柔性应变传感器是构成柔性可穿戴电子器件的关键组成部分。目前，可穿戴柔性传感器可分为平板膜和纤维两种结构类型。其中，纤维状柔性传感器具有较小的测试面积，能够通过简单的编织进行电子器件的构筑。目前，聚噻吩类导电聚合物、银纳米线、碳纳米管、液态金属等多种导电材料已被广泛用于纤维状柔性应变传感器的制备。但是，该类传感器中沿形变方向应变均匀分布，导致其应变系数（灵敏度）较低，限制了其应用范围。
要提高这类应变传感器的灵敏度，常见的思路是设计新型功能材料。近日，新加坡南洋理工大学（NTU）的陈晓东（Xiaodong Chen）教授研究团队另辟蹊径，将研究重点放在了这类传感器弹性基底的结构设计之上。他们借助结构力学分析，采用新型瞬态热固化技术大规模制备了具有串珠状结构的弹性微纤维，基于对表面应变分布的重新调控，显著提升了纤维状可拉伸应变传感器的灵敏度。该研究成果摆脱了对所用功能材料的依赖，可拓展至其他多种已有的功能材料体系，为新型柔性纤维状应变传感器提出了新的发展方向。相关论文发表在Advanced Materials 上，第一作者为Zhiyuan Liu。
基于结构设计实现纤维表面应变分布调控。图片来源：Adv. Mater.
根据能量转换原则，在总体应变恒定的情况下，纤维局部体积的减小能够显著增加该区域应变分布，因此柔性应变传感器的灵敏度能够基于局部应变的放大而显著提高。遵循该设计理念，受油滴流动现象启发，研究团队基于普拉托-瑞利不稳定性结合瞬态热固化技术实现了具有串联微珠状形貌（串珠状）的柔性微纤维的简便、大规模构筑。该柔性纤维其纤维直径以及微珠直径能够通过调节聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体动态粘度（dynamic viscosity）进行精确调控。
新型串珠状柔性PDMS纤维的构筑。图片来源：Adv. Mater.
作者在该串珠状纤维表面蒸镀导电金属（Au）构筑柔性应变传感器，其电阻（R/R0）随施加应变的增加而线性增加。施加30%拉伸应变的可逆拉伸循环（5000余次）测试表明，该新型纤维状传感器具有良好的性能稳定性。纤维表面SEM测试表明，纤维轴向方向不同部位拉伸应变产生的裂纹形貌存在着显著差异，体现了纤维表面应变分布的不均一性。同时，该柔性纤维状应变传感器的灵敏度随微珠直径的增大而呈线性增大趋势。
柔性纤维状应变传感器的构筑及其性能测试。图片来源：Adv. Mater.
研究团队进一步将该新型柔性纤维状应变传感器编织入织物，并进行实际人体运动检测应用测试。PDMS组分与织物之间存在互锁作用（interlocking effect），使得纤维传感器与织物具有优异的共形性，从而确保检测应力/应变数据的真实。机械性能测试表明在PDMS与织物结合区域，其机械强度要明显高于PDMS柔性器件本身。该柔性可穿戴电子器件能够与人体皮肤实现较好的共性接触，在蹲起、腿部弯曲等人体运动应变检测应用中展现出较高的灵敏度和实用性。
新型柔性纤维状应变传感器的实际应用测试。图片来源：Adv. Mater.
——总结——
陈晓东教授研究团队通过纤维状应变传感器弹性基底的结构设计，巧妙地实现了器件灵敏度的显著提升。在实际人体运动检测应用中，这种新型柔性应变传感器纤维构筑的柔性可穿戴织物展现出较高的灵敏度和实用性。该研究成果可进一步拓展到其他的功能材料体系，为高性能柔性应变传感器的制备提供了新的设计思路和发展方向。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Surface Strain Redistribution on Structured Microfbers to Enhance Sensitivity of Fiber-Shaped Stretchable Strain Sensors
Zhiyuan Liu, Dianpeng Qi, Guoyu Hu, Han Wang, Ying Jiang, Geng Chen, Yifei Luo, Xian Jun Loh, Bo Liedberg, Xiaodong Chen
Adv. Mater., 2018, 30, 1704229, DOI: 10.1002/adma.201704229
导师介绍
陈晓东
http://www.x-mol.com/university/faculty/45891
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
