ACS Nano螺旋纱线用于超弹可拉伸导线及应变传感器
发布:2020-03-31 09:42:31 来源:互联网 评论:0 点击:
本文导读:随着柔性电子技术的发展,微电子设备逐渐摆脱传统概念上冰冷、刚性,沉重的印象,以可穿戴、超柔性、可集成等新的面貌走入我们的日常生活。
本文关键字:螺旋纱线
随着柔性电子技术的发展,微电子设备逐渐摆脱传统概念上冰冷、刚性,沉重的印象,以可穿戴、超柔性、可集成等新的面貌走入我们的日常生活。其中可拉伸可穿戴的电子器件,包括各种导体和传感器,因其具有重量轻、灵活性高、易于集成到功能设备或纺织品上等特点,在智能电子、人机交互、软体机器人等领域开辟了广阔的应用前景。然而通过赋予传统的刚性导体或半导体材料以可变形的微观结构制备的柔性器件,因其有限的形变能力的限制,难以满足柔性高拉伸性能的要求。而通过使用软导电材料如离子水凝胶或将导电离子液体、液态金属封装到弹性聚合物中制备的弹性电子材料,由于稳定性易受化学和环境的影响,限制了它们的持久应用。如何改善导电材料自身的脆性弱点,设计在承受大应变后仍能保持优异的力电性能的器件,成为了柔性电子发展过程中亟待解决的问题。
图1.多尺度缠绕互锁结构的碳纳米管(CNTs)/聚氨酯(PU)螺旋纤维
如图1所示,作者制备了缠绕互锁结构的CNTs/PU螺旋纤维。在取向的PU纳米纤维基底上均匀喷涂CNTs分散液,通过加捻至过捻状态,得到了具有多尺度螺旋结构的CNTs/PU纤维。CNTs在加捻过程中紧密包覆于纤维内部,形成三明治结构的CNTs/PU复合结构,极大提升了材料的结构稳定性。
图2.材料在三种不同结构下的力学性能
该工作对不同纤维形态下(有序纤维膜、一级捻纤维束、螺旋状纤维)的力学性能进行了表征及有限元模拟。拉伸状态下纤维膜的拉伸颈缩现象,纤维束的拉伸变细和螺旋纤维的解螺旋形态直接决定了它们的拉伸应变性能。多尺度螺旋纤维相比于其他形貌的纤维具有强度和应变的双重优势。涂覆的CNTs提升了材料的力学强度,且在多级结构的协同作用下,螺旋纤维可拉伸至自身17倍。
图3.CNTs/PU螺旋纤维在500%拉伸、180o弯曲及720o扭转的形变下保持优异的力电稳定性及高度可回复性能。
基于上述螺旋结构的超弹性能及其表面缠绕互锁的CNTs导电网络,螺旋纤维在承受不同程度的形变时,能保持优异的力电一体性。在500%拉伸,180o弯曲及720o扭转的形变-回复循环测试中,螺旋纤维的结构与电学性能在形变释放后都展现出高度的可回复性能。优异的力电性能使得CNTs/PU螺旋纤维可作为大应变下保持高度稳定性的导线使用。在PU弹性螺旋基底的主导作用下,应变释放后,表面CNTs导电网络产生的裂纹可重新搭接形成新的导电网络,因此即便对螺旋纤维施加900%的大应变,其仍能回复到拉伸前原有的螺旋结构。
图4.CNTs/PU螺旋纤维作为人体运动监测传感器
由于CNTs/PU螺旋拥有优异的电阻拉伸-回复性能及对应变的高灵敏度,在调节螺旋纤维内CNTs含量后,可将其作为传感器覆于皮肤表面可以用于对人体的运动进行监测。此外通过将不同的电纺基底材料与客体导电材料复合,可普适性制备各种各样的一维螺旋纤维,这为新一代柔性可穿戴电子的构筑提供了新的思路。
参考文献
GaoY,GuoF,CaoP,etal.Winding-LockedCarbonNanotubes/PolymerNanofibersHelicalYarnforUltra-StretchableConductorandStrainSensor.ACSNano2020,14,3442.
全文链接:
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b09533
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