前言

敏感和多功能应变传感器因其广泛的可能应用而成为各种技术领域最近研究的焦点，例如健康监测和人体运动检测、生物参数监测、电子皮肤在实际应用中，高灵敏度和宽传感范围被认为是评估传感器性能的最重要指标。高灵敏度要求对小刺激有大的响应，以检测细微的生理信号。大运动的检测要求传感器有大的应变范围。为了制造高综合性能的应变传感器，人们通常使用高精度3D打印和预拉伸等复杂方法。然而，这些方法通常不能在高设备要求和严格工艺的下使用。因此，有必要设计一种简单可控的高灵敏度、宽传感范围的新型应变传感器。

研究内容

沈阳航空航天大学的研究人员提出了一种基于MXene薄膜和尼龙织物封装油墨的新型应变传感器的制备方法。在这项研究中，MXene板之间的连接强度通过引入油墨而得到增强，从而可以通过喷涂技术制造应变传感器。该方法简单、成本低，满足大规模生产的需要。作者采用溶液共混法，通过改变MXene /油墨复合材料的配比、浓度、超声时间和涂层厚度，使MXene分散在油墨中。有效解决了传统传感器在复合材料中形成缺陷的问题。此外，MXene/油墨纳米复合材料渗透阈值的确定为传感网络的形成提供了最佳参考。基于网络结构MXene/油墨的预制应变传感器具有超高的灵敏度(GF为170.9)、宽且可调的传感范围(高达29.7 %)和优异的循环稳定性(超过2950个循环)。

实验方法

制备MXene/油墨纳米复合材料的关键因素是MXene在油墨中的分散性。向二甲基亚砜(DMSO)中加入干燥的MXene粉末，并在室温下搅拌(200转/分钟)MXene/DMSO混合物10分钟。用磁力搅拌器，然后超声分散混合物10分钟。(80 W)并确保MXene完全分散在DMSO中。将不同质量的油墨逐渐滴入MXene/油墨中，搅拌2 h (200转/分钟)。然后通过超声波将混合物分散30分钟。(80 W)。最后，将所得的置于100℃的真空烘箱中30分钟。移除多余的二甲基亚砜。利用MXene/油墨混合物作为传感元件组装MXene/油墨应变传感器。首先将尼龙织物薄膜基材裁剪成合适的尺寸(20毫米× 50毫米)。应变传感器采用喷涂技术通过特定模具制造。以一致的速度和印刷角度将MXene/油墨溶液(9重量%)印刷到尼龙织物上。然后将印刷好的产品放入烘箱中，在100℃下保持20分钟，。最终产品连接两条10间距的电线，以满足进一步的测试要求。

MXene/墨水传感器制备示意图。

MXene/油墨应变传感器的照片。

不同方案的比较:固化时间、脱落面积、粘度；薄膜厚度和导电性之间的关系。

MXene/ink传感器在5%至15 %应变下的静态应变响应。

结论

研究人员研制了一种基于MXene/ink复合材料的高灵敏度、宽传感范围的应变传感器。通过喷涂技术可以获得大面积的柔性、可拉伸的MXene/油墨。高性能应变传感器可以通过在尼龙织物上装饰高导电性的MXene/油墨复合材料来方便地制造。在扫描电镜图像中可以清晰地观察到由重叠和微裂纹组成的导电网络，包括连续的导电通道和隧道效应。与不同含量的传感器相比，MXene/油墨传感器在刚刚超过渗透阈值(4重量%)时具有更高的灵敏度，良好的导电网络使MXene/油墨应变传感器具有优异的电性能，9%重量的MXene混合物印刷在耐磨设备用尼龙织物上。单调拉伸试验表明，该传感器的传感范围为0-29.7%，GF可达170.9，应变与应变呈高度线性关系的电阻变化率为0.986。此外，在20 %的应变下，2950次循环后具有优异的循环稳定性。由于其出色的传感性能，该传感器可以成功检测人体运动，如手指和肘部的弯曲，并监控生理信号，如血压。所设计的MXene/ink应变传感器在新型柔性多功能传感器领域显示出广阔的应用前景。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112304。