靜電紡納米纖維柔性應(yīng)變傳感器的研究現(xiàn)狀

閆 濤， 潘志娟,2

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021；2. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215123)

應(yīng)變傳感器是基于將物體受力所產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)換成電學(xué)性能變化的一種器件或裝置。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提高，全球應(yīng)變傳感器的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，然而傳統(tǒng)的基于金屬及半導(dǎo)體材料的應(yīng)變傳感器通常呈現(xiàn)出較低的敏感度、韌性和應(yīng)變范圍[1-2]，難以滿足在高應(yīng)變領(lǐng)域的需求，因此，柔性應(yīng)變傳感器的開(kāi)發(fā)問(wèn)題急需解決。

近二十年來(lái)，隨著納米材料的不斷發(fā)展，其在應(yīng)變傳感方面的應(yīng)用逐漸引起了人們的關(guān)注，常用的納米材料主要有石墨烯、碳納米管(CNT)、納米銀線等[3-5]，但由于高成本及復(fù)雜的制備工藝限制了納米材料的進(jìn)一步發(fā)展。納米纖維具有成本低、尺寸小、比表面積大等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為應(yīng)變傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于防護(hù)、過(guò)濾、健康監(jiān)測(cè)、能源收集等領(lǐng)域[6]。靜電紡絲是一種簡(jiǎn)單高效地制備納米纖維的方法，適用于多種聚合物及其復(fù)合材料，對(duì)納米纖維的結(jié)構(gòu)與性能可控性強(qiáng)，利用靜電紡納米纖維開(kāi)發(fā)具有高柔性、高敏感性的應(yīng)變傳感器具有較大的發(fā)展前景[7]。

利用納米纖維開(kāi)發(fā)應(yīng)變傳感器主要從3個(gè)方向出發(fā)：基于納米纖維自身的導(dǎo)電性或壓電性能，例如碳納米纖維(CNFs)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚吡咯納米纖維等；利用超聲、噴涂、聚合等方法將導(dǎo)電納米材料包覆于納米纖維表面；將導(dǎo)電納米材料均勻混合到聚合物中制備勻質(zhì)性的復(fù)合納米纖維，所用的導(dǎo)電納米材料主要有石墨烯、CNT、聚苯胺(PANI)、納米銀顆粒等。在傳感器設(shè)計(jì)上，納米纖維導(dǎo)電材料通常與聚合物復(fù)合以保證傳感器的柔韌性和穩(wěn)定性。柔性基體可很好地保護(hù)納米結(jié)構(gòu)并提高納米材料間的界面接觸，主要的基體材料有熱塑性聚氨酯(TPU)[8]、聚二甲基硅氧烷(PDMS)[9]、聚丙烯(PP)[10]、環(huán)氧樹(shù)脂[11]等。納米纖維在聚合物中的狀態(tài)主要有3種形式：將納米纖維均勻分散到聚合物中，再進(jìn)行鑄?；蚵輻U擠壓設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器；將納米纖維膜嵌入聚合物中形成三明治結(jié)構(gòu)；直接利用納米纖維膜自身設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器。

本文主要從納米纖維的類型出發(fā)，對(duì)不同的應(yīng)變傳感器制備方法及納米纖維對(duì)傳感器的應(yīng)變范圍、穩(wěn)定性、敏感度等性能的影響進(jìn)行綜合分析與比較，綜述了利用靜電紡納米纖維制備柔性應(yīng)變傳感器的研究現(xiàn)狀，并對(duì)納米纖維基應(yīng)變傳感器的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為納米纖維在柔性傳感器中的應(yīng)用提供參考。

1 碳納米纖維應(yīng)變傳感器

碳納米纖維(CNFs)是一種簡(jiǎn)單易得的導(dǎo)電納米材料，由于CNFs質(zhì)量輕、長(zhǎng)徑比大，并且具有優(yōu)異的電、熱及力學(xué)性能，與CNTs和石墨烯相比，具有更低的生產(chǎn)成本及更好的分散性，是設(shè)計(jì)高性能應(yīng)變傳感器的優(yōu)異填充材料。碳納米纖維可通過(guò)以下幾種方法制得：對(duì)聚丙烯腈溶液、纖維素溶液或絲素溶液通過(guò)靜電紡絲后，再進(jìn)行預(yù)氧化、炭化處理；通過(guò)氣相生長(zhǎng)法直接獲得。其中靜電紡絲因能夠大量制備高質(zhì)量的CNFs而被廣泛使用。

在應(yīng)變過(guò)程中，納米纖維的結(jié)構(gòu)變化可引起納米纖維自身及其導(dǎo)電納米填料形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，從而使傳感器自身電阻發(fā)生變化。傳感器靈敏度可通過(guò)敏感系數(shù)(GF)進(jìn)行表征[12]。

GF=(ΔR/R0)/ε

式中：ΔR為電阻變化量，Ω；R0為原始電阻,Ω；ε為應(yīng)變率，%。

均勻混合是一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)CNFs基應(yīng)變傳感器的方法。Paleo等[13]通過(guò)雙螺桿擠壓成型方法制備PP/CNFs應(yīng)變傳感器，并利用四點(diǎn)彎曲法測(cè)試其敏感性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該傳感器不但應(yīng)變范圍小，且敏感系數(shù)值僅為2.4，與金屬和半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器相當(dāng)，限制了其在高應(yīng)變領(lǐng)域的應(yīng)用。為提高敏感性能，通過(guò)高彈性聚丙烯/CNFs復(fù)合材料設(shè)計(jì)的傳感器的應(yīng)變范圍顯著提高[14]，在100%的應(yīng)變下，敏感系數(shù)值達(dá)到100，但傳感的穩(wěn)定性差。二者比較發(fā)現(xiàn)，聚合物基體材料的選擇對(duì)傳感器的性能具有較大影響，開(kāi)發(fā)具有高應(yīng)變范圍及敏感性的同時(shí)，提高傳感器的穩(wěn)定性至關(guān)重要。采用聚氯乙烯/CNFs制備的應(yīng)變傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其在保持高靈敏度 (42.6)和應(yīng)變范圍(50%)的同時(shí)，具有很好的重復(fù)性和可逆性，且對(duì)微小應(yīng)變具有較高的靈敏度[15]。

海綿多孔結(jié)構(gòu)CNFs柔性基是設(shè)計(jì)高性能應(yīng)變傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。Xu等[16]利用靜電紡絲法分別制備了聚丙烯腈(PAN)、聚酰亞胺(PI)納米纖維膜，再通過(guò)等離子體及高速攪拌機(jī)處理后，將二者混合到聚乙烯醇(PVA)水溶液中，最后將靜電紡PAN納米纖維炭化后加入上述混合物中，并對(duì)其進(jìn)行凍干處理獲得3-D導(dǎo)電海綿，在對(duì)該材料進(jìn)行230 ℃熱處理后制備得到壓敏應(yīng)變傳感器，探討了CNFs含量對(duì)傳感器性能的影響。這種具有高壓縮應(yīng)變范圍及恢復(fù)性的材料的電導(dǎo)率隨CNFs含量的增加而增加，敏感系數(shù)值先增加后減小，在CNFs與PAN/PI的質(zhì)量比為1∶3時(shí)，傳感器可經(jīng)受50%的壓縮應(yīng)變，并有優(yōu)異的回復(fù)性和穩(wěn)定性，但其敏感系數(shù)值低于10，且不能用于監(jiān)測(cè)牽伸應(yīng)變。為開(kāi)發(fā)能夠經(jīng)受高牽伸的應(yīng)變材料，Wu等[17]將棕糖與CNFs混合，再與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合，最后用水浸泡移除棕糖形成多孔PDMS/CNFs納米復(fù)合材料。利用該材料設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器在30%牽伸應(yīng)變下展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、靈敏性，同時(shí)其應(yīng)變-相對(duì)電阻變化曲線具有較好的線性關(guān)系；此外研究還發(fā)現(xiàn)，隨著CNFs含量的增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率增加，但傳感器的敏感系數(shù)值呈下降趨勢(shì)，在50%應(yīng)變、CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，傳感器的GF值為22.3。

具有三明治結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Ding等[18]將靜電紡PAN納米纖維膜炭化后切割成各種形狀，并嵌入到TPU基體中制備應(yīng)變傳感器，這種傳感器的應(yīng)變范圍較大(300%)，且在100%的應(yīng)變下展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，但該傳感器的敏感系數(shù)低，敏感系數(shù)值隨應(yīng)變的增大而增大，同時(shí)由于CNFs膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該傳感器很難檢測(cè)到微弱的形變。為實(shí)現(xiàn)對(duì)微小應(yīng)變的精確監(jiān)測(cè)，Wang等[19]將靜電紡絲素納米纖維膜進(jìn)行炭化處理后嵌入到PDMS基體中，設(shè)計(jì)出柔性、透明的壓敏傳感器，討論了納米纖維膜厚度對(duì)傳感器性能的影響。結(jié)果表明，該傳感器的敏感系數(shù)隨納米纖維膜厚度的增加而減小，能夠監(jiān)測(cè)到34.47 kPa-1的壓力變化，同時(shí)具有快速響應(yīng)(16.7 ms)及優(yōu)異的穩(wěn)定性。

YAN等[20]利用CNFs紗及其織物設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器。首先利用碳/石墨烯復(fù)合納米纖維紗與TPU復(fù)合設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器，主要研究了紗線根數(shù)及TPU基體厚度對(duì)傳感器性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳感器的敏感系數(shù)隨紗線根數(shù)的增加而減小，但是穩(wěn)定性增強(qiáng)；隨基體厚度的增加，傳感器的穩(wěn)定性也增加。在 4根紗線并列、基體厚度為185 μm時(shí)，傳感器的敏感系數(shù)值為403，且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，但是其最大牽伸應(yīng)變僅為2%，應(yīng)變-相對(duì)電阻變化曲線的線性關(guān)系較差。為提高應(yīng)變范圍，織造了以CNFs紗為緯紗的織物，討論了緯紗密度及基體厚度對(duì)傳感器性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨緯紗密度的增加，織物結(jié)構(gòu)的覆蓋率增加，傳感器的應(yīng)變范圍減小；敏感系數(shù)隨傳感器厚度的增加先增加后減小，其最大應(yīng)變范圍達(dá)到12%，且線性擬合系數(shù)達(dá)到0.993，其最大敏感系數(shù)值為77.3[21]。

CNFs也可用于監(jiān)測(cè)建筑物結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。例如，Dalla等[22]將CNFs/多壁碳納米管(CNTs)混合到水泥漿料中用于檢測(cè)混凝土基體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，主要討論了應(yīng)變與結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致電阻變化之間的關(guān)系，這可為建筑物結(jié)構(gòu)的安全性提供有效地預(yù)警措施。

綜上可知，由于CNFs自身的應(yīng)變能力低，由其制備同時(shí)具有高應(yīng)變及高敏感性的應(yīng)變傳感器仍存在很多挑戰(zhàn)?？紤]到CNFs膜的應(yīng)變范圍，高取向的納米纖維膜或與其他導(dǎo)電納米材料復(fù)合有利于提高傳感器的應(yīng)變范圍，同時(shí)保持傳感器的高敏感性。

2 聚偏二氟乙烯納米纖維應(yīng)變傳感器

靜電紡絲過(guò)程可使PVDF中的β晶型結(jié)構(gòu)比例顯著提高，壓電性能增強(qiáng)，具有壓電效應(yīng)的PVDF納米纖維無(wú)需進(jìn)一步極化處理，可直接組裝成高性能壓電器件，故PVDF納米纖維基應(yīng)變傳感器具有設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、流程短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

純PVDF納米纖維可作為壓電材料制備三明治結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器。Wang等[23]將靜電紡PVDF納米纖維膜與PDMS/納米銀線電極組合制備壓電傳感器，研究了不同壓力及頻率下傳感器的信號(hào)強(qiáng)度。結(jié)果表明，壓力的大小與感應(yīng)強(qiáng)度具有優(yōu)異的線性關(guān)系，同時(shí)該傳感器可檢測(cè)聲帶震動(dòng)等微小的形變，但是其敏感系數(shù)較低。為獲得更高的敏感度，Li等[24]將PVDF納米纖維膜夾在2個(gè)PVDF/石墨烯電極膜之間，由于活性層和電極層材料都具有高壓電活性的β晶型結(jié)構(gòu)，該傳感器在壓力與輸出功率之間呈現(xiàn)高的線性關(guān)系，且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性；同時(shí)該器件最大開(kāi)路電壓、短路電流和功率密度分別達(dá)到46 V、18 μA和18.1 μW/cm2。為進(jìn)一步提高敏感度及實(shí)用性，開(kāi)發(fā)超薄PVDF納米纖維膜與柔性基體復(fù)合形成三明治結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器成為一種有效的方法[25]，其能夠感知1 μm的微小形變，且在拉伸(30%)及折疊(180°)過(guò)程中展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；同時(shí)該傳感器厚度低于100 μm，能夠貼附于人體皮膚表面監(jiān)測(cè)小于10 μm的應(yīng)變。這種由PVDF納米纖維設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器能夠附著于手套上，通過(guò)人體手指的運(yùn)動(dòng)成功地控制機(jī)器人手指的彎曲形態(tài)[26]，這為該類型傳感器的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

更多的研究者利用PVDF復(fù)合納米纖維設(shè)計(jì)柔性壓敏應(yīng)變傳感器，核-鞘結(jié)構(gòu)是一種重要的復(fù)合形式。Sharma等[27]利用聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)作芯層，PVDF作鞘層，通過(guò)靜電紡絲制備高取向的復(fù)合納米纖維，并設(shè)計(jì)壓力傳感器。結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于核-鞘結(jié)構(gòu)納米纖維傳感器的信號(hào)強(qiáng)度是純PVDF納米纖維的4.5倍，敏感度是普通薄膜結(jié)構(gòu)的40倍，這表明利用PVDF復(fù)合納米纖維設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器具有更加優(yōu)異的發(fā)展前景。例如，基于PDMS離子凝膠/ PVDF芯鞘結(jié)構(gòu)納米纖維膜設(shè)計(jì)的壓力應(yīng)變傳感器在10 Pa至1.5 kPa的低壓范圍內(nèi)，傳感器能夠提供0.43 kPa-1的高靈敏度，同時(shí)能夠忍受60%的壓縮應(yīng)變[28]。

通過(guò)摻雜、包覆等方法也可有效提高PVDF基應(yīng)變傳感器的性能。例如，基于Ce3+摻雜靜電紡PVDF/石墨烯復(fù)合納米纖維開(kāi)發(fā)的柔性超靈敏應(yīng)變傳感器能夠在6.6 kPa的壓力作用下，輸出電壓及功率分別達(dá)到11 V、6.8 μW，并且在極低的壓力(2 Pa)下也可實(shí)現(xiàn)超高的靈敏度，有效檢測(cè)微小的外部壓力[29]。Yu等[30]通過(guò)原位聚合法在靜電紡PVDF納米纖維表面形成一層PANI導(dǎo)電層，研究不同程度的拉伸及壓縮應(yīng)變對(duì)傳感器性能的影響。結(jié)果表明，該傳感器能夠承受110%的拉伸形變，是普通PANI/PVDF非織造布的2.6倍；同時(shí)該傳感器在85%應(yīng)變下具有高線性響應(yīng)性，在22%的牽伸應(yīng)變及彎曲條件下具有極佳的穩(wěn)定性，這為PVDF納米纖維基高牽伸應(yīng)變傳感器的制備提供了新的思路。

傳感器的設(shè)計(jì)需要考慮其后期的實(shí)用性，為此，Zhou等[31]利用PEDOT包覆的靜電紡PVDF納米纖維紗制備機(jī)織物，并開(kāi)發(fā)能夠自供電的柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器顯示出高的靈敏度、寬的壓力范圍、快速響應(yīng)時(shí)間及耐久性。雖然這種PVDF復(fù)合材料傳感器顯示出優(yōu)異的敏感性能，能夠?qū)嚎s形變實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但該傳感器不能忍受大的牽伸形變。

3 聚氨酯納米纖維應(yīng)變傳感器

聚氨酯(TPU)納米纖維具有優(yōu)異的彈性及回復(fù)性，是設(shè)計(jì)高應(yīng)變傳感器的優(yōu)秀基體材料，但是其導(dǎo)電性能差，只能與其他高導(dǎo)電性納米材料復(fù)合后制作應(yīng)變傳感器，主要導(dǎo)電材料有石墨烯、CNT、PANI、聚吡咯(PPy)等。賦予TPU納米纖維導(dǎo)電性的常用方法有均勻混合法、包覆法和原位聚合等。與CNFs及PVDF基傳感器相比，該類傳感器具有更加優(yōu)異的應(yīng)變性能。

CNTs是一種常用的導(dǎo)電納米材料，通過(guò)超聲包覆可顯著提高TPU納米纖維的電學(xué)性能。例如，Li等[32]將TPU納米纖維紗在CNTs分散體系中進(jìn)行連續(xù)超聲包覆處理，再利用PDMS包覆復(fù)合紗；納米纖維紗在吸附CNTs后電導(dǎo)率顯著提高，該紗線易與聚合物和紡織品結(jié)合制作為應(yīng)變傳感器，雖然該傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變范圍及穩(wěn)定性，但其敏感系數(shù)值僅為1.67。由以上結(jié)果可知，在牽伸過(guò)程中，具有管狀細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)電性CNTs之間的接觸電阻不易發(fā)生變化，由其形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，但導(dǎo)致傳感器的敏感性差。

石墨烯不但具有高的導(dǎo)電性及力學(xué)性能，且其片狀結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)與納米纖維結(jié)合，為其在應(yīng)變傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Hu等[33]將靜電紡TPU納米纖維浸入氧化石墨烯(GO)水溶液中，并對(duì)超聲后的復(fù)合膜進(jìn)行化學(xué)還原處理，獲得一種高柔性、可拉伸的石墨烯/TPU復(fù)合納米纖維基應(yīng)變傳感器。結(jié)果表明，該傳感器的電阻隨應(yīng)變的增加而減小，在應(yīng)變達(dá)到40%時(shí)，其電阻減小25%。由于石墨烯層具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能，這種石墨烯包覆技術(shù)為可拉伸石墨烯應(yīng)變傳感器提供一種有效的制備方法。為進(jìn)一步提高傳感器的性能，Wang等[34]利用相同的方法直接將石墨烯均勻地包覆到TPU纖維表面形成導(dǎo)電層，制備出具有特殊三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的柔性應(yīng)變傳感器。這種特殊的分層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及TPU的高彈性賦予傳感器更高的靈敏度和應(yīng)變范圍，在10%的應(yīng)變下敏感系數(shù)值為11，在100%的應(yīng)變下敏感系數(shù)值為79，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。這種超聲法可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)石墨烯的有效包覆，從而獲得高性能應(yīng)變傳感器。

均勻混合法是一種更加簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)具有更大應(yīng)變范圍及敏感性的TPU納米纖維基應(yīng)變傳感器的制備方法。Qi等[35]利用靜電紡絲方法獲得GO/PU復(fù)合納米纖維，經(jīng)等離子體處理后浸入FeCl3中，然后經(jīng)干燥后浸入到3,4-乙烯二氧噻吩單體溶液中，最后通過(guò)無(wú)水乙醇清洗、真空干燥處理獲得GO/PU/PEDOT復(fù)合納米纖維膜，將該膜與PDMS復(fù)合獲得三明治結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器。結(jié)果表明，該傳感器不但能夠監(jiān)測(cè)不同的壓力應(yīng)變，而且可對(duì)大的牽伸應(yīng)變實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，可感知1 Pa～20 kPa 及不同頻率的壓力變化和0.5%～550%的牽伸應(yīng)變，壓敏系數(shù)值為20.6 kPa-1；在100%牽伸應(yīng)變范圍內(nèi)敏感系數(shù)值為10.1，在100%～400%牽伸應(yīng)變時(shí)敏感系數(shù)值為34.8，大于400%牽伸應(yīng)變時(shí)敏感系數(shù)值為193.2，且都表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性；同時(shí)其適用于脈搏監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別等，這種超薄的柔性應(yīng)變傳感器在可穿戴設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

PANI是一種高導(dǎo)電性、易聚合的導(dǎo)電聚合物，但是其彈性較差，而高彈性的TPU可彌補(bǔ)PANI的不足，與石墨烯及CNT相比，這種高彈導(dǎo)電材料制備簡(jiǎn)單，成本低，且導(dǎo)電層不易脫落，可賦予傳感器優(yōu)異的耐久性。例如，Tong等[36]利用原位聚合法在高彈性靜電紡TPU納米纖維膜表面包覆一層PANI，并利用其設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器。該傳感器可檢測(cè)0 ～ 160%的應(yīng)變。在120%應(yīng)變內(nèi)的敏感系數(shù)值為6.7，120%～150%應(yīng)變時(shí)敏感系數(shù)值為49.5，且響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。此外，該復(fù)合材料能在不同的溫度下具有不同的導(dǎo)電率，適用于溫度檢測(cè)。

PPy是一種具有生物相容性的導(dǎo)電聚合物，可用于生物、傳感及儲(chǔ)能材料。Kim等[37]將PPy原位聚合在TPU納米纖維膜上，再利用PDMS包覆復(fù)合膜設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器，研究了吡咯濃度和層數(shù)對(duì)傳感器性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PPy的濃度為 0.1 mol/L并包覆2層PDMS時(shí)，應(yīng)變傳感器的拉伸性能最好，可監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)在不同頻率下的彎曲程度。

以上結(jié)果表明，TPU納米纖維易與導(dǎo)電納米材料實(shí)現(xiàn)多種形式的有效結(jié)合，在提高敏感性能的同時(shí)，保持應(yīng)變傳感器優(yōu)異的應(yīng)變范圍，這種高彈性材料在智能服裝領(lǐng)域具有重大發(fā)展前景。

4 其他納米纖維應(yīng)變傳感器

聚酰胺6(PA6)及聚乳酸等納米纖維材料也可應(yīng)用于應(yīng)變傳感器的制備。Wang等[38]通過(guò)超聲方法將CNT包覆于靜電紡PA6納米纖維上，并將其嵌入到PVA基體中，制備CNT/ PA6/PVA導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)變傳感器，研究CNT含量和CNT/PA6納米纖維膜的嵌入層數(shù)對(duì)拉伸傳感性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨CNT含量及復(fù)合膜層數(shù)的增加，傳感器的應(yīng)變范圍減小，在CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、CNTs/PA6纖維膜為2層時(shí)，制備的傳感器具有更好的綜合性能。雖然該傳感器的應(yīng)變范圍超過(guò)200%，但其敏感系數(shù)較低，且穩(wěn)定性較差，這與Li等[32]的研究結(jié)果相同。

Zhao等[39]利用聚乳酸、絲素纖維、膠原蛋白為原料，通過(guò)靜電紡絲方法制備了復(fù)合納米膜，再經(jīng)過(guò)原位聚合PPy形成導(dǎo)電層，并將其夾持于2層未包覆PPy的復(fù)合納米膜中間，形成三明治結(jié)構(gòu)壓力傳感器。雖然該裝置不適用于大的形變監(jiān)測(cè)，但可靈敏地檢測(cè)由硬幣和手指敲擊/按壓引起的微小外部壓力，且具有良好的穩(wěn)定性，此外可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指/手臂彎曲、動(dòng)脈脈搏、呼吸速率等人體健康監(jiān)測(cè)。

由以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)同時(shí)擁有高敏感性、應(yīng)變范圍、穩(wěn)定性，且在應(yīng)變-相對(duì)電阻變化之間具有優(yōu)異線性關(guān)系的靜電紡納米纖維基高性能柔性應(yīng)變傳感器，還需要進(jìn)行更加深入的研究。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)，納米纖維應(yīng)變傳感器因得到眾多研究者的青睞而開(kāi)始發(fā)展，靜電紡納米纖維的優(yōu)異性能使傳感器在尺寸、柔韌性以及可操作性上具有眾多優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的金屬與半導(dǎo)體材料相比，雖然靜電紡納米纖維應(yīng)變傳感器具有更加優(yōu)異的靈敏度及延伸性，但在實(shí)際使用上還有較多的問(wèn)題亟需解決。本文總結(jié)了目前傳感器用納米纖維的類型、應(yīng)變傳感器制備方法及其對(duì)傳感器性能的影響：1)基體的應(yīng)變能力及恢復(fù)性越高，傳感器的應(yīng)變范圍及穩(wěn)定性越好；2)當(dāng)導(dǎo)電基體形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在應(yīng)變過(guò)程中易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷且初始電阻越小時(shí)，傳感器的敏感系數(shù)越高；3)導(dǎo)電性復(fù)合納米纖維自身的電阻越小、應(yīng)變范圍越大時(shí)，傳感器的性能越好；4)當(dāng)包覆于納米纖維表面的導(dǎo)電層有效應(yīng)變范圍大、電阻小時(shí)，傳感器的敏感系數(shù)及有效延伸性高。

基于靜電紡納米纖維的應(yīng)變傳感器可從以下幾方面進(jìn)一步開(kāi)展研究：1)將導(dǎo)電納米材料均勻分散于高彈性納米纖維中，并在其表面包覆高導(dǎo)電性材料，有望在提高傳感器敏感系數(shù)的同時(shí)保持高的應(yīng)變范圍；2)輕薄型納米纖維傳感器易與皮膚、織物之間進(jìn)行復(fù)合，在智能紡織品與服裝及身體狀況監(jiān)測(cè)等方面具有良好的實(shí)用價(jià)值，值得系統(tǒng)的深入研究與探索；3)柔性納米纖維紗傳感器可直接參與織物的編織，易于實(shí)現(xiàn)傳感器在智能服裝領(lǐng)域的應(yīng)用。靜電紡絲技術(shù)可作為一種簡(jiǎn)單、低成本的技術(shù)手段生產(chǎn)具有優(yōu)異性能的柔性應(yīng)變傳感器用納米纖維材料。

FZXB