近年来，柔性可拉伸电子的飞速发展推动了可穿戴设备的蓬勃发展，其中可拉伸应变传感器在近年来得到了广泛的研究。其中能够在小应变下达到高灵敏度的，通常被称为应变计。传统的应变计依赖于刚性聚合物基板上的金属薄膜的压阻性，它们有限的灵敏度和高刚度使它们与可穿戴应用不太兼容。受到蜘蛛的裂隙器官的启发，基于裂纹的应变计被认为是一种用于检测微小变形的高灵敏装置，但其突出的性能依赖于精细的微观结构，在实际使用中容易在复杂外力作用下超过其量程范围，产生不可逆的损伤。目前报道的具有高灵敏度的应变计在实际环境中普遍缺乏鲁棒性。
针对以上问题，近日，南京大学陆延青教授和孔德圣教授团队报道了一种具有自修复机制的MXene裂纹式应变计，能够有效耐受应变过载。本研究所制备的MXene薄膜具有饱和微裂纹，这是通过将薄膜在较大应变条件下进行多次循环所形成的。该MXene应变计在0.6%的应变范围内具有高达28629的应变系数。值得注意的是，MXene应变计能够耐受恶劣的工况条件，在经历大范围拉伸、扭曲、锤击和汽车碾轧后，其传感性能都能够迅速恢复，具有突出的鲁棒性。MXene应变计在疲劳测试中表现出稳定的响应特性。如图1e所示，柔性应变计在1%应变下进行了5000次拉伸循环的疲劳试验，表明它在受控环境中使用的可靠性。MXene薄膜被拉伸至50%应变三次，以此产生稳定的微裂纹形貌（图2a）。图3g记录了应变计在锤击和重载荷下的响应，这代表了在实用环境下的经历应变过载，在一段时间后恢复其原始响应特性(见图3h)。这些发现表明弹性微裂纹MXene薄膜的显著抗损伤性，这是由其硅橡胶基底的机械回弹，驱动薄膜的微观结构实现自修复而实现的。相较而言，热塑性聚氨酯(TPU)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)等弹性体，在大的拉伸后会显示出塑性伸长，无法重复修复裂纹传感器的微观结构。这些结果显示，具有低机械迟滞、低残余应变和微小塑性变形的弹性体基底对于实现机械驱动的自愈行为至关重要。
综上所述，他们设计了一种基于弹性微裂纹MXene薄膜的柔性应变计，该薄膜可以在过度应变后自愈其传感特性。制造过程包括将MXenes喷涂到柔软的硅基板上，然后通过控制拉伸变形产生饱和微裂纹。所得到的装置在重复变形过程中表现出对微小应变的高灵敏度。由于软硅基板的弹性恢复，即使在远远超出其指定工作范围的操作后，MXene薄膜也可以恢复其原始的微裂纹形态和传感能力，使其能够承受过伸、扭曲、锤击和汽车滚动。通过对人体运动、生理过程和弯曲物体的监测，进一步证明了弹性微裂纹MXene薄膜的实用性。这样的设计有效解决了柔性应变片同时提高灵敏度和脆弱性的难题。机械驱动的自愈过程提供了一个可行的途径，以赋予高灵敏度应变计鲁棒性，在柔性可拉伸电子器件领域具有广阔的应用前景。
相关工作以“Mechanically Driven Self-Healing MXene Strain Gauges for Overstrain-Tolerant Operation”为题发表在Nano Letters上，南京大学现代工程与应用科学学院硕士生王昊和博士生林勇为共同第一作者，通讯作者为陆延青教授和孔德圣教授。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04023
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