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鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊:高性能聚酰亞胺基可穿戴壓力傳感器
2019-11-08  來源:高分子科技

  鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊近日在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上發表了題為“Highly Compressible and Robust Polyimide/Carbon Nanotube Composite Aerogel for High-Performance Wearable Pressure Sensor”的研究論文。論文的第一作者為鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心2018級碩士研究生陳曉玉,鄭州大學劉虎副教授為本文的通訊作者。

  聚酰亞胺(PI)是一種綜合性能十分優良的工程塑料,具有耐高溫、耐低溫、耐磨損,耐腐蝕,耐輻射,機械性能優異等特點,是一種制備高性能可穿戴壓力傳感器的優良基體。因此申長雨院士和劉春太教授團隊選用水溶性PI前驅體(PAA),采用溶液共混-冷凍干燥-熱酰胺化工藝制備出了一種質輕、高彈性、高孔隙率、耐高溫的PI/CNT導電復合氣凝膠。該氣凝膠作為壓力傳感器具有寬的傳感范圍(80%應變,61 kPa)、超高的靈敏度(11.28 kPa-1)、超低的探測限(0.1%應變,< 10 Pa)、快速響應時間(50 ms)和恢復時間(70 ms)和優異的循環穩定性(1000個循環)。同時對于不同類型的變形(壓縮、變形和彎曲)均表現出穩定的響應性能。最后,基于PI優異的耐高溫特性,傳感器在經過系列不同的高溫退火處理后仍能表現出穩定的傳感響應性能。

圖1 (A)PI/CNT復合氣凝膠制備過程工藝示意圖;(B)PI/CNT氣凝膠的SEM圖。

圖2  PI/CNT氣凝膠的(A)FT-IR,(B)XPS和(C)Raman光譜;(D-E) PI/CNT氣凝膠壓縮性能研究。

圖3(A-C)PI/CNT氣凝膠壓敏響應性能;PI/CNT復合材料氣凝膠的(D)彎曲和(E)扭轉響應性能;(F)不同高溫處理后PI/CNT氣凝膠的循環壓敏響應性能。

圖4 (A-C)PI/CNT氣凝膠對人體生理/運動信號的監測;(D-F)PI/CNT氣凝膠在柔性電子皮膚中的應用研究。

  PI/CNT氣凝膠優異的可壓縮性和穩定的電性能賦予穩定的傳感性能,能夠有效檢測各種人體生理和運動信號(包括氣流、脈搏和人體運動),并能夠用于制備柔性電子皮膚,精確檢測不同位置的應力分布。該研究對制備高性能壓力傳感器具有重要的指導意義。

  該項研究得到了國家自然科學基金項目 (51803191, 11572290, 11432003);中國博士后科學基金(2018M642782);河南省博士后研究基金(001801007);“111”引智計劃(D18023);國家重點研發計劃(2016YFB0101602)的資助。

  文章連接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b14688 

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(責任編輯:xu)
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