聚偏二氟乙烯 (PVDF) 已廣泛應(yīng)用于制作柔性壓電傳感器，這需要極性相 PVDF 的高鐵電性。在此，研究人員展示了基于MXene (Ti
3C
2T
x)/PVDF的3D多孔結(jié)構(gòu)的具有高靈敏度和寬傳感范圍的自供電壓電電子皮膚。MXene被用作成核劑以提高PVDF的鐵電性能。這是考慮到其2D幾何形狀和豐富的表面官能團(tuán)進(jìn)行的，這些表面官能團(tuán)促進(jìn)了MXene的表面官能團(tuán)和PVDF的CH2基團(tuán)之間的分子間氫鍵。此外，多孔結(jié)構(gòu)會(huì)增加接觸面積和局部應(yīng)力集中響應(yīng)施加壓力的變化。這進(jìn)一步增強(qiáng)了壓電靈敏度。由于結(jié)構(gòu)變形和局部應(yīng)力集中，多孔 MXene/PVDF電子皮膚在低 (< 2.5 kPa) 和高 (2.5-100 kPa) 壓力范圍內(nèi)的壓電靈敏度分別為 11.9 和 1.4 nA kPa
-1。它們分別比平面MXene/PVDF電子皮膚高31倍和3.7倍（< 100 kPa 時(shí)為 0.4 nA kPa
-1）。此外，多孔MXene/PVDF電子皮膚具有高達(dá)100 kPa的寬傳感范圍和穩(wěn)定的傳感性能（5000 次重復(fù)）。這種壓電多孔MXene/PVDF電子皮膚能夠監(jiān)測(cè)高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)，例如聲波以及低頻橈動(dòng)脈脈沖。特別是，檢測(cè)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的高頻振動(dòng)使我們的傳感器陣列能夠感知具有不同粗糙度和模量的各種表面紋理，以及浮雕在表面上的文字的空間分布。這證明了其在可穿戴設(shè)備、假肢、機(jī)器人和醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)設(shè)備中的巨大應(yīng)用潛力。
Figure 1. 多孔MXene/PVDF電子皮膚的示意圖。(a)多孔MXene/PVDF電子皮膚的示意圖以及MXene和PVDF的分子結(jié)構(gòu)。(b)PVDF和MXene分子間氫鍵形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，顯著增強(qiáng)了極性β相的形成。(c)多孔MXene/PVDF壓電電子皮膚的輸出電流。(d)多孔MXene/PVDF電子皮膚的SEM圖。(e)高柔性多孔MXene/PVDF電子皮膚的照片。(f)平面和多孔結(jié)構(gòu)的有限元分析和100 kPa下的應(yīng)力分布。(g)以恒定速度(0.01 mm/s)壓痕載荷高達(dá)5N的多孔和平面結(jié)構(gòu)材料的壓縮分析。
Figure2. MXene納米片和多孔MXene/PVDF電子皮膚的表征。(a)AAO模板上分層的MXene納米片的SEM圖。(b)單層MXene納米片的AFM分析。(c)分層MXene納米片的拉曼分析。(d)具有不同MXene濃度的PVDF和MXene/PVDF復(fù)合材料的XRD圖譜和(e)FTIR分析。(f)10 wt% MXene/PVDF電子皮膚的C 1s區(qū)域的XPS譜圖。
Figure 3. 多孔MXene/PVDF電子皮膚的壓電傳感性能。(a)多孔結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)的10 wt% MXene/PVDF電子皮膚之間的壓電傳感性能比較。(b)多孔和薄膜結(jié)構(gòu)的MXene/PVDF電子皮膚的壓電靈敏度分析。(c)相對(duì)于103至109 Ω的外部負(fù)載電阻的壓電輸出性能參數(shù)（電壓、電流密度和功率密度）。(d)MXene/PVDF電子皮膚在5000次50 kPa加載-卸載循環(huán)中的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。
Figure 4. 多孔MXene/PVDF電子皮膚在聲波和橈動(dòng)脈脈搏檢測(cè)中的應(yīng)用。(a)聲波檢測(cè)示意圖。(b)多孔（黑色）和平面（紅色）MXene/PVDF電子皮膚的聲音檢測(cè)能力，基于響應(yīng)應(yīng)用頻率的壓電輸出。(c)原始聲源“壓電傳感器”（黑色）和多孔MXene/PVDF電子皮膚（紅色）的時(shí)間相關(guān)電壓信號(hào)（頂部）和相應(yīng)的STFT分析（底部）。(d)附著在手腕上用于檢測(cè)橈動(dòng)脈脈搏的多孔MXene/PVDF電子皮膚的照片。(e)（左）橈動(dòng)脈脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和（右）具有三個(gè)峰值（P1、P2和P3）的擴(kuò)展脈搏波。
Figure 5. 多孔MXene/PVDF電子皮膚在紋理感知中的應(yīng)用。(a)紋理感知示意圖，其中具有PDMS指紋圖案（周期線(xiàn)間距=500mm）的多孔MXene/PVDF電子皮膚連接到微型載物臺(tái)（頂部），指紋圖案制作在PDMS上（底部）。(b)當(dāng)以不同速度（0.5-2.5 mm/s）掃描圖案表面時(shí)，壓電電流隨時(shí)間的變化。(c)FFT和(d)STFT分析在不同掃描速度下對(duì)壓電電流信號(hào)的響應(yīng)。(e)用于紋理感知的光滑到粗糙砂紙表面的SEM圖（頂部）和在光滑到粗糙表面上掃描的相應(yīng)STFT分析。(f)使用具有不同模量（Ecoflex、TPU和PVDF）的材料制成的指紋圖案和表面紋理的紋理感知的STFT分析。(g)MXene/PVDF電子皮膚陣列（1*8像素）的示意圖，PVDF指紋圖案附著在微臺(tái)上以感知單詞。(h)壓印有“MXene”字樣的3D打印表面紋理示意圖。在指定的虛線(xiàn)上掃描MXene/PVDF電子皮膚陣列。(i)在“MXene”一詞上掃描的每個(gè)多孔MXene/PVDF電子皮膚（5-30 Hz）的集成STFT分析。
相關(guān)研究成果由韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)學(xué)院Hyunhyub Ko課題組于2021年發(fā)表在《Nano Energy》 （https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106409 ）上。原文：MXene-Enhanced β-Phase Crystallization in Ferroelectric Porous Composites for Highly-Sensitive Dynamic Force Sensors。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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