南京工业大学董晓臣ACS Nano：基于过渡金属碳化物和碳纳米管复合材料的应变传感器

【引言】

目前，制造高灵敏度、低检测极限、高拉伸性、可调节的敏感范围、超薄器件尺寸的应变传感器依然具有很大的挑战。基于Ti₃C₂T_xMXene /碳纳米管（CNTs）复合材料的纳米网络通过合理的结构设计可制备成多功能应变传感器，该复合结构结合了二维Ti₃C₂T_xMXene纳米层与一维CNT在应变传感应用方面的优势。近日，有学者报道了将Ti₃C₂T_xMXene与CNTs复合，通过独特的结构设计，制备出性能优异的可穿戴式柔性应变传感器。

【成果简介】

近日，南京工业大学的董晓臣教授、杨健教授、邵进军副研究员(共同通讯作者)和蔡依晨博士(第一作者)等人在ACS Nano上发布了一篇关于MXene与CNTs复合结构用于应变传感器的文章，题为“Stretchable Ti₃C₂Tx MXene/Carbon Nanotubes Composite Based Strain Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Tunable Sensing Range”。
作者将Ti₃C₂T_xMXene与CNTs复合制备出用于传感器的新型材料。三明治型的Ti₃C₂T_xMXene/CNT传感层由层状的Ti₃C₂T_xMXene薄片和亲水单壁碳纳米管（SWNT）经层层（LBL）喷涂方法制备而成。研究结果表明，该复合材料制备的应变传感器结构独特，有超低检测极限（0.1％应变），高拉伸性（高达130％），高灵敏度（灵敏度系数~772.6），可调节的应变检测范围（30-130％），超薄器件尺寸（< 2 μm）及优异的耐久性和稳定性（> 5000次循环）。

【图片导读】

图1 样品制备过程示意图

(a) 三明治结构Ti₃C₂T_xMXene/CNT敏感层的制备过程；

(b) Ti₃C₂T_xMXene和碳纳米管分散液的Tyndall效应;

(c-d) Ti3C₂T_x薄片和SWCNT的TEM图像；

(e) 应变传感器不同拉伸程度时的照片。

图2 样品成分与结构表征

(a) Ti₃C₂T_x和Ti₃C₂T_x/CNT膜的XRD图谱；

(b) Ti₃C₂T_xMXene纳米片的XPS谱;

(c) 纯TTi₃C₂T_x薄膜的SEM图像；

(d) Ti₃C₂T_xMXene薄片的横截面SEM图像；

(e) 三明治型Ti₃C₂T_xMXene/CNT薄膜的SEM图像；

(f) 三明治型Ti₃C₂T_xMXene/CNT薄膜的SEM图像。

图3 样品电学性能测试

(a) Ti3C2Tx MXene/CNT/应变传感器的典型应变曲线；

(b) 四个外加应变下相对电阻变化与时间的函数;

(c) 0.1％的微小应变下相对电阻变化与时间的函数；

(d) 应变传感器在20％应变不同频率下的相对电阻响应；

(e) 相对电阻和应变随时间变化的输出输入信号对比曲线；

(f) 频率为1Hz，应变为20％时的耐久性测试。

图4 样品的相对电阻-应变曲线

(a-c) 在相同循环喷涂次数下不同浓度的Ti₃C₂T_xMXene和CNT制备的应变传感器的应变曲线；

(d) 不同喷涂循环CNT1-MXene1（1代表分散液浓度：1 mg/mL）的应变曲线。

图5 Ti₃C₂T_xMXene/CNT在不同拉伸状态下的SEM图像

(a) 0%； (b) 5%;

(c) 20%； (d) 40%；

(e) 80%； (f) 0%。

图6 传感器的应用测试

(a) 贴在喉咙处的传感器照片；

(b-d) 分别讲“Carbon”，“Sensor”和“MXene”时记录的声带振动响应曲线;

(e) 附着在人体膝盖上的传感器的照片；

(f-h) 传感器在检测人运动时膝盖处应变响应。

【小结】

文章介绍了基于Ti₃C₂T_xMXene/碳纳米管（CNTs）独特三明治结构的应变传感器，该传感器具有极高的灵敏度、低的测定极限、高拉伸性和可调节的敏感范围等特性。作者系统地测试了不同参数条件制备的三明治型Ti₃C₂T_xMXene/CNT应变传感器，发现三明治结构可以利用重叠的Ti₃C₂T_xMXene纳米层之间相对滑动、裂痕和褶皱产生电阻变化；同时相互连接的CNT在MXene纳米片之间起导电桥梁作用，实现其可逆滑动和导电路径的可逆变化，改变重叠区域的导电路径，进而改变接触电阻，实现应变传感。Ti₃C₂T_xMXene/CNT传感器在假肢反馈和检测人体运动健康等领域有着良好的应用前景。

文献链接：Stretchable Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanotubes Composite Based Strain Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Tunable Sensing Range (ACS Nano, 4 December, 2017 , DOI: 10.1021/acsnano.7b06251）

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