Small:基于自修复、自粘附和高度可拉伸纳米复合离子液体凝胶的大变形柔性共形变应变传感器

应变传感器通过电信号(电阻、电流、电容等)的响应,可以实现对物体形变的检测。柔性应变传感器在生物医疗设备、可穿戴电子智能设备、机器人、人-机接口、娱乐等领域中有广泛的应用前景。然而,制备柔性应变传感器的导电材料在使用过程中不可避免的会遭受结构损伤,影响传感器的数据可靠性和使用寿命,赋予柔性应变传感器自愈合性能有望解决上述问题。目前报道的大多数自愈合应变传感器的拉伸应变都非常低(~300%),难以实现在监测复杂曲面、大变形运动物体方面的应用且大多数仅适用于在室温下工作,严重限制了其应用范围。此外,应变传感器与被检测物体的非共形形变可导致被检测物与器件的剥离。因此设计制备兼具自愈合、自粘附和高拉伸,且可在较宽温度区间工作的大变形柔性共形变应变传感器具有挑战性。

图1 a) 纳米复合离子液体凝胶的制备流程示意图; b)Fe3O4@PAA在凝胶中分散的TEM照片; c)凝胶的自愈合性能和气球膨胀测试,将从中间切成四块的正方形样品愈合4小时后,自愈合样品可以膨胀成气球;d)基于凝胶的应变传感器测试气球膨胀过程的时间-形变(左)和时间-电阻(右)响应。

针对上述柔性应变传感器面临的挑战,西安交通大学陈咏梅教授团队利用动态金属配位键和共价键双交联法设计了一种同时具有自愈合、自粘附、高拉伸,且具有宽温度工作区间等性能的新型纳米复合离子液体凝胶材料,并制备了基于该凝胶的可监测大变形和异形形变的共形应变传感器。该新型离子液体凝胶材料通过将修饰了聚丙烯酸(PAA)四氧化三铁(Fe3O4)纳米粒子(Fe3O4@PAA)均匀掺杂到聚丙烯酸离子液体([C2mim][EtSO4], C8H16N2O4S)凝胶中,实现动态可逆的Fe(III)-Ocarboxyl金属配位键交联和疏松的共价键交联,得到优异性能的离子液体纳米复合材料。调节该凝胶的成分比例,可以获得高效的自愈合效率(95%),强粘附性能(347.3 N/m)以及高拉伸率(2000%)。该凝胶材料在低温(-20°C)和高温(60°C)条件下仍然具有优异的自愈合性能。该凝胶材料可自粘附于铜电极和弹性体的表面,便于构建应变传感器。基于该凝胶的应变传感器具有高灵敏度,在800-1400%应变范围内,灵敏度高达20。基于凝胶材料的应变传感器通过电阻的信号变化能够监测复杂曲面和运动物体的大变形,例如检测气球在充气过程中的形变。这种可检测大变形、异形变形的应变传感器在航天器机翼的伸展、可穿戴电子设备和智能服装、人机接口、柔性机器人和娱乐设备等方面具有潜在应用价值。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.201804651)上。