【顶刊】:芳纶纳米纤维/MXene复合气凝胶用于压力传感器

随着智能产业的快速发展，可穿戴式传感器设备不断出现在人们生活的方方面面，包括仿生肢体、健康运动监测设备、医疗设备等，其中大部分都使人们形成了便捷、节能、智能化的健康生活方式。与此同时，高性能压力传感器在可穿戴传感器设备中发挥着至关重要的作用。然而，如何实现高传感灵敏度、超低检出限和快速响应的理想压力传感器，仍是制约其进一步应用的主要问题。因此寻找高效、可靠的可穿戴压力传感器势在必行，同时也具有挑战性。根据不同的工作机理进行分类，压力传感器有压阻式、压电式、摩擦式和电容式等多种类型。对于压阻式传感器来说，其内部结构是可控的，在不同的工作条件下电阻也可以改变。与此同时，压阻式传感器由于具有响应速度快、变形灵活等优点，在各个应用领域得到了广泛的应用。值得注意的是，气凝胶具有高孔隙率、低密度和可控三维(3D)多孔结构的优异性能，在环境处理、催化载体、绝热化合物、电磁屏蔽、储能装置等领域显示出蓬勃发展的巨大应用潜力。研究表明，气凝胶在压力传感器领域具有良好的电学性能。导电气凝胶以其便携性、实时监测和可靠的可回收性，实现了其在压力传感器中的实用价值。

近期，陕西科技大学的张美云教授和杨斌工程师在国际知名学术期刊ACS Nano上发表一篇题目为：Highly Compressible, Thermally Stable, Light-Weight, and Robust Aramid Nanofibers/Ti3AlC2 MXene Composite Aerogel for Sensitive Pressure Sensor的研究论文，在这项工作中，报道并演示了一种很有前途的用于压阻式传感器的MXene/ ANFs气凝胶，其具有3D分层、砂浆砖多孔结构和25 mg/cm3的超低密度。本研究选择具有优异力学性能的ANFs和纠缠ANF网络作为骨架材料和抗氧化保护层，以弥补MXene脆性不理想、压缩回弹性差和有氧化倾向的不足。相应地，MXene为该功能气凝胶提供独特导电性。研究了MXene/ANFs气凝胶的微观结构、多孔结构的调节机制、电性能以及对不同压力的感知性能。本文还监测了气凝胶对人体不同运动行为的实时感知。MXene/ANFs气凝胶传感器作为一种多功能压阻式传感器，具有良好的机械性能、隔热性能和灵敏的传感性能，在人体运动监测甚至极端条件下的传感领域显示出巨大的应用潜力。

图1. MXene/ANFs气凝胶传感器制备工艺图。

图2. MXene和ANFs的内部结合导致了MXene/ANFs气凝胶的最终电阻。

图3. 不同质量比的MXene/ANFs复合气凝胶在不同放大倍数下的SEM图像。

图4.ANFs/MXene复合气凝胶的多孔结构及调节机理示意图。

图5.MXene/ANFs气凝胶的力学性能。

图6. MXene/ANFs气凝胶具有优异的绝热性能。

图7. MXene/ANFs气凝胶的压阻性能。

图8. 30 wt% MXene/ANFs气凝胶传感器分别用于监测人体附着在脚后跟和肘部时的行为。

总之，通过可控的真空过滤和冷冻干燥等可行工艺成功地制造了具有高可压缩性，出色的绝热性能和灵敏感测性能的MXene/ ANFs气凝胶，这为实现可扩展的生产提供了可能性。随着MXene用量的增加，气凝胶阻力会大大下降，直至达到30 wt％含量，这具有由定向的冰晶生长构成的优选的均匀且叠层的多孔3D结构，可实现高达1000倍的高压缩回弹性，并且ANF和MXene之间的紧密连接提供强大的机械强度以承受外部压力。该传感器在200℃的高温下，可以长时间保持超高的保温性能，不会出现任何破坏现象。众所周知，复合物传感器具有明显的传感特性。关于这一点，30 wt％ MXene/ANFs气凝胶对各种频率（0.2-0.8 Hz）和不同检测范围（压缩应变为2.0-80.0％）的不同压缩表现出高度敏感的传感特性（128 kPa-1），超低检测极限（100 Pa），快速响应时间（320 ms），并且在去除压力期间没有滞后现象（恢复时间为98 ms）。令人惊讶的是，气凝胶保持了灵敏的传感特性，可以检测到人类在被踩踏后的正常跳绳、行走甚至奔跑等运动，电信号稳定，并提供实时反馈。MXene/ANFs气凝胶具有优异的综合性能，特别是高灵敏度的传感性能和优异的热稳定性，在人类行为监测传感器和极端条件下的传感中具有巨大的应用潜力。