大连理工：MWCNT和rGO共修饰弹性包芯纱设计，用于柔性应变传感器

成果简介

为了降低柔性应变传感器的检测限，提高其工作范围，本文，大连理工大学化工学院陈友汜等研究人员在《J. Appl. Polym. Sci》期刊发表名为“Design of MWCNTs and rGO co-decorated elastic core-spun yarn towards multifunctional flexible strain sensor with low detection limit and wide working range”的论文，研究报道了一种多壁碳纳米管（MWCNTs）和还原氧化石墨烯（rGO）共同修饰的多功能包芯纺纱柔性应变传感器（CGY FSS）。

研究发现，MWCNT和rGO之间的良好贴合使传感器具有较高的工作范围（>300%），而包芯纱的螺旋结构使其对非常微小的变形（0.1%）敏感。为了提高其动态耐久性，使用了聚多巴胺（PDA）来改善纱线和导电材料之间的界面结合力，这确保了传感器在10%的应变下进行10000次拉伸循环测试时能传导稳定的电信号。这些特点使其适用于人体运动检测和结构健康监测。此外，由于碳材料表面有丰富的羧基，并采用了聚合物基的纱线，CGY FSS也显示出对水蒸气和丙酮气体的良好反应性。可以设想，这种准备好的应变传感器在智能设备的应用中显示出多种反应机制的巨大潜力。

图文导读

图1、CGY FSS应变传感器的制造工艺.

图2、（a） 包芯纱线的侧面和 （b） SEM 图像的横截面。（c） 纺纱PDA@core的表面形态，以及（d） CGY FSS。（e） 用PDA和碳材料覆盖前后包芯纱线的FTIR光谱。（f） PDA和碳材料包覆前后包芯纱线的应力-应变曲线

图3、（a） 用不同层MWCNT/rGO覆盖的FSS的ΔR/R0应变曲线。（b） 用不同层MWCNT/rGO覆盖的FSS的抗性。（c） 不同还原时间的三层MWCNT/rGO涂层FSS的Δ R/R 0应变曲线。（d） 不同还原时间的FSS的抵抗力。

图4、（a） 不同应变范围下Δ R/R 0-应变的拟合曲线。在（b）0%，（c）10%，（d）50%，（e）100%，（f）280%拉伸应变和（g）拉伸过程中纱线模型图下CGY FSS的表观形貌

图5、（a）不同应变下CGY FSS的I-V曲线。（b） 拉伸模式下CGY FSS的响应速度。（中-e）不同拉应变下CGY FSS的循环响应行为（f） CGY FSS在阶梯应变和恢复过程中的响应行为。（g） 不同拉伸速率循环拉伸试验下CGY FSS的阻力响应。CGY FSS在（h）增量周期和（i）周期增量测试下的电阻变化。（j） 在10%的应变下进行10000次拉伸循环测试。（k） 文献中报道的CGY FSS与FSSS之间的性能比较。

图6、通过使用CGY FSS检测各种人体运动，包括（a）发声，（b）吞咽，（c）手指弯曲，（d）脉搏跳动，（e）肘部弯曲，（f）腿部弯曲和（g）手腕弯曲。

图7、传感器对水蒸气、气流和有机溶剂的响应能力

小结

综上所述，成功制备了MWCNTs和rGO共修饰包芯纱，研制出柔性可拉伸应变传感器GCY FSS。为了改善纱线与导电碳材料的相互作用，在CGY FSS的中间层引入了PDA，保证了稳定的输出电信号和动态耐久性。通过将一维MWCNT和二维rGO作为导电材料相结合，我们能够制造出具有低检测限（0.1%）和大工作范围（>300%）的CGY FSS。在10000次的拉伸或弯曲试验中，传感器的ΔR/R0的峰值保持不变，显示了CGY FSS良好的抗疲劳性。CGY FSS对不同应变具有良好的可靠性和响应灵敏度，适用于玻璃钢结构的人体运动检测和健康监测。此外，碳材料固有的湿度传感特性为CGY FSS在水蒸气和呼吸监测方面提供了潜在的应用。本工作制备的导电纤维状传感器在智能器件应用中显示出广阔的应用前景。

文献：

https://doi.org/10.1002/app.54288