分享自:

仿生层压策略实现无应变干扰且耐用的柔性热敏电阻电子器件

期刊:Nature CommunicationsDOI:10.1038/s41467-022-34168-x

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:


作者与机构
本研究由Sanwei Hao、Qingjin Fu、Lei Meng、Feng Xu和Jun Yang共同完成。作者来自北京林业大学材料科学与技术学院(Beijing Key Laboratory of Lignocellulosic Chemistry, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University)和华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室(State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology)。该研究于2022年10月发表在《Nature Communications》期刊上。

学术背景
本研究属于柔性电子器件领域,特别是柔性热敏电阻表皮电子器件(Flexible Thermistor Epidermal Electronics, FTEE)的开发。传统的刚性热敏电阻和红外相机无法在动态和连续的温度检测中实现舒适的身体贴合,且容易受到目标区域任意运动的影响。因此,开发一种既能实现高温度分辨率又能避免应变干扰的FTEE具有重要意义,但也极具挑战性。受珍珠层(nacre)微观结构的启发,本研究提出了一种基于MXene的热敏弹性体传感器(Thermistor Elastomer Sensor, TES),通过仿生层压策略显著减轻了应变干扰,实现了优异的温度分辨率和机械耐久性。

研究流程
1. 设计与制备
- 仿生层压策略:研究者从珍珠层的微观结构中汲取灵感,设计了一种仿生层压结构,结合平面应力耗散和珍珠层仿生分级结构,显著降低了应变干扰。
- 材料选择:采用MXene纳米片作为热敏材料,结合聚乙烯醇(PVA)和TEMPO氧化纤维素纳米纤维(TOCNF)作为基底材料。
- 制备过程:通过层层组装(Layer-by-Layer, LbL)和压缩辅助技术,将MXene纳米片与PVA/TOCNF复合材料逐层堆叠,并使用Fe(II)作为层间交联剂,形成超薄且致密的层压结构。

  1. 性能测试

    • 热敏性能:测试了TES在不同温度下的电阻变化,验证其热敏性(-1.32% °C⁻¹)和温度分辨率(~0.3 °C)。
    • 机械耐久性:通过20,000次折叠疲劳测试,验证了TES的机械耐久性。
    • 应变干扰测试:在运动场景下,测试了TES对商业热电偶的应变容忍性,发现其性能显著优于传统热电偶。
  2. 机理分析

    • 温度与应变信号解耦机制:通过理论模型模拟、微观结构观察和叠加信号检测,揭示了温度与应变信号的解耦机制,证实了仿生层压策略的通用性和可定制性。
  3. 应用验证

    • 表皮温度监测:将TES应用于人体表皮温度监测,验证了其在静态和动态温度检测中的高保真性。

主要结果
1. 热敏性能:TES表现出优异的热敏性(-1.32% °C⁻¹)和温度分辨率(~0.3 °C),在20,000次折叠疲劳测试后仍保持稳定性能。
2. 应变干扰抑制:通过仿生层压策略,TES在运动场景下显著降低了应变干扰,实现了高保真温度检测。
3. 机理验证:理论模型和实验数据证实了温度与应变信号的解耦机制,为仿生层压策略的广泛应用提供了理论支持。
4. 应用验证:TES在人体表皮温度监测中表现出高精度和稳定性,验证了其在实际应用中的潜力。

结论
本研究提出了一种基于MXene的仿生层压策略,成功解决了柔性热敏电阻电子器件在应变干扰和机械耐久性方面的难题。通过仿生层压结构,TES实现了优异的热敏性、温度分辨率和机械耐久性,为柔性电子器件的开发提供了新的思路。该研究不仅具有重要的科学价值,还为健康监测、智能假肢和人机交互等领域的应用提供了技术支持。

研究亮点
1. 仿生层压策略:通过模仿珍珠层的微观结构,设计了具有优异性能的TES。
2. 高性能材料:采用MXene纳米片作为热敏材料,结合PVA和TOCNF,实现了高灵敏度和稳定性。
3. 通用性与可定制性:仿生层压策略具有广泛的适用性,可扩展到其他纳米填料(如碳黑、石墨烯、碳纳米管和聚苯胺)。
4. 实际应用验证:TES在人体表皮温度监测中表现出高精度和稳定性,验证了其在实际应用中的潜力。

其他有价值的内容
本研究还通过理论模型和实验数据,深入分析了温度与应变信号的解耦机制,为仿生层压策略的广泛应用提供了理论支持。此外,研究还验证了TES在极端机械冲击下的稳定性,进一步证明了其在复杂环境中的适用性。


以上是对该研究的全面介绍,涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。

上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com