輕薄型取向碳納米纖維膜的應(yīng)變傳感性能

閆 濤， 潘志娟

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021； 2. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215123)

具有高柔性及可牽伸性的導(dǎo)電材料是制備柔性智能可穿戴電子器件的關(guān)鍵，可廣泛應(yīng)用于柔性電子皮膚、智能服裝、人機(jī)交互等領(lǐng)域。目前，將多種導(dǎo)電材料以不同的結(jié)構(gòu)和方法與彈性基體進(jìn)行復(fù)合來設(shè)計(jì)電阻型柔性應(yīng)變傳感器，其中導(dǎo)電納米材料主要有碳基納米材料[1](碳納米管、石墨烯、炭黑納米顆粒、碳納米纖維(CNF))、炭化棉/絲織物[2-4]、金屬納米線/顆粒[5-6]、導(dǎo)電聚合物[7-8](聚苯胺、聚吡咯)、二維金屬碳/氮化物材料[9]等；彈性基體主要有聚氨酯(TPU)[10]、聚二甲基硅氧烷(PDMS)[11]、硅橡膠[12]等；由導(dǎo)電材料形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括膜結(jié)構(gòu)(有序堆疊、均勻分散)、纖維/紗線結(jié)構(gòu)(包覆沉積、皮芯結(jié)構(gòu))、織物結(jié)構(gòu)、凝膠、海綿結(jié)構(gòu)等[1]。與傳統(tǒng)的金屬及半導(dǎo)體傳感器相比，由上述材料制備的傳感器的柔韌性顯著提高，且具有較高的敏感性及應(yīng)變范圍。

CNF因制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可大量制備而被廣泛關(guān)注，但碳納米材料間具有較強(qiáng)的π-π鍵，致使粉末狀CNF難以在彈性基體中均勻分散，CNF膜(CNFM)、紗線及其織物成為制備傳感器的理想結(jié)構(gòu)。由于碳材料的本質(zhì)脆性，基于碳納米纖維紗線及其織物的傳感器的應(yīng)變范圍受到很大的限制[13-14]，而CNFM在牽伸過程中可通過滑移、裂紋等變形賦予傳感器高的應(yīng)變能力。例如：Ding等[15]將CNFM嵌入高彈性TPU基體中設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器，其最大應(yīng)變達(dá)到300%，但是其敏感系數(shù)較低，且穩(wěn)定性較差，同時(shí)由于CNFM的厚度較大，難以監(jiān)測(cè)微小形變。Wang等[16]對(duì)超薄型靜電紡絲素納米纖維進(jìn)行炭化處理并嵌入PDMS基體中開發(fā)高敏感、高透明性壓敏應(yīng)變傳感器，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)0.8～500 Pa范圍壓力的精確監(jiān)測(cè)，且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和較短的響應(yīng)時(shí)間，可用于電子皮膚，但其不能承受大的牽伸形變，難以對(duì)人體運(yùn)動(dòng)等大尺寸形變信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本文以聚丙烯腈、石墨烯、TPU為原料，利用靜電紡絲法制備取向聚丙烯腈/石墨烯復(fù)合納米纖維膜，經(jīng)過預(yù)氧化及炭化處理制備超薄型CNFM，并通過鑄膜轉(zhuǎn)移的方法制備透明的CNFM/TPU柔性應(yīng)變傳感器。通過討論CNF的取向、CNFM的厚度及寬度、牽伸方向等對(duì)傳感器性能的影響規(guī)律及特點(diǎn)，開發(fā)超薄型高應(yīng)變/高敏感柔性應(yīng)變傳感器，為CNFM在電子皮膚、智能服裝中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚丙烯腈(PAN,分子質(zhì)量為150 00 g/mol, 百靈威科技有限公司)；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，分析級(jí)，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；單層石墨烯(片徑為0.5～5 μm，厚度約為0.8 nm，單層率為80%，南京先豐納米材料科技有限公司)；聚氨脂(TPU,德國(guó)拜耳公司)；鋅箔紙(厚度為10 μm，清河縣昊軒金屬材料有限公司)；導(dǎo)電銀膠(美國(guó)SPI公司)；銅絲(直徑為0.1 mm，泰州市潤(rùn)德金屬材料有限公司)。

1.2 碳納米纖維膜的制備

用GL224I-1SCN電子天平(精度為0.1 mg，奧多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)稱取一定量的石墨烯，并向瓶中滴定DMF溶劑，在室溫下用HJ-6A磁力攪拌器(金壇市金南儀器制造有限公司)進(jìn)行初步分散，時(shí)間為20 min；隨后利用SB5200D超聲波清洗機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)進(jìn)行分散處理，超聲波處理時(shí)間為3.5 h；再稱取一定量PAN粉末添加到石墨烯分散液中，并攪拌至完全溶解得到PAN/石墨烯紡絲液。紡絲前再次進(jìn)行超聲波處理，時(shí)間為3.5 h。該溶液中PAN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，石墨烯與PAN的質(zhì)量比為1∶100。

利用單針靜電紡絲機(jī)及包覆鋅箔紙的高速旋轉(zhuǎn)滾筒制備取向型PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維膜，滾筒直徑為76 mm；在離針尖20 mm處安裝紙質(zhì)圓盤，其厚度和直徑分別為5和70 mm，保證紡絲狀態(tài)的穩(wěn)定性。紡絲工藝參數(shù)為：紡絲距離300 mm，紡絲電壓18 kV，紡絲流量1 mL/h。環(huán)境條件為：相對(duì)濕度小于30%，溫度為(25±2) ℃。本文主要探討了紡絲滾筒轉(zhuǎn)速(在200、400、600、800、1 000 r/min的條件下紡絲20 min)及紡絲時(shí)間(在800 r/min的條件下紡絲10、15、20、25、30、45 min)對(duì)PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維膜性能的影響。

利用KSL-1200X-J馬弗爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)在空氣氛圍中對(duì)PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維膜進(jìn)行預(yù)氧化處理，預(yù)氧化升溫速率為2 ℃/min，升溫至270 ℃ 保溫1.5 h；再將預(yù)氧化后的復(fù)合納米纖維膜(包含鋅箔紙)放置于帶凹槽的石墨板中，槽深度為1 mm，并用另一塊石墨板進(jìn)行夾持，隨后將其放置于GSL-1750X-KS高溫爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)中，在高純氬氣、1 100 ℃條件下炭化3 h，升溫速率為5 ℃/min。鋅箔紙?jiān)谔炕^程中蒸發(fā)，進(jìn)而獲得完整的超薄型純碳納米纖維膜(CNFM)。

1.3 柔性傳感器的制備

首先，用刀片按一定寬度及方向?qū)NFM進(jìn)行剪切，并利用2根銅絲將其固定于載玻片上，通過導(dǎo)電銀膠將銅絲與CNFM連接形成電極；隨后，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的TPU/DMF溶液初步將CNFM浸潤(rùn)并貼附于載玻片上，以防包覆過程中因TPU溶液界面張力撕裂CNFM；然后，在CNFM表面滴定一定質(zhì)量的TPU溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)，并利用銀針將其均勻平鋪于載玻片上，通過熱風(fēng)進(jìn)行干燥處理；在常溫下靜置2 d后，對(duì)聚氨酯基體進(jìn)行剪裁，獲得工字型柔性應(yīng)變傳感器。CNFM的剪裁寬度分別為5、7、10 mm，2個(gè)電極間距為40 mm，工字型中間段長(zhǎng)度為20 mm，寬度與CNFM寬度相同。

圖1為2.25 g TPU溶液封裝寬度為7 mm的CNFM制備的傳感器實(shí)物圖。CNF的取向方向平行于傳感器的牽伸方向，該傳感器厚度為135 μm左右，具有良好的透光性，可清晰顯示被覆蓋的圖案和文字，封裝后的傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性及可牽伸性，在多次彎曲及扭轉(zhuǎn)條件下傳感器沒有損傷。

實(shí)施地下水超采綜合治理是一項(xiàng)艱巨復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及節(jié)水、調(diào)水、挖潛、治污、管理等多項(xiàng)措施，堅(jiān)持突出重點(diǎn)、綜合施策、強(qiáng)力推進(jìn)，重點(diǎn)在“節(jié)、引、蓄、調(diào)、管”五個(gè)方面下功夫、做文章、要效益。

圖1 傳感器實(shí)物圖Fig.1 Physical image of sensor

1.4 碳納米纖維膜的結(jié)構(gòu)及性能測(cè)試

利用Hitachi S-4800冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對(duì)纖維的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并利用Image Pro Plus 5.0軟件對(duì)纖維的直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。使用非織造纖維取向系統(tǒng)獲得PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維的取向度[17]，計(jì)算公式為

式中，∑Ak為第k個(gè)電鏡圖中80°～100°取向纖維的百分比總和。

利用S600耶拿二極管陣列紫外可見分光光度計(jì)(德國(guó)耶拿公司)對(duì)不同厚度的CNFM進(jìn)行透光率分析，選擇光波波段為300～700 nm。

利用F15B型FLUKE數(shù)字萬用表(福祿克測(cè)試儀器(上海)有限公司)測(cè)量CNFM的電阻值。

1.5 傳感器的性能測(cè)試

利用Instron 3365電子強(qiáng)力儀(美國(guó)Instron 公司)控制傳感器的牽伸應(yīng)變范圍及速率，并記錄傳感器的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，兩夾持端口的距離為20 mm。用CHI-760E型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)記錄傳感器在往復(fù)循環(huán)拉伸過程中的電流隨時(shí)間的變化曲線，所用的穩(wěn)定電壓為1 V。測(cè)試中設(shè)置電流值的變化時(shí)間間隔(由電化學(xué)站系統(tǒng)控制)與應(yīng)變?nèi)≈档臅r(shí)間間隔(由電子強(qiáng)力儀控制)相同，隨后通過整合電流-時(shí)間關(guān)系和應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系獲得電阻-應(yīng)變關(guān)系曲線，分析傳感器的傳感性能。應(yīng)變傳感器的靈敏系數(shù)(GF)計(jì)算公式[14]為

式中：R0和ΔR分別為傳感器的初始電阻和電阻的相對(duì)變化，Ω；L0和ΔL分別為傳感器的夾持原始長(zhǎng)度及長(zhǎng)度的相對(duì)變化，mm；ε為傳感器的夾持長(zhǎng)度變化率，%。

將傳感器貼附于脈搏處，監(jiān)測(cè)人體連續(xù)快速深蹲運(yùn)動(dòng)1 min前后心率的變化，研究傳感器對(duì)人體生理信息的監(jiān)測(cè)能力；再將傳感器固定于食指第2節(jié)關(guān)節(jié)處，監(jiān)測(cè)手指彎曲程度，研究傳感器對(duì)人體肢體運(yùn)動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)能力；最后將傳感器近距離放置于音響的正前方，但不貼附于其表面，播放不同頻率(1、1.4、2.5 Hz)的單一音頻，研究傳感器對(duì)聲波振動(dòng)的監(jiān)測(cè)能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米纖維膜的性能分析

圖2示出不同轉(zhuǎn)速條件下PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡照片，其纖維直徑及取向度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

圖2 不同轉(zhuǎn)速條件下PAN/石墨烯 復(fù)合納米纖維膜的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of PAN/graphene composite nanofiber membranes under different rotational speeds

圖3 不同轉(zhuǎn)速下PAN/石墨烯復(fù)合 納米纖維的直徑及取向度Fig.3 Diameter and alignment of PAN/graphene composite nanofibers under different rotational speeds

從圖2可以看出，PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維的直徑均勻，沒有珠狀物存在。在滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，納米纖維的直徑為(263±68) nm；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到400 r/min時(shí)，由于納米纖維受到更大的牽伸力，納米直徑減小到(225±45) nm;隨轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，纖維在獲得進(jìn)一步牽伸前已卷繞于滾筒上，故直徑變化不大。納米纖維的取向度隨接收滾筒轉(zhuǎn)速的增加而增加(見圖3)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min后，取向度增加不明顯且取向度較好，此時(shí)取向度為61.3%，因此選用該取向度下制備的纖維膜制備傳感器。經(jīng)后續(xù)炭化處理后CNF的直徑顯著減小，其平均直徑在110 nm左右，但CNFM的結(jié)構(gòu)和尺寸沒有發(fā)生顯著變化，完整的輕薄型CNFM在無支撐的條件下可飄浮于空氣中，并以緩慢的速度下落。

圖4示出不同紡絲時(shí)間下制備的不同厚度的CNFM的透光率。在接收滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min，紡絲時(shí)間從10 min增加到45 min時(shí)，CNFM的厚度由0.8 μm逐漸增加到3.9 μm，透光率從48%下降到5%。對(duì)寬度為10 mm，不同紡絲時(shí)間下CNFM的電阻進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著CNFM厚度的增加，其電阻從3.82 kΩ減小到0.33 kΩ。

2.2 柔性傳感器性能分析

利用在紡絲時(shí)間為20 min，滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min條件下制備的CNFM設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器，其中SNFM的寬度為7 mm，CNF的取向平行于牽伸方向。圖5(a)示出該應(yīng)變傳感器的牽伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，應(yīng)變傳感器第1個(gè)牽伸循環(huán)曲線與隨后的曲線有輕微的不同，但后續(xù)的牽伸循環(huán)曲線具有較高的重復(fù)性，有利于提高應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性。在15個(gè)應(yīng)變牽伸循環(huán)后，應(yīng)變傳感器在10%應(yīng)變時(shí)斷裂強(qiáng)度從0.364 MPa下降到0.344 MPa，這主要是由于CNFM中部分CNF斷裂后不能恢復(fù)及TPU膜的塑性形變?cè)斐傻摹?/p>

圖5 應(yīng)變傳感器的傳感性能Fig.5 Sensing performance of strain sensor. (a) Cyclic stress-strain curve; (b) Curve of strain and relative change in resistance; (c) Cyclic curves of strain and relative change in resistance under strain of 10%

應(yīng)變過程中傳感器的相對(duì)電阻變化(ΔR/R0)是評(píng)價(jià)傳感器敏感性的重要指標(biāo)。圖5(b)示出應(yīng)變傳感器應(yīng)變與相對(duì)電阻變化曲線。結(jié)果表明,該應(yīng)變傳感器能夠承受超過10%的應(yīng)變，并展現(xiàn)出優(yōu)異的線性關(guān)系，線性度達(dá)到0.996，靈敏系數(shù)為32.19，該值顯著高于傳統(tǒng)的金屬及半導(dǎo)體基應(yīng)變傳感器。圖5(c)示出應(yīng)變傳感器在20 mm/min的應(yīng)變速率、10%的循環(huán)應(yīng)變條件下的傳感性能。結(jié)果顯示,該傳感器具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

本文研究了當(dāng)CNF的取向與應(yīng)變傳感器的牽伸方向相同時(shí)，CNFM的厚度與寬度、CNF的取向度對(duì)傳感性能的影響。圖6(a)示出不同紡絲時(shí)間的CNFM應(yīng)變傳感器的性能。CNFM的厚度隨著紡絲時(shí)間的增加而增加。應(yīng)變傳感器的應(yīng)變范圍隨著CNFM紡絲時(shí)間的增加先增加后減小，在紡絲時(shí)間為30 min時(shí)達(dá)到最大，為70%。這是由于當(dāng)CNF的數(shù)量增加時(shí)，CNF間的交叉重疊度提高，致使CNF之間的接觸點(diǎn)增加，在牽伸過程中CNFM導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)承受CNF滑移形變的能力提高，CNF逐漸斷裂，形成的裂紋多而小，所以其應(yīng)變范圍增加；但隨CNFM厚度的進(jìn)一步增加，纖維間的作用力增強(qiáng)，牽伸過程中CNFM裂紋數(shù)量減小，但端口更加整齊，所以應(yīng)變傳感器的應(yīng)變能力減小。隨CNFM厚度的增加其敏感系數(shù)先減小后增加。當(dāng)CNF逐漸斷裂時(shí)，在相同的應(yīng)變條件下，CNFM的相對(duì)電阻變化較小，所以敏感系數(shù)降低；當(dāng)CNFM表面的裂紋突然增加，致使其在較小的應(yīng)變范圍內(nèi)電阻發(fā)生較大的變化，敏感性提高。此外，隨CNFM厚度的增加，傳感器的初始電阻有減小的趨勢(shì)，有利于提高傳感器的敏感性。

圖6 不同條件下應(yīng)變傳感器的 應(yīng)變與相對(duì)電阻變化曲線Fig.6 Curves of strain and relative change in resistance under different conditions. (a) Different electrospun times; (b) Different rotational speeds; (c) Different width of CNFM

圖6(b)示出具有不同轉(zhuǎn)速的CNFM應(yīng)變傳感器的性能。滾筒的轉(zhuǎn)速越高，CNF的取向度越高。分析可知，隨著CNF取向度的增加，傳感器的應(yīng)變范圍先減小后增加。這主要是因?yàn)镃NF的取向度隨滾筒轉(zhuǎn)速的提高而增加，在相同的應(yīng)變條件下CNF在軸向所受的牽伸力提高，更容易斷裂，進(jìn)而使CNFM傳感器的應(yīng)變范圍減小，而高取向的CNF之間的相互交叉纏結(jié)現(xiàn)象減小，有利于CNF的滑移，可提高CNFM傳感器的應(yīng)變范圍。CNF取向度的提高減小了在2個(gè)電極間單根CNF的長(zhǎng)度，有利于減小CNF在牽伸方向的初始電阻，在相同的應(yīng)變條件下可形成更大的相對(duì)電阻變化，進(jìn)而提高傳感器的敏感性。

圖6(c)示出不同寬度的CNFM應(yīng)變傳感器的性能?？芍?，傳感器的應(yīng)變范圍隨CNFM寬度的增加而增加。原因是隨著寬度的增加，CNFM完全斷裂需要更大的形變。然而由于CNFM的輕薄性，致使其在傳感器的制備過程因受TPU溶液界面張力而撕裂的可能性提高，使傳感器的制備難度增加。

圖7示出紡絲時(shí)間為20 min，紡絲轉(zhuǎn)速為800 r/min條件下制備的CNFM應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感性能，其中CNFM的寬度為7 mm，CNF的取向方向垂直于應(yīng)變傳感器的牽伸方向。當(dāng)CNF取向方向垂直于牽伸方向時(shí)的應(yīng)變傳感器的應(yīng)變能力(>80%)顯著高于CNF取向平行于牽伸方向時(shí)的應(yīng)變能力(<15%，見圖5(b))。但該應(yīng)變傳感器在小于80%的應(yīng)變條件下敏感系數(shù)僅為3.7，顯著低于CNF取向與牽伸方向相同的應(yīng)變傳感器的敏感系數(shù)(32.19)。這是因?yàn)镃NF取向垂直于牽伸方向時(shí)，CNF極易發(fā)生彎曲形變，不會(huì)形成明顯的裂紋，導(dǎo)電路徑?jīng)]有發(fā)生顯著變化；在應(yīng)變超過80%時(shí)，部分?jǐn)嗔腰c(diǎn)的斷口突然增大，導(dǎo)致傳感器自身的電阻發(fā)生劇烈變化，敏感性顯著提高。該結(jié)果表明，取向碳納米纖維膜的應(yīng)變傳感性能存在顯著的各向異性。

圖7 CNF取向方向垂直于牽伸方向時(shí) 傳感器的應(yīng)變與相對(duì)電阻變化曲線Fig.7 Strain and relative resistance curves of sensor when orientation direction of CNF is perpendicular to drawing direction

圖8示出CNFM在應(yīng)變過程中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化?？芍?當(dāng)CNF取向方向與牽伸方向平行時(shí)，CNFM形成明顯的裂紋效應(yīng)，且隨應(yīng)變的增加，裂紋的寬度增大，直至在垂直于牽伸方向上形成完整的裂紋，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)失去作用；當(dāng)CNF取向方向與牽伸方向垂直時(shí)，垂直形態(tài)的CNF逐漸發(fā)生傾斜和彎曲，且少量的CNF發(fā)生斷裂，直至傳感器失效,CNFM沒有形成顯著的裂紋。該機(jī)制分析印證了二者傳感性能的差異。

2.3 傳感器的應(yīng)用

利用紡絲時(shí)間為20 min，滾筒轉(zhuǎn)速為800 r/min，寬度為7 mm，取向方向與牽伸方向平行的CNFM探討其在人體運(yùn)動(dòng)信息、生理信息以及其他領(lǐng)域的形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用,其性能如圖9所示。

圖8 牽伸過程中不同應(yīng)變下CNFM的結(jié)構(gòu)變化Fig.8 Structural change of CNFM during stretching at different stress.(a) Orientation direction of CNF is parallel to stretching direction; (b) Orientation direction of CNF is perpendicular to stretching direction

圖9 傳感器的實(shí)際應(yīng)用性能Fig.9 Practical application performance of sensor. (a) Pulse before and after exercise; (b) Bending of index finger; (c) Sound waves with different frequency

圖9(a)示出人體連續(xù)快速深蹲運(yùn)動(dòng)1 min前后傳感器的相對(duì)電阻變化。結(jié)果表明,運(yùn)動(dòng)后脈搏的跳動(dòng)頻率從75 次/min增加到116次/min，且運(yùn)動(dòng)后相對(duì)電阻變化值增大，說明運(yùn)動(dòng)后心跳速度和強(qiáng)度同時(shí)提高。圖9(b)示出手指連續(xù)彎曲過程中電阻相對(duì)變化。結(jié)果表明,傳感器對(duì)關(guān)節(jié)的大尺寸彎曲展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。圖9(c)示出聲波振動(dòng)時(shí)傳感器的相對(duì)電阻變化。結(jié)果表明，傳感器的信號(hào)跳動(dòng)與聲音的頻率相同，并隨聲波頻率的增加逐漸加快，但信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，這是因?yàn)閭鞲衅髟诎l(fā)生應(yīng)變后電阻需要一定的時(shí)間才能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，而后續(xù)的聲波促使其保持形變狀態(tài)，但在聲波停止后傳感器電阻依舊能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)。以上結(jié)果表明，該柔性超薄型應(yīng)變傳感器能夠?qū)Σ煌潭鹊男巫冞M(jìn)行監(jiān)測(cè)，在柔性可穿戴領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

本文利用靜電紡絲法制備不同取向的PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維膜，隨后對(duì)其進(jìn)行預(yù)氧化及炭化處理，獲得具有高透光性的輕薄型碳納米纖維膜(CNFM)，并以此設(shè)計(jì)柔性應(yīng)變傳感器。探討了CNFM的厚度、寬度、CNF的取向?qū)鞲衅餍阅艿挠绊?，分析牽伸方向與CNF的取向平行或垂直時(shí)的傳感特點(diǎn)，得到如下結(jié)論。

1)隨接收滾筒轉(zhuǎn)速的提高，PAN/石墨烯復(fù)合納米纖維的直徑先減小，在滾筒轉(zhuǎn)速增加到400 r/min后直徑基本保持穩(wěn)定；同時(shí)納米纖維的取向度逐漸增加，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加到800 r/min時(shí)達(dá)到61.3%，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速取向度增加不明顯。隨著紡絲時(shí)間的延長(zhǎng)，CNFM的厚度逐漸增加，透光率下降，在紡絲時(shí)間為10 min時(shí)，CNFM的厚度僅為0.8 μm，透光率達(dá)到48%。

2)當(dāng)傳感器的牽伸方向與CNF的取向方向平行時(shí)，隨CNFM厚度的增加，傳感器的應(yīng)變范圍先增加后減小，敏感系數(shù)則先減小后增加，傳感器的制備難度減??；隨著CNF取向度的增加，傳感器的應(yīng)變范圍先減小后增加，敏感系數(shù)先增加后減??；隨CNFM寬度的增加，傳感器的應(yīng)變范圍增加，敏感系數(shù)減小，傳感器制備難度提高。

3)與傳感器的牽伸方向平行于CNF的取向方向相比，2個(gè)方向垂直時(shí)傳感器的應(yīng)變范圍顯著提高，但敏感系數(shù)減小，以此可開發(fā)出性能各異的傳感器。該傳感器可感知脈搏跳動(dòng)、聲波振動(dòng)等微小形變，也可監(jiān)測(cè)肢體關(guān)節(jié)彎曲等大的應(yīng)變，在電子皮膚、智能紡織品等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。