前言

能够产生与机械应变相关的电响应信号(电阻或电容型)的应变传感器有望用于人体运动检测。它们的特性包括灵敏度(规格系数(GF))、拉伸性(应变范围)、稳定性(耐久性)、简单性和制造成本。在这些特性中，灵敏度和伸展性对于任何类型的响应信号都很重要。虽然已经为制造应变传感器付出了很大努力，但是这些特性很难同时获得。尽管具有极高的灵敏度，但传统的金属或无机半导体应变传感器不适用于人体运动检测，因为其较差的拉伸性(< 5%)不适用于人体运动应变(例如，关节运动> 50 %)。因此，必须彻底研究应变传感器，以获得优选的性能，特别是实现灵敏度和拉伸性之间的平衡。

研究内容

太原理工大学的研究人员研究了一种基于碳纳米管和SBS夹层复合材料的应变传感器，这种传感器以前很少报道。SBS是热塑性弹性体的代表，具有优异的柔韧性、高耐磨性和良好的耐久性。SBS/碳纳米管/SBS夹层复合材料具有良好的灵敏度(GF > 160)和拉伸性(> 50 %)，这是由于SBS具有良好的柔韧性和内部碳纳米管网络的导电性。这些特征使得该复合物适用于人体运动监控。

实验方法

将SBS (6.0克)溶解在36毫升氯仿中，形成SBS溶液(0.167克/毫升)，然后将其平均分成3份，编号为#1、#2和#3。首先将#1溶液浇铸到聚四氟乙烯板上，并干燥以形成SBS基材。将计算量的由浓酸预处理的碳纳米管加入到#2溶液中。将混合物磁力搅拌24小时，然后脱气0.5小时。在此期间，观察到少量沉积物。之后，将混合物浇铸到之前的SBS基材上，形成中间层。在中间层完全干燥之前，在中间层的两端植入两根铜线。最后，将#3溶液浇铸到中间膜上并干燥以形成SBS/CNT/SBS (SCS)夹层应变传感器。传感器尺寸约为50毫米(长)×10毫米(宽)×0.5毫米(高)。中间SBS层中的碳纳米管浓度控制在1.0、3.0、5.0、8和10重量%，相关的夹层式应变传感器分别命名为SCS1、SCS3、SCS5、SCS8和SCS10。

夹层式复合材料合成流程示意图。

SBS和SCS复合材料的红外光谱；SBS和SCS复合材料的热重曲线。

SBS、碳纳米管/SBS共混复合材料和SCS复合材料的应力-应变曲线。

用于检测人体运动的SCS5复合应变传感器:(a)手腕弯曲；(b)手弯曲；(c)肘部弯曲；(d)膝盖弯曲；(e)手指弯曲和(f)喉咙吞咽。

结论

溶液浇铸法制备的三明治型SCS复合材料具有良好的灵敏度和拉伸性。一个与实验数据有效匹配的理论模型证实了SCS5复合材料的导电性主要取决于碳纳米管接触和电子隧穿的协同效应。未来的模拟工作应集中在聚合物基体中碳纳米管网络的调制，特别是精确调节传感膜的初始电阻。还应研究具有不同丁二烯/苯乙烯比例的其他类型的SBS，因为软部分/硬部分的比例对于嵌段聚合物的机械性能至关重要，并且对导电填料的分散有影响。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112357。