DOI: 10.1007/s40820-021-00592-9
近年來，高性能可穿戴應變傳感器在學術界和工業領域備受關注。本研究制備了嵌入炭黑（CB）顆粒的靜電紡絲熱塑性聚氨酯（TPU）纖維膜基質作為導電聚合物復合材料，其具有可調支架網絡，以用于高靈敏度應變傳感器。這項工作研究了靜電紡絲過程中在不同收集裝置轉速下形成的立體支架網絡結構對TPU/CB應變傳感器電響應的影響。這種結構使傳感器在拉伸應變下表現出高靈敏度（在155％應變下的應變系數為8962.7），快速響應時間（60ms），出色的穩定性和耐久性（>10,000次循環）以及廣泛的可拉伸范圍（0-160％）。該高性能可穿戴柔性應變傳感器在智能終端、電子皮膚、語音檢測和人體運動監測等領域有著廣闊的應用前景。此外，還采用一種理論方法來分析材料的力學性能，并對基于隧道理論的模型進行了修正，以描述施加應變時電阻的相對變化。同時，本研究首次提出了基于該模型的兩個方程，為分析導電路徑數和相鄰導電粒子距離的變化提供了一種簡單而有效的方法。
圖1.TPU/CB應變傳感器的制備和表征。a）生產過程的示意圖和b）TPU/CB應變傳感器的柔性。TPU/CB應變傳感器的SEM圖像，c-d為100rpm，e-f為200rpm。
圖2.a）帶有樣品的拉伸測試夾具的示意圖，以及b）帶有Pico電流表的拉伸測試機的示意圖。c，e）RS-100和d，f）RS-200樣品的c，d）拉伸應力和電阻的正常變化（ΔR∕R0）與應變和e，f）GF的關系。g）RS-100、RS-200、TPU-100和TPU-200樣品的典型應力-應變曲線以及h）拉伸強度和斷裂伸長率。插圖：每個部分的GF除以10％的應變
圖3.研究TPU/CB應變傳感器的纖維直徑和支架網絡間隔面積的分布。a，e）RS-100和c，h）RS-200樣品的a，c）纖維直徑分布和e，g）支架間隔面積的直方圖，以及b，f）RS-100和d，h）RS-200樣品的相應SEM圖像。紅線和白線分別是直徑和實際長度（微米），支架間隔面積用黃色標記
圖4.機械滯后（HM）定量的示意圖；b）RS-100和c）RS-200應變傳感器的循環應力-應變曲線；d）TPU/CB傳感器的機械滯后（HM）
圖5.a）純TPU纖維膜和TPU/CB應變傳感器的TGA。b）體積圖
圖6.TPU/CB應變傳感器的性能。a）時間響應。插圖：所選區域的特寫。b）ΔR/R0與彎曲時弦長的關系。插圖：拉伸和壓縮模式的示意圖。各種微應變（c）和大應變（d）下的I-V曲線。e）TPU/CB應變傳感器的GF和最大應變與文獻報道的同類傳感器的比較
圖7.TPU/CB應變傳感器的傳感-應變特性。a）在各種最大應變下對重復拉伸響應的多循環測試。b）同一試樣在各種最大應變下的分級循環變形期間的應變-時間和R/R0-時間曲線。c）在70％應變下，不同頻率下電阻的歸一化變化（ΔR∕R0）。d）在100mm/min、0-10％應變下的10,000次拉伸-釋放循環
圖8.a）ΔR/R0的實驗和理論數據與應變的關系。RS-100和RS-200 TPU/CB應變傳感器的b）導電路徑和鄰近導電顆粒的變化
圖9.TPU/CB應變傳感器在人體運動中的傳感應用。a）手指彎曲，b）肌肉震顫，c）肘部彎曲，d）將樣品固定在脖子上說不同的單詞，插圖：手指彎曲、肌肉震顫、肘部彎曲和說話的示意圖
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