樹枝狀PAN基碳奈米纖維修飾TPU-CBbPCNF薄膜應變感測器的構建

昆明理工大學秦亞飛J。 Mater。 Chem。 C：樹枝狀PAN基碳奈米纖維修飾柔性TPU-CB/bPCNF薄膜應變感測器的構建及應用

DOI： 10。1039/d1tc05886j

人體運動檢測和人機介面領域迫切需要能夠滿足低檢測和寬感測範圍要求的感測裝置。在此，研究者透過超聲處理成功製備了修飾有獨特樹枝/桿狀PAN基碳奈米纖維和炭黑的TPU電紡薄膜感測器。PAN基碳奈米纖維和炭黑牢固地錨定在TPU奈米纖維表面上。透過靜電紡絲、碳化和隨後的超聲波處理製備了樹枝/桿狀PAN基碳奈米纖維。測定了炭黑和樹枝/桿狀碳奈米纖維的最佳質量分數比。對修飾有樹枝/桿狀碳奈米纖維的複合膜的力學、電學效能和感測效能進行了比較研究。由於樹枝狀碳奈米纖維具有較大的縱橫比和許多額外分支，由最佳質量分數比的樹枝狀PAN基碳奈米纖維和炭黑修飾的複合薄膜顯示出優於桿狀碳奈米纖維的效能，該薄膜感測器不僅能夠分辨0。1%的微小應變，而且擁有0。1%-20%範圍內的優越線性度以及1000%的大應變水平。此外，快速響應時間（67ms）和卓越的長期耐用性（連續拉伸時間7500s）表明所設計的薄膜感測器能夠實時檢測人體運動。最後，還進行了人機互動測試。測試結果表明，本工作所研製的複合薄膜感測器具有出色的感測效能，能夠控制機械手的運動。總體而言，這種柔性薄膜應變感測器有利於促進可穿戴人體運動檢測裝置和人機介面的發展。

圖1。TPU-CB/bPCNF薄膜應變感測器製作示意圖。（a）TPU-CB/bPCNF製備概述。（b）由葉子支援的TPU-CB/bPCNF薄膜的數字影象。（c）TPU-CB/bPCNF薄膜感測器的初始狀態。拉伸（d）、彎曲（e）和扭曲（f）狀態下的TPU-CB/bPCNF薄膜感測器。

圖2。TPU-CB/bPCNF薄膜的表徵（CB 2mg/ml，PCNF 2mg/ml）：（a）TPU-CB/bPCNF薄膜的表面形貌；（b）CBs和bPCNFs的具體分佈，比例尺為9μm；（c）圖（b）的EDS對映；（d）四種薄膜的FTIR光譜。

圖3。薄膜感測器的力學效能和應變機制示意圖。（a）柔性薄膜感測器的組裝和力學效能測試過程。（b）具有不同相對bPCNF質量比的五種試樣的應變-應力曲線：CB（CB 2mg/ml）、CB/0。25bPCNF（CB 2mg/ml-bPCNF 2mg/ml）、CB/0。5bPCNF（CB 2mg/ml-bPCNF 1mg/ml）、CB/bPCNF（CB 2mg/ml-bPCNF 0。5mg/ml）和bPCNF（bPCNF 2mg/ml）。（c）五個測試物件的應變與ΔR/R

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關係圖比較。（d）TPU-CB/bPCNF薄膜應變與應力的詳細資訊；（e）薄膜感測器在0。1%-20%感測範圍內的區域性放大圖。

圖4。TPU-CB/bPCNF的（a）輕微拉伸狀態和（b）區域性放大圖，（c）大張力及其（d）細節圖，（e-g）工作機理示意圖。

圖5。TPU-CB/bPCNF薄膜感測器在0。1%-1%微小應變範圍內（a）以及50%-1000%寬範圍內（b），以10mm/min的拉伸速率進行逐步拉伸的電響應，（c）40%應變下的不同拉伸頻率，（d）所設計的感測器在2%應變下以500mm/min的拉伸速率進行拉伸的響應時間，（e）TPU-CB/bPCNF薄膜感測器在20mm/min拉伸速率下的耐久性測試（插圖為0-300s、3400-3600s和7400-7500s範圍內感測效能的詳細資訊）。

圖6。人體運動檢測的實際應用。在不同彎曲程度下對手指彎曲（a）、手腕翻轉（b）、膝蓋（c）和肘部（d）運動的電響應，（e）透過鼓起雙頰檢查施加小應變給相對電阻帶來的微小變化，（f）字母“s”和單詞“Sensor”的發音識別，（g）人機介面的應用。

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文章來源：北京永康樂業http：//www。biofabrication。cn/