%。
  
 
Figure 5. a–f)當(dāng)應(yīng)變傳感器拉伸到70%時(shí),Ti3C2Tx/G0.5/PDMS結(jié)構(gòu)的EDS元素映射;g)在各種拉伸狀態(tài)下基于Ti3C2Tx/G0.5/PDMS結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器的示意圖。

 
Figure 6. Ti3C2Tx/石墨烯應(yīng)變傳感器的電流信號(hào)用于監(jiān)控a)手指彎曲,插圖:手指彎曲到相應(yīng)位置的數(shù)碼照片;b)開(kāi)口和c)發(fā)聲;d)人體模型示意圖;記錄了在e)瑜伽中的呼吸模式下的電流信號(hào);f)脈沖;g)慢步和跳躍。
 
        相關(guān)研究成果于2019年由中國(guó)科學(xué)院Ranran Wang課題組,發(fā)表在Nano Energy(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104134)上。原文:Ti3C2Tx MXene-graphene composite films for wearable strain sensors featured with high sensitivity and large range of linear response。
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