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静电纺纳米纤维柔性应变传感器的研究现状

闫涛;潘志娟

【摘要】为系统分析静电纺纳米纤维应变传感器的设计方法和材料种类对传感性

能的影响,进一步明晰其传感机制,综述了碳纳米纤维、聚偏二氟乙烯和聚氨酯纳米

纤维基柔性应变传感器的制备方法,比较了这些传感器的敏感系数、应变范围及稳

定性等的优势与缺陷,介绍了静电纺纳米纤维材料应变传感器在人体运动、生命健

康监测等领域的研究现状和发展趋势.最后提出传感器基体的应变能力及恢复性对

其应变范围及稳定性具有决定性影响,其基体形成的导电网络结构在应变过程中易

发生结构损伤,且初始电阻越小,基体及导电网络的有效应变范围越大,传感器的性能

越好,认为未来开发具有高应变范围、灵敏性及稳定性的静电纺纳米纤维基应变传

感器将是一个重要发展方向.

【期刊名称】《纺织学报》

【年(卷),期】2018(039)012

【总页数】7页(P152-157,165)

【关键词】静电纺丝;纳米纤维;应变传感器;碳纳米纤维;聚偏二氟乙烯纳米纤维;聚

氨酯纳米纤维

【作者】闫涛;潘志娟

【作者单位】苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州215021;苏州大学纺织与

服装工程学院,江苏苏州215021;苏州大学现代丝绸国家工程实验室,江苏苏州

215123

【正文语种】中文

【中图分类】TM242

应变传感器是基于将物体受力所产生的形变转换成电学性能变化的一种器件或装置。

随着工业生产自动化水平的不断提高，全球应变传感器的市场规模不断扩大，然而

传统的基于金属及半导体材料的应变传感器通常呈现出较低的敏感度、韧性和应变

范围[1-2]，难以满足在高应变领域的需求，因此，柔性应变传感器的开发问题急

需解决。

近二十年来，随着纳米材料的不断发展，其在应变传感方面的应用逐渐引起了人们

的关注，常用的纳米材料主要有石墨烯、碳纳米管(CNT)、纳米银线等[3-5]，但由

于高成本及复杂的制备工艺限制了纳米材料的进一步发展。纳米纤维具有成本低、

尺寸小、比表面积大等优势，已经成为应变传感领域的研究热点，可广泛应用于防

护、过滤、健康监测、能源收集等领域[6]。静电纺丝是一种简单高效地制备纳米

纤维的方法，适用于多种聚合物及其复合材料，对纳米纤维的结构与性能可控性强，

利用静电纺纳米纤维开发具有高柔性、高敏感性的应变传感器具有较大的发展前景

[7]。

利用纳米纤维开发应变传感器主要从3个方向出发：基于纳米纤维自身的导电性

或压电性能，例如碳纳米纤维(CNFs)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚吡咯纳米纤维等；

利用超声、喷涂、聚合等方法将导电纳米材料包覆于纳米纤维表面；将导电纳米材

料均匀混合到聚合物中制备匀质性的复合纳米纤维，所用的导电纳米材料主要有石

墨烯、CNT、聚苯胺(PANI)、纳米银颗粒等。在传感器设计上，纳米纤维导电材

料通常与聚合物复合以保证传感器的柔韧性和稳定性。柔性基体可很好地保护纳米

结构并提高纳米材料间的界面接触，主要的基体材料有热塑性聚氨酯(TPU)[8]、聚

二甲基硅氧烷(PDMS)[9]、聚丙烯(PP)[10]、环氧树脂[11]等。纳米纤维在聚合物

中的状态主要有3种形式：将纳米纤维均匀分散到聚合物中，再进行铸模或螺杆

挤压设计应变传感器；将纳米纤维膜嵌入聚合物中形成三明治结构；直接利用纳米

纤维膜自身设计应变传感器。

本文主要从纳米纤维的类型出发，对不同的应变传感器制备方法及纳米纤维对传感

器的应变范围、稳定性、敏感度等性能的影响进行综合分析与比较，综述了利用静

电纺纳米纤维制备柔性应变传感器的研究现状，并对纳米纤维基应变传感器的发展

趋势进行了展望，以期为纳米纤维在柔性传感器中的应用提供参考。

1碳纳米纤维应变传感器

碳纳米纤维(CNFs)是一种简单易得的导电纳米材料，由于CNFs质量轻、长径比

大，并且具有优异的电、热及力学性能，与CNTs和石墨烯相比，具有更低的生

产成本及更好的分散性，是设计高性能应变传感器的优异填充材料。碳纳米纤维可

通过以下几种方法制得：对聚丙烯腈溶液、纤维素溶液或丝素溶液通过静电纺丝后，

再进行预氧化、炭化处理；通过气相生长法直接获得。其中静电纺丝因能够大量制

备高质量的CNFs而被广泛使用。

在应变过程中，纳米纤维的结构变化可引起纳米纤维自身及其导电纳米填料形成的

导电网络结构的变化，从而使传感器自身电阻发生变化。传感器灵敏度可通过敏感

系数(GF)进行表征[12]。

GF=(ΔR/R0)/ε

式中：ΔR为电阻变化量，Ω；R0为原始电阻,Ω；ε为应