导电可拉伸应变传感器综述外文翻译资料

 2022-12-30 11:12

导电可拉伸应变传感器综述

Jianwen Chen,ab Qunli Yu,a Xihua Cui,b Mengyao Dong,cd Jiaoxia Zhang,ceChao Wang,f Jincheng Fan,g Yutian Zhu *a and Zhanhu Guo

由于可拉伸应变传感器在各种新兴领域（例如人体运动检测，健康监测，可穿戴电子设备和柔软的机器人皮肤）中的潜在应用，因此对可拉伸应变传感器的需求不断增长。最近，基于柔性导电聚合物复合材料（FCPC）的应变传感器

由导电材料和可拉伸弹性体组成的材料由于其高拉伸性，良好的柔韧性，出色的耐用性，可调节的应变感测行为以及易于加工而受到了广泛的关注。在这里，我们系统地总结了基于FCPC的可拉伸应变传感器的最新进展。这篇综述涵盖了分类和传感机制，以及多个因素对基于FCPC的应变传感器的传感行为的影响，并附有详细的示例。

  1. 简介

导电聚合物复合材料（CPC），由绝缘聚合物基体和导电材料组成，例如碳纳米材料（例如，炭黑（CB），1-3个碳纳米管）（CNTs），4–9碳纤维（CF），10–12 石墨13–15和石墨烯（GE）16–22），纳米金属（例如，纳米线，23–25和纳米粒子26–31）或本征导电聚合物（例如，聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS），32-35聚吡咯（PPy）36,37和聚苯胺（PANI）38-40）由于其良好的性能而受到广泛关注可加工性，成本效益，可调节的电性能以及广泛的应用范围。41–43CPC的电导率在很大程度上取决于导电材料的浓度。超过临界浓度（称为导电渗漏阈值），可以在整个过程中形成导电网络聚合物基质，可以实现CPC的绝缘体/导体过渡。44导电渗透阈值可以通过以下公式估算：45

其中s是CPC的电导率，r是导电材料的质量分数，r c是导电渗透阈值，t是与CPC中的导电网络尺寸有关的关键指数。46–49

发现CPC的电阻随聚合物基质内部导电网络的演化而变化。29,50–52当CPC受到某些外部环境刺激时，例如应变，53–58温度，59–64 蒸气，65–68或液体11导电网络可能会发生变化，从而导致CPC的电阻发生相应的变化。因此，CPC可用作通用传感器来监视施加的外部刺激。在各种传感器中，基于CPC的应变传感器由于其新兴的应用而引起了极大的兴趣，例如人体运动检测，69,70健康诊断，71,72可穿戴电子设备，73-75和电子皮肤。76

要用作各种应用的智能应变传感器，出色的可拉伸性，出色的柔韧性，宽广的感应范围和高灵敏度是必不可少的要求。为了满足可拉伸性和柔韧性的要求，弹性体包括聚二甲基硅氧烷（PDMS），10,77–79橡胶（例如天然橡胶（NR），80和异戊橡胶（IR）81），热塑性弹性体（例如热塑性聚氨酯（TPU），14,82-84烯烃嵌段共聚物（OBC），85和聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）（SBS）4,52,86），以及天然聚合物或产品，87由于它们的柔韧性，可拉伸性和耐用性，它们通常用作可拉伸应变传感器的基质或基材。与金属或半导体制成的应变传感器相比，基于柔性导电聚合物复合材料（FCPC）的可拉伸应变传感器在可拉伸性，柔性，环境稳定性和可加工性方面具有显着优势。因此，基于FCPC的可拉伸应变传感器越来越受到学院和行业的关注。

到目前为止，已发表的CPC复审论文主要集中在其电气特性和CPC的应用上。例如，Pang等。41b系统总结了填料类型，主体聚合物和分散方法对所得CPC的电性能的影响。邓等。88全面审查了各种方法，以调整CPC的电性能及其在各个领域的应用。最近，谢等人。89回顾了利用相形态（例如分离形态和共连续形态）改善CPC的电学性质的最新进展。只有很少数量的评论论文专注于应变传感。

本文旨在概述基于FCPC的可拉伸应变传感器的应变传感性能的类别，传感机制和影响因素。该评论文件的组织方式如下。首先，基于柔性聚合物基体和导电组件的复合模式对基于FCPC的应变传感器进行分类。在本节中，系统总结了每种基于FCPC的应变传感器的最新进展。其次，说明了各种基于FCPC的应变传感器的应变响应机制。第三，总结和讨论了基于FCPC的可拉伸应变传感器的应变传感性能的一系列影响因素。最后，简要讨论了基于FCPC的可拉伸应变传感器的结论和未来展望。

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a 材料化学与化学工程学院，

杭州师范大学余杭塘路2318号

杭州市余杭区，311121 电子邮件：ytzhu@hznu.edu.cn

b 高分子物理化学国家重点实验室，

中国科学院长春应用化学研究所

长春130022

c田纳西大学化学与生物分子工程系集成复合材料实验室（ICL），诺克斯维尔，田纳西州37996，

美国。电子邮件：zguo10@utk.edu

d 材料加工与模具重点实验室（郑州大学）

教育部国家高级工程研究中心

郑州大学聚合物加工技术，郑州

e 江苏科技大学材料科学与工程学院

科技，镇江，中国

f 中北大学材料科学与工程学院

太原030051

g 长沙理工大学材料科学与工程学院

科技，长沙410114

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  1. 基于FCPC的可拉伸应变传感器的类别

已经开发出多种复合模式以将柔性聚合物和导电组分结合在一起以产生应变感测材料。基于合成模式和所得应变传感器的配置，基于FCPC的应变传感器可以大致分为三种类型：（1）填充型基于FCPC的应变传感器，（2）三明治型基于FCPC的应变传感器，以及（3）基于FCPC的吸附式应变传感器。这些不同的应变传感器具有不同的微观结构，因此表现出明显不同的传感性能。本节将讨论每种基于FCPC的应变传感器的制备方法，特征，代表性研究以及优缺点。

  1. 基于填充式FCPC的可拉伸应变传感器

填充型FCPC的应变传感器通常通过将导电填料（尤其是含碳导电填料）通过熔融混合或溶液混合直接分散到柔性聚合物基体中来制造。通常，由于导电填充剂和聚合物颗粒在一定温度下干混，然后热压或挤出以生产样品，因此熔融混炼由于其简单性而易于在生产中按比例扩大。溶液混合通常可以通过分散填料并通过超声或剪切将聚合物溶解在溶剂中，然后浇铸均质的溶液并热固化以获得导电聚合物复合材料，从而产生具有更好的导电填料分散性的CPC。

对于填充型FCPC，需要在绝缘聚合物基体中添加相对较高的导电填料，以实现绝缘体/导体的过渡，这导致高杨氏模量，低挠性，复杂的加工以及材料的高成本。90–92例如，Mattmann等。93通过熔融共混和挤压成型，基于填充有CB的热塑性弹性体制备应变传感器。已经发现，仅当CB的含量增加到50wt％时，应变传感器在拉伸过程中才会表现出电阻随应变的单调变化。但是，高CB含量导致脆性复合材料，这在传感应用中是不可接受的。因此，已开发出许多策略来降低渗透阈值并提高CPC的电导率。在过去的几年中，采取了一些策略，例如提高填料的分散性，使用混合填料12、51、80、98-100来增加94-97的长径比填料或设计新颖的分层结构（例如双重渗透结构，为了降低CPC的渗透阈值，已经应用了4,85,101,102分离结构55,103,104和多孔结构105,106）。例如，Costa等。95研究了不同表面活性剂对CNT /三嵌段共聚物苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS）复合材料的电导率和应变传感行为的影响。他们发现，通过添加合适的表面活性剂作为CNT的分散剂，可以显着提高所得CNT / SEBS复合材料的电导率和应变敏感性，这可以减小SEBS基体中CNT附聚物的尺寸。郑等。107如图1所示，通过将CB和CNT分散到PDMS矩阵中，基于CB / CNT / PDMS FCPC制备了可拉伸应变传感器。桥接和重叠的混合CNT-CB结构赋予可拉伸应变传感器良好的导电性，应变感应范围（约300％应变），出色的重复性和出色的耐用性（在200％应变下为2500次循环）。此外，哦等。99在PDMS矩阵中设计了一种混合碳纳米管-石墨烯（CNT-GE）结构，并制备了仅包含少量导电填料的应变传感器。与CNT / PDMS或GE / PDMS复合材料相比，杂化CNT / GE / PDMS复合材料具有更高的电导率。对于具有导电填料和聚合物的二元共混物的FCPC，填料随机分布在聚合物基体中。结果，这种类型的FCPC通常显示出较小的应变系数（GF，定义为：（DR / R）/ e），尤其是在较小的应变下。56,57为了解决这个问题，Pu等。85b在OBC矩阵中设计了多壁碳纳米管（MWCNT）的2D端到端接触导电网络，即使在5％的应变下也显示出248的高GF，并且在整个应变范围内都具有线性电阻响应（图2 ）。

为了改善FCPC的电性能，研究人员通常使用导电纳米材料的表面改性来改善纳米材料在聚合物基质中的分散性。矛盾的是，导电纳米材料的表面改性也可能降低导电纳米材料的电导率，这可能抵消纳米材料分散性改善的贡献。此外，选择大的长径比的纳米材料作为导电填料将不仅导致复杂的合成过程，而且导致纳米材料在聚合物基质中的分散困难。结果，一些更复杂的层次结构也被用来降低渗透阈值并增强FCPC的应变敏感性。例如，108），即，导电填料选择性地位于共连续聚合物共混物的一个相中以建立渗透的导电网络，已经被用于降低CPC的渗透阈值。例如，Duan等。101比较了基于TPU和OBC的二元和三元复合材料的应变传感行为。他们发现，具有共连续相结构的三元复合材料具有较低的渗滤阈值和较高的应变敏感性。构建了由连续GE导电网络组成的新型双互连网络，以设计高度可拉伸且灵敏的应变传感器。102具体来说，通过简单而有效的组装方法制造了具有双互连结构的丁二烯苯乙烯橡胶（SBR）/ NR-GE复合材料，其中GE均匀地分散在NR相内部以形成导电网络。 3a。观察到，SBR / NR-GE的渗滤阈值比GE均匀分散的SBR / NR / GE复合物的渗滤阈值低12倍（图3b）。有趣的是，所制造的应变传感器还表现出良好的可拉伸性和灵敏度（图3c）。此外，王等。104通过纤维素纳米晶体辅助的胶乳组装方法，对天然橡胶复合材料的渗透导电网络进行了定制，并获得了高度灵活的应变传感器（图4A的顶部图像）。由NR颗粒隔离的CNT / NR复合材料内部的渗透3D导电网络可以使应变传感器具有非常低的电导渗透阈值（比常规CNT / NR复合材料低4倍），良好的可重复性以及高灵敏度。哦，等。105设计了一种基于多孔CNT / PDMS复合材料的可拉伸压力不敏感应变传感器，方法是使用基于溶液的全过程，如图4B所示。发现该传感器对应变表现出很高的灵敏度，并且对压力的响应可以忽略不计，可用于检测关节运动并区分剪切应力和法向压力。Wang等。106通过简单且经济高效的湿纺方法制备了基于CNT / TPU的多孔纤维状应变传感器。该应变传感器具有超宽的响应范围（320％）和快速的响应时间（200 ms）。

尽管基于填充型FCPC的应变传感器具有明显的优势（例如低成本和大规模生产），但它们也有许多缺点。例如，既有粘弹性又有滞后现象。聚合物之间的相互作用以及填料与聚合物之间的相互作用通常会导致动态加载时不可逆的传感性能。而且，这种类型的应变传感器的高填充物负荷也可能影响应变灵敏度，特别是对于小应变下的应变灵敏度。结果，基于填充型FCPC的应变传感器更适合于检测诸如人类关节运动之类的大应变。

图1（a）基于CB / CNT / PDMS FCPC的应变传感器的制造示意图。（b）PDMS矩阵中混合CNT-CB导电网络的示意图。黑色球和蓝色棒分别代表CB和CNT。红色圆圈表示复合材料中混合导电网络的三种不同接触方式，即CNT–CNT，CNT–CB和CB–CB接触。（c）D R / R 0作为所施加应变的函数，速率为10 mm min 1。插图

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