隨著智能產業(yè)的快速發(fā)展，可穿戴式傳感器設備不斷出現(xiàn)在人們生活的方方面面，包括仿生肢體、健康運動監(jiān)測設備、醫(yī)療設備等，其中大部分都使人們形成了便捷、節(jié)能、智能化的健康生活方式。與此同時，高性能壓力傳感器在可穿戴傳感器設備中發(fā)揮著至關重要的作用。然而，如何實現(xiàn)高傳感靈敏度、超低檢出限和快速響應的理想壓力傳感器，仍是制約其進一步應用的主要問題。因此尋找高效、可靠的可穿戴壓力傳感器勢在必行，同時也具有挑戰(zhàn)性。根據不同的工作機理進行分類，壓力傳感器有壓阻式、壓電式、摩擦式和電容式等多種類型。對于壓阻式傳感器來說，其內部結構是可控的，在不同的工作條件下電阻也可以改變。與此同時，壓阻式傳感器由于具有響應速度快、變形靈活等優(yōu)點，在各個應用領域得到了廣泛的應用。值得注意的是，氣凝膠具有高孔隙率、低密度和可控三維(3D)多孔結構的優(yōu)異性能，在環(huán)境處理、催化載體、絕熱化合物、電磁屏蔽、儲能裝置等領域顯示出蓬勃發(fā)展的巨大應用潛力。研究表明，氣凝膠在壓力傳感器領域具有良好的電學性能。導電氣凝膠以其便攜性、實時監(jiān)測和可靠的可回收性，實現(xiàn)了其在壓力傳感器中的實用價值。

? 近期，陜西科技大學的張美云教授和楊斌工程師在國際知名學術期刊ACS Nano上發(fā)表一篇題目為：Highly Compressible, Thermally Stable, Light-Weight, and Robust Aramid Nanofibers/Ti3AlC2?MXene Composite Aerogel for Sensitive Pressure Sensor的研究論文，在這項工作中，報道并演示了一種很有前途的用于壓阻式傳感器的MXene/ ANFs氣凝膠，其具有3D分層、砂漿磚多孔結構和25 mg/cm3的超低密度。本研究選擇具有優(yōu)異力學性能的ANFs和糾纏ANF網絡作為骨架材料和抗氧化保護層，以彌補MXene脆性不理想、壓縮回彈性差和有氧化傾向的不足。相應地，MXene為該功能氣凝膠提供獨特導電性。研究了MXene/ANFs氣凝膠的微觀結構、多孔結構的調節(jié)機制、電性能以及對不同壓力的感知性能。本文還監(jiān)測了氣凝膠對人體不同運動行為的實時感知。MXene/ANFs氣凝膠傳感器作為一種多功能壓阻式傳感器，具有良好的機械性能、隔熱性能和靈敏的傳感性能，在人體運動監(jiān)測甚至極端條件下的傳感領域顯示出巨大的應用潛力。

圖1.?MXene/ANFs氣凝膠傳感器制備工藝圖。

圖2.?MXene和ANFs的內部結合導致了MXene/ANFs氣凝膠的最終電阻。

圖3.?不同質量比的MXene/ANFs復合氣凝膠在不同放大倍數下的SEM圖像。

圖4.ANFs/MXene復合氣凝膠的多孔結構及調節(jié)機理示意圖。

圖5.MXene/ANFs氣凝膠的力學性能。

圖6.?MXene/ANFs氣凝膠具有優(yōu)異的絕熱性能。

圖7.?MXene/ANFs氣凝膠的壓阻性能。

圖8.?30 wt% MXene/ANFs氣凝膠傳感器分別用于監(jiān)測人體附著在腳后跟和肘部時的行為。

總之，通過可控的真空過濾和冷凍干燥等可行工藝成功地制造了具有高可壓縮性，出色的絕熱性能和靈敏感測性能的MXene/ ANFs氣凝膠，這為實現(xiàn)可擴展的生產提供了可能性。隨著MXene用量的增加，氣凝膠阻力會大大下降，直至達到30 wt％含量，這具有由定向的冰晶生長構成的優(yōu)選的均勻且疊層的多孔3D結構，可實現(xiàn)高達1000倍的高壓縮回彈性，并且ANF和MXene之間的緊密連接提供強大的機械強度以承受外部壓力。該傳感器在200℃的高溫下，可以長時間保持超高的保溫性能，不會出現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象。眾所周知，復合物傳感器具有明顯的傳感特性。關于這一點，30 wt％ MXene/ANFs氣凝膠對各種頻率（0.2-0.8 Hz）和不同檢測范圍（壓縮應變?yōu)?.0-80.0％）的不同壓縮表現(xiàn)出高度敏感的傳感特性（128 kPa-1），超低檢測極限（100 Pa），快速響應時間（320 ms），并且在去除壓力期間沒有滯后現(xiàn)象（恢復時間為98 ms）。令人驚訝的是，氣凝膠保持了靈敏的傳感特性，可以檢測到人類在被踩踏后的正常跳繩、行走甚至奔跑等運動，電信號穩(wěn)定，并提供實時反饋。MXene/ANFs氣凝膠具有優(yōu)異的綜合性能，特別是高靈敏度的傳感性能和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在人類行為監(jiān)測傳感器和極端條件下的傳感中具有巨大的應用潛力。

文獻鏈接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c04888.

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