隨著智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，基于纖維的柔性應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的拉伸和耐彎折性能，可與人體皮膚無縫貼合，從而實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動的實(shí)時監(jiān)測。將柔性應(yīng)變傳感器與可視化功能相結(jié)合制備的柔性可視化應(yīng)變傳感器可以更直觀的通過其顏色的變化監(jiān)測人體運(yùn)動。構(gòu)建具有低驅(qū)動電壓、溫度快速響應(yīng)、高發(fā)熱溫度、發(fā)熱穩(wěn)定的電發(fā)熱層是當(dāng)前制備優(yōu)良可視化應(yīng)變傳感器的關(guān)鍵。目前纖維基可視化應(yīng)變傳感器促使纖維變色的驅(qū)動電壓較高，而且靈敏度也較低。
基于此，西安工程大學(xué)劉呈坤教授團(tuán)隊聯(lián)合新加坡國立大學(xué)Seeram Ramakrishna團(tuán)隊通過濕法紡絲、原位聚合和超聲浸漬的方法成功地制備了納米碳粉（NCPs）/銀納米顆粒（AgNPs）@羧基化碳納米管（MWCNTs-COOH）/聚氨酯（PU）（NAMP）纖維基可視化應(yīng)變傳感器，該傳感器兼具良好的傳感性能、低電壓發(fā)熱性能和可視化功能，可用于人體健康監(jiān)測與熱療管理治療。
如圖2所示，MP纖維多孔和凹槽結(jié)構(gòu)的存在可以增加纖維的比表面積，有助于提高AgNPs和NCPs的負(fù)載量。由于NCPs的平均直徑（30 nm）小于AgNPs的平均直徑（310 nm），NCPs可以填補(bǔ)NAMP纖維上AgNPs之間的微裂紋，增加纖維的導(dǎo)電路徑數(shù)量，使導(dǎo)電通路更加完整，從而提高MP纖維的導(dǎo)電性傳感性能。
探究了不同NCPs濃度對NAMP纖維強(qiáng)力、電阻率的影響，并分析了纖維的導(dǎo)電機(jī)理（圖3a-e）。此外，測試了NAMP纖維在不同捻度、溫度和彎曲角度條件下的抗干擾性，結(jié)果表明，纖維的電阻信號幾乎不受外界因素的干擾 （圖3f-i）。
如圖4所示，制備的NAMP纖維基可視化應(yīng)變傳感器具有高靈敏度（GF=3528）、寬應(yīng)變范圍（0～107%）、快速的響應(yīng)時間（0.14s）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（超過5000次循環(huán)）。
如圖5a-f所示，NAMP纖維基可視化應(yīng)變傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測身體不同部位的運(yùn)動。此外，該傳感器既能夠在低電壓的激發(fā)下使其顏色變化迅速且可逆，0～2.5 V時纖維表面溫度從27.8 °C升高到75.2 °C，又能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸變形下的顏色變化，具有良好的可視化功能（5g, h）。
如圖6a-e所示，NAMP纖維在不同應(yīng)變和反復(fù)彎曲條件下，纖維表面溫度基本不變，表明其具有優(yōu)異的電致發(fā)熱性能和發(fā)熱穩(wěn)定性。將其以襯緯組織的形式織入針織物中，制備可調(diào)溫度的電致發(fā)熱織物，可用于人體熱管理治療和除冰（6f-h）。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和陜西省創(chuàng)新能力支持計劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110300
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