液態(tài)金屬/SEBS 超柔性纖維狀摩擦電傳感器的制備與性能研究

牛力恒　何宇　張葉軻　劉宇清

摘要：采用熱拉伸工藝制備可拉伸的彈性體負載橢圓形中空通道的纖維，并在纖維中加載液態(tài)金屬作為柔性電極。本文研究了這種多功能纖維在拉伸、壓縮等變形條件下的傳感性能和摩擦電性能。拉伸傳感性能顯示出高度線性的電阻變化率和靈敏度，而壓縮傳感性能具有高方向性和穩(wěn)定性。摩擦電性能研究表明，該傳感器能夠通過摩擦產(chǎn)生電荷輸出，具備穩(wěn)定的電輸出性能。進一步探究了傳感器內(nèi)部電極通道變化的機理，通過仿真模擬傳感器的工作原理。這種多功能傳感器具有廣泛的應用潛力，可用于傳感、能量轉(zhuǎn)換和自供電系統(tǒng)等領域。

關鍵詞：柔性傳感器；導電纖維；摩擦電；可穿戴；自供電

中圖分類號：TS195.644??? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）02-0041-09

A Study on Preparation and Performance of Liquid Metal/SEBSSuper Flexible Fiber Friction Electrical Sensor

NIU Liheng，HE Yu，ZHANG Yeke，LIU Yuqing

（School of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou Jiangsu 215127， China）

Abstract：A stretchable elastomer loaded elliptical hollow channel fiber is prepared using a hot stretching pro- cess， and liquid metal is loaded into the fiber as a flexible electrode. This study demonstrates the excellent sens- ing and triboelectric properties of this multifunctional fiber under deformation conditions such as stretching and compression. The stretching sensing performance exhibits a highly linear rate of resistance change and sensitivi- ty， while the compression sensing performance exhibits high directionality and stability. Research on frictional electrical performance shows that the sensor can generate charge output through friction and has stable electrical output performance. The study also explores the mechanism of electrode channel changes within the sensor， and makes the working principle of the sensor through simulation understood better. This multifunctional sensor has broad application potential and it can be used in fields such as sensing， energy conversion， and self powered sys- tems.

Key words：flexible sensor; conductive fibers; friction electricity; wearable; self-powered

近年來，基于可穿戴的柔性傳感技術在健康監(jiān)控[1]、人機交互[2]、虛擬現(xiàn)實[3]和運動輔助[4]等領域受到廣泛關注。同時，隨著電子元件尺寸變小和性能提升，電子配件可直接集成在人們的衣物和身體上來檢測由關節(jié)彎曲產(chǎn)生的身體應變。[5，6]

然而傳統(tǒng)電池體積龐大、舒適度低以及環(huán)境問題大大限制了其在可穿戴設備中的應用。因此，研究出各種能量收集技術和自供電系統(tǒng)是當下主要解決辦法之一?？衫熳怨╇妭鞲衅鞑粫`人體，并且可以在高應變水平下保持結(jié)構(gòu)的完整性[7，8]。目前，研究人員已經(jīng)探索了各種導電材料和制備方法，設計出兼具低電阻和高拉伸性的自供電纖維。“預制件－熱拉伸”法是從光纖制造領域遷移到紡織領域的纖維制造新方法，有其獨特的方法優(yōu)勢，適用于多材料纖維的制備[9-11]。

本文提出了一種具有同軸結(jié)構(gòu)的多功能導電纖維。首先使用熱拉伸工藝制造高度可拉伸的彈性體中空纖維，然后將液態(tài)金屬加載到纖維中以用作柔性電極。使用這些簡單的方法，可以連續(xù)大規(guī)模地制備可拉伸的液體金屬纖維傳感器。纖維傳感器可以將材料的各種機械形變轉(zhuǎn)換成電信號來檢測拉伸和壓縮變形，具有理想的靈敏度和耐用性[12]。當復合纖維作為 TENG 時可通過靜電感應將機械能轉(zhuǎn)換成電能，且具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率。SEBS是以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線性三嵌共聚物，是一種熱塑性彈性體，是具備超彈性纖維的理想材料[13]。液態(tài)金屬具有良好的電學性能、低溫流動性、極低的揮發(fā)性和幾乎可忽略的毒性，受到廣大學者的關，其因低熔點和高導電性，非常適合作為可拉伸電極[14-16]。

1實驗

1.1原料

SEBS：母粒 YH-688，中國石化巴陵石化公司；鎵銦錫合金（GaInSn）：熔點5℃ ， 佳純金屬有限公司；銅絲（200μm），茗博坊金屬材料有限公司；環(huán)氧樹脂AB膠（3∶1），景宏粘合劑有限公司；亞克力板（4×4 cm），深圳市凱優(yōu)塑膠實業(yè)有限公司；雙面膠帶；絕緣膠帶。

1.2主要設備與儀器

LST-YX20拉絲塔：自搭建；LHJ-HY22硫化機：自搭建；FS-20拉伸循環(huán)測試平臺：自搭建； FP-20壓縮循環(huán)測試平臺；自搭建；BCM-H1力學傳感器：蚌埠傳力傳感器科技有限公司制； DMM6500數(shù)字源表：Tektronix泰克科技有限公司制；吉時利6514靜電計：Tektronix泰克科技有限公司制；WRNK-191溫度傳感器：深圳市銀飛電子科技有限公司制；V1600光學顯微鏡：微儀光電有限公司制；S-8100掃描電子顯微鏡：日本日立公司制；OXFOEDINCAX射線能譜：布魯克海文公司制；Q800動態(tài)熱機械分析儀：美國 TA 公司制；TG/DTA7300熱重分析儀：日本精工納米科技有限公司制；Instron5967萬能材料試驗機：美國 Instron 公司制；JA2003電子天平：上海力辰儀器科技有限公司制；XMTD-8222鼓風干燥箱：上海精宏試驗設備有限公司制；0.45×16RWLB 注射器：山東朱氏藥業(yè)集團有限公司制。

1.3液態(tài)金屬/SEBS纖維狀傳感器的制備

1.3.1制備帶有橢圓形中空結(jié)構(gòu)的矩型 SEBS預制件

首先將 SEBS顆粒在烘箱60°C下烘干12h，待水分烘干后將 SEBS顆粒放入模具中。隨后將模具放入硫化機中（溫度200°C，壓力10 MPa）熱壓30min，待模具冷卻后取出長、寬、高分別為25 mm ×25 mm ×150 mm 的 SEBS 矩形預制件。最后通過平口夾具在預制件對立面施加一定壓力來控制預制件的壓縮程度，使用鉆機在預制件內(nèi)部鉆出橢圓孔洞，制備出中空結(jié)構(gòu)的矩形預制件。

1.3.2制備纖維狀液態(tài)金屬/SEBS柔性傳感器

將中空結(jié)構(gòu)預成型件置入多溫區(qū)拉絲塔中，拉絲塔上、中、下區(qū)域溫度分別設置為80°C、200°C、180°C 。待預制件在加熱爐加熱30 min 后，向下拉動預制件，使中溫區(qū)的預制件局部產(chǎn)生頸縮。預制件經(jīng)上溫區(qū)預熱、中溫區(qū)頸縮、下溫區(qū)退火冷卻后，最終變成毫米級別的中空纖維。最后，使用注射器將液態(tài)金屬注入纖維內(nèi)部孔洞，然后將銅絲插入纖維兩端，并用環(huán)氧樹脂將纖維兩端密封，制備出超柔性纖維狀傳感器。

1.4分析與測試

形貌特征：利用光學顯微鏡觀察中空纖維截面；用電子顯微鏡觀察以液態(tài)金屬鎵銦錫合金為電極的纖維傳感器截面。

力學性能：利用Instron5967萬能材料試驗機和自搭建的力學平臺上進行拉伸比的應力應變測試。試樣長度為100mm，拉伸速率為100mm/ min。

電學性能：利用自搭建的拉伸裝置進行測試，試樣初始長度為5 cm，應變范圍為0%～400%。

拉伸傳感性能：利用自搭建的線性移動平臺，通過數(shù)字化編程，使移動平臺的一端進行往返移動。試樣長度為50mm。

壓縮傳感性能：利用自搭建的FP-20壓縮移動平臺，將試樣兩端電極與數(shù)字萬用表相連，通過數(shù)字化編程，對傳感器進行壓縮循環(huán)回復。試樣長度為50mm。

電阻（R）：將直徑為1.7 mm的纖維傳感器剪取5mm長，根據(jù)式（1）計算電阻R。

式中：ρ為導體的電阻率，l為導體長度，πab為橢圓的面積。

耐久性能：利用自搭建的壓縮測試平臺和吉時利6514靜電計進行耐久度的測試表征。試樣長度為50mm，壓力設置為20 N，PMMA摩擦板尺寸為5×5 cm，壓縮距離為1 cm。

2結(jié)果與討論

2.1纖維狀自供電傳感器的測試與表征

中空結(jié)構(gòu)的預制件在拉絲塔內(nèi)經(jīng)過預熱、頸縮、退火冷卻拉伸成毫米級別的纖維，該纖維柔軟度高，且具有優(yōu)異的可拉伸性能。如圖1（a）所示，通過手動牽伸分別將纖維拉伸到自身長度的200%、350%、600%、850%。圖1（b）是纖維狀傳感器截面的光學照片，其中間通道為橢圓形。本纖維狀傳感器采用液態(tài)金屬鎵銦錫合金作為傳感器的電極層，圖1（c）為液態(tài)金屬填滿了傳感器的內(nèi)部橢圓通道。

對 SEBS 的應力應變曲線進行探究，如圖1（d）所示，實心的 SEBS纖維機械性能較好，斷裂應變?yōu)?30%且此時的應力達到了6.4 MPa 。當附帶一個電極通道時，SEBS的纖維應力和應變會有輕微下降，這應該是單位體積 SEBS物質(zhì)的量下降所導致的，但總體纖維的斷裂應力依舊保持在了較好的水平，且應變保持在了600%以上。因此，該 SEBS纖維非常適合制備高效、耐用的應力、應變傳感器[17]。

為了探究 SEBS是否具備適當?shù)牧髯儗W性質(zhì)以與熱拉伸過程兼容，材料在高溫下具有粘性的流動行為需要滿足一定的要求。一個基本條件是材料在相對較高的粘度下模量要達到為103～107 Pa之間[18]。在此粘度區(qū)間內(nèi)，SEBS預制件發(fā)生塑性變形時不會斷裂，同時保證 SEBS經(jīng)過熱拉伸前后的結(jié)構(gòu)得以保存，避免回流或塌陷[19]。圖1（e）為 SEBS 的動態(tài)熱分析，可以發(fā)現(xiàn) SEBS 在熱拉伸過程中的剪切儲能模量和剪切損失模量隨著溫度的變化而緩慢變化，且模量都保持在103～107 Pa之間，可在高粘度狀態(tài)下持續(xù)熱拉伸以滿足實驗要求。如圖1（f）所示，從曲線中觀察到，SEBS纖維添加液態(tài)金屬后重量損失要小一點，這應該是實心 SEBS纖維的碳含量高于中空 SEBS纖維。由于高溫作用，碳基大分子受熱分解成了 CO2、H2O 等可揮發(fā)氣體[20]。但纖維的質(zhì)量在350℃左右開始降低，且在475℃左右結(jié)束重量損失。該階段重量損失歸因于 SEBS的熱分解。此外，圖中發(fā)現(xiàn)添加了液態(tài)金屬的 SEBS纖維的重量損失相對較小，這應該是液態(tài)金屬的沸點溫度遠高于 SEBS的熱分解溫度，不會發(fā)生揮發(fā)或分解。因此也說明液態(tài)金屬并不會對纖維的熱穩(wěn)定性能有所影響。

最后，柔性纖維狀傳感器的電學性能也至關重要，圖1（g）為柔性纖維狀傳感器在0%～400%應變范圍下的電導率變化。隨著應變水平的增加，柔性纖維狀傳感器的電導率有更顯著的提高。當應變水平達到400%時，柔性纖維狀傳感器的電導率達到了1.084×105 S/cm。

2.2纖維傳感器的拉伸傳感性能

對傳感器在應變0～400%下的比電阻和 GF 進行測試，結(jié)果顯示傳感器的比電阻隨著應變增加而增加并且其電阻變化率都保持高度線性。此外，隨著應變不斷提高，柔性傳感器的GF值也逐步增加。柔性傳感器在拉伸-回復過程中表現(xiàn)出輕微的電阻滯后現(xiàn)象（Δ=15%），這可能是由于 SEBS的粘彈性所致。在回復過程中，SEBS中的松弛現(xiàn)象導致其變形滯后于應力的變化，液態(tài)金屬通道沒有及時回復，柔性傳感器產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。此外，拉伸過程中的相對電阻變化比釋放過程中的大，這可歸因于釋放過程中較低的應力。如圖2（a）所示，傳感器的比電阻隨著應變的增加而增加，對拉伸過程中電阻變化率的前、中、后三段進行了線性擬合，發(fā)現(xiàn)其電阻變化率都保持高度線性。此外，隨著應變的不斷提高，柔性傳感器的GF值也逐步增加。

圖2（b）為柔性傳感器的階段性拉伸測試，每次拉伸和回復的增加或減少比率都為10%。結(jié)果顯示在0～50%的階段性拉伸測試下。電阻變化呈現(xiàn)階梯增長和下降的趨勢，具備優(yōu)異的變化穩(wěn)定性。

2.3橢圓電極的壓縮傳感性能研究

圖3（a）為傳感器受到壓力時，內(nèi)部電極通道變化的機理圖?？梢钥闯?，當分別按壓長軸面和短軸面時，傳感器內(nèi)部通道坍塌變化的差異明顯，從而導致液態(tài)金屬電極會產(chǎn)生不一樣的電信號輸出。圖3（b）所示，以約為3.3 MPa的力對傳感器進行壓縮循環(huán)實驗，其比電阻變化如圖3（c）所示，當壓力一定時，沿著長軸按壓時比電阻變化更為明顯，比沿著短軸按壓時約高出800%。在一定的應用場合下，當壓力固定時，可以通過其電阻變化率的大小來分辨按壓的是長軸還是短軸，從而識別壓力方向。

圖4（a）為傳感器比電阻保持一致時，傳感器內(nèi)部電極通道變化的機理圖?？梢钥闯?，當比電阻變化保持一致時，傳感器按壓后的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)要保持一致。由于橢圓通道的結(jié)構(gòu)導致 SEBS 的分子在截面上分布不均，在要保持相同的比電阻變化時，其在長軸面和短軸面上的壓力大小也會不同。圖4（b）所示，保持按壓長軸和短軸的比電阻變化率約為1300%，其壓力大小如圖4（c）所示。當比電阻變化率一定時，沿著長軸按壓時所需的力更大，比沿著短軸按壓時約高出1.5 MPa 。在一定的應用場合下，控制比電阻變化一致，可以通過其按壓長短軸時壓力的大小來量化壓力的范圍，進一步提高柔性傳感器的附加值。

2.4纖維傳感器的摩擦電性能研究

為了探究柔性傳感器的能量轉(zhuǎn)換性能，按照摩擦電電子得失極性表找出與 SEBS極性相反的材料 PMMA 作為摩擦層，通過線性電機將 PM- MA 板材與柔性傳感器做接觸分離運動。通過不同的壓縮頻率來按壓傳感器來測試傳感器的電輸出情況。如圖5（a、b、c）所示，通過不同的按壓頻率來測試柔性傳感器的電輸出性能，結(jié)果顯示當壓縮頻率為0.5 Hz時，柔性傳感器的開路電壓、短路電流、短路電荷輸出大小分別是13.83 V、63.74 nA、3.57 nC。當頻率提升至1 Hz時，柔性傳感器的開路電壓、短路電流、短路電荷輸出大小分別是14.46 V、146.74 nA、4.07 nC。其結(jié)果顯示隨著壓縮頻率的增加，纖維傳感器的短路電流會有顯著增加，而開路電壓和短路電荷會有輕微提升的現(xiàn)象。

纖維傳感器 TENG 輸出電壓的穩(wěn)定性對于確保便攜式電子設備的持續(xù)供電至關重要[21]，在線性馬達的作用下，使用 PMMA 與柔性傳感器進行持續(xù)的接觸-分離，對單電極模式織物TENG 進行耐久性測試。圖4（d、e、f）探究了柔性傳感器初始、500次、1000次壓縮循環(huán)后的TENG電輸出特性。結(jié)果顯示，在不同壓縮循環(huán)次數(shù)條件下，柔性傳感器的開路電壓、短路電流、短路電荷的輸出情況都保持穩(wěn)定，保證了了良好的電輸出性能，進一步提高了纖維狀可穿戴柔性傳感器的附加值并開拓了新的應用領域。

圖6展示了柔性纖維狀TENG自供電傳感器的工作原理和摩擦電仿真模擬。柔性傳感器 TENG通過單電極模式工作，將 SEBS作為正極， PMMA作為負極。將傳感器的電極與靜電計相連，隨后通過線性電機將PMMA與 SEBS進行接觸分離，由于PMMA 與 SEBS之間存在電位差，使得 PMMA 和 SEBS 的接觸表面上產(chǎn)生極性相反的正負等效電荷。單電級 TENG的工作過程如圖6（a）所示，由于 SEBS具有更強的正電荷捕獲能力，從而獲得正摩擦電荷，而PMMA摩擦層則帶負電荷。如果它們的表面之間彼此遠離， SEBS與液態(tài)金屬電極電勢將被打破，導致電子從地面流向液態(tài)金屬電極，從而產(chǎn)生電流。當摩擦帶電的兩個表面之間的間隙增加，隨著電子的繼續(xù)流動，將出現(xiàn)新的平衡態(tài)，直到 SEBS與負極材料完全分離，電子也將停止移動。當負極材料再次接近 SEBS時，電子將從液態(tài)金屬電極流回地面，從而產(chǎn)生平衡電荷。以上是 SEBS/LM 纖維傳感器TENG工作的完整循環(huán)，通過連續(xù)的接觸和分離產(chǎn)生交流電。

為了觀察柔性傳感器 TENG 和液態(tài)金屬電極之間在接觸分離狀態(tài)下的電位分布，如圖6（b）所示，通過 COMSOL 軟件在正負極材料接觸分離時建立了有限元模擬理論模型[22]。柔性傳感器表面帶有正摩擦電荷，而 PMMA 表面為負電荷，這是由于 SEBS表面具有較強的正電荷捕獲能力。當柔性傳感器接觸或遠離 PMMA 表面時，兩者之間相互靠近部分的靜電荷也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移。通過正負電極持續(xù)的接觸分離，產(chǎn)生穩(wěn)定的摩擦電輸出。

3結(jié)論

本研究旨在設計一種多功能導電纖維傳感器，以應對目前可穿戴設備中的多項挑戰(zhàn)。多功能導電纖維傳感器的獨特之處在于它具有高電導性、高度可拉伸性和柔韌性，能夠適應各種應變情況，包括拉伸、壓縮和摩擦等。傳感器在不同方面表現(xiàn)出卓越性能，例如在拉伸方面具有高度線性的電阻變化率和靈敏度，同時在壓縮方面呈現(xiàn)出方向性。此外，它還能通過摩擦產(chǎn)生電荷輸出，為能量轉(zhuǎn)換和自供電系統(tǒng)提供了新的可能性。綜合而言，這種創(chuàng)新性的多功能導電纖維傳感器有廣泛的應用前景，不僅可用于解決電池限制問題，還可推動柔性電子技術和智能系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

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（責任編輯：李強）