清华大学&武汉理工大学：基于3D MXene柔性网络的高性能压力传感器

【清华大学&武汉理工大学：基于3D MXene柔性网络的高性能压力传感器】

随着智能可穿戴设备的日益普及，在各种复杂的应用场景中，迫切需要具有柔性的高性能压力传感器。现有的柔性压力传感器面临一个巨大挑战，就是在宽温度范围内需要保持高灵敏度，这对于它们在恶劣环境中的应用至关重要。

基于以上挑战，清华大学南策文院士和武汉理工大学张鑫研究员等人合作，报道了一种基于三维MXene/PEI网络的高性能柔性压阻传感器，适用于较宽的温度范围(从液氮温度到150°C)。

PEI是一种非晶态热塑性聚合物，具有耐高温、优异的拉伸强度和优越的尺寸稳定性，在航空航天领域已经显示出巨大的应用潜力。此外，含有醚键的PEI表现出极大的灵活性和可加工性，可以通过各种物理过程构建不同的微观和宏观结构。另一方面，新兴的MXenes纳米片具有金属导电性、优异的机械强度和良好的亲水性，可以承受一定的低温(- 200℃以下)和高温(400℃以上)，适用于在恶劣条件下应用PEI纤维网络构建可穿戴压力传感器。

通过PEI的逐层静电纺丝工艺，制备了三维MXene/PEI网络，提高宽温度范围内的传感性能。制备了类似蜘蛛网的MXene/PEI互联3D纤维网络，将MXene纳米片涂覆在每根PEI纳米线表面。这种三维MXene/PEI网络受益于外力作用下的大变形，提高压阻传感器在高温下的传感性能。此外，在MXene/PEI网络与柔性电极之间组装了一层超薄PEI层作为间隔层，可以进一步增强外部变形下的导电路径。该柔性压阻传感器在宽温度范围(从液氮到150°C)内具有优异的灵敏度、响应/恢复时间短、检测限低、高温下耐久性好，在人体活动、健康监测、压力分布阵列和人机交互等方面具有潜在应用价值。

在这项工作中，研究者制备了一个三维MXene/聚醚酰亚胺网络为基础的高灵敏度压阻传感器。该传感器在宽温度范围内具有超高灵敏度(在−5℃时为80 kPa−1，在室温时为156 kPa−1，在150℃时为20 kPa−1)，9 Pa的低检测限，163 ms的快速响应时间，长期耐久性，室温时超过 10000 次循环、100 °C 下 2000 次循环和 −5 °C 下 500 次循环。

压力传感器可以实时跟踪不同的人类活动，检测压力分布，并用于人机交互。它还可以在高温 (150 °C) 和低温 (液氮) 下对外部机械刺激做出敏感反应。此外，纤维网络具有良好的焦耳加热能力，在 12 V 电压下可达到 78 °C。因此，柔性 MXene/PEI 纤维网络在柔性可穿戴电子设备和恶劣条件下的个人加热系统领域内，具有广阔的应用前景。

来源：传感器专家网