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郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队:高性能聚酰亚胺基可穿戴压力传感器
2019-11-08  来源:高分子科技

  郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队近日在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上发表了题为“Highly Compressible and Robust Polyimide/Carbon Nanotube Composite Aerogel for High-Performance Wearable Pressure Sensor”的研究论文。论文的第一作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心2018级硕士研究生陈晓玉,郑州大学刘虎副教授为本文的通讯作者。

  聚酰亚胺(PI)是一种综合性能十分优良的工程塑料,具有耐高温、耐低温、耐磨损,耐腐蚀,耐辐射,机械性能优异等特点,是一种制备高性能可穿戴压力传感器的优良基体。因此申长雨院士和刘春太教授团队选用水溶性PI前驱体(PAA),采用溶液共混-冷冻干燥-热酰胺化工艺制备出了一种质轻、高弹性、高孔隙率、耐高温的PI/CNT导电复合气凝胶。该气凝胶作为压力传感器具有宽的传感范围(80%应变,61 kPa)、超高的灵敏度(11.28 kPa-1)、超低的探测限(0.1%应变,< 10 Pa)、快速响应时间(50 ms)和恢复时间(70 ms)和优异的循环稳定性(1000个循环)。同时对于不同类型的变形(压缩、变形和弯曲)均表现出稳定的响应性能。最后,基于PI优异的耐高温特性,传感器在经过系列不同的高温退火处理后仍能表现出稳定的传感响应性能。

图1 (A)PI/CNT复合气凝胶制备过程工艺示意图;(B)PI/CNT气凝胶的SEM图。

图2  PI/CNT气凝胶的(A)FT-IR,(B)XPS和(C)Raman光谱;(D-E) PI/CNT气凝胶压缩性能研究。

图3(A-C)PI/CNT气凝胶压敏响应性能;PI/CNT复合材料气凝胶的(D)弯曲和(E)扭转响应性能;(F)不同高温处理后PI/CNT气凝胶的循环压敏响应性能。

图4 (A-C)PI/CNT气凝胶对人体生理/运动信号的监测;(D-F)PI/CNT气凝胶在柔性电子皮肤中的应用研究。

  PI/CNT气凝胶优异的可压缩性和稳定的电性能赋予稳定的传感性能,能够有效检测各种人体生理和运动信号(包括气流、脉搏和人体运动),并能够用于制备柔性电子皮肤,精确检测不同位置的应力分布。该研究对制备高性能压力传感器具有重要的指导意义。

  该项研究得到了国家自然科学基金项目 (51803191, 11572290, 11432003);中国博士后科学基金(2018M642782);河南省博士后研究基金(001801007);“111”引智计划(D18023);国家重点研发计划(2016YFB0101602)的资助。

  文章连接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b14688 

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