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美国哥伦比亚大学:研发超弹性SMF/炭黑气凝胶,用于高灵敏压力传感


  来源: 传感器专家网 时间:2023-11-22 编辑:白芷
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超弹性气凝胶具有快速响应和恢复时间,以及即使在大变形下也能具有出色的形状恢复性能,在可穿戴传感器应用中需求量很大。本文,哥伦比亚大学Penghui Zhu、Feng Jiang等研究人员在《Small》期刊发表名为“Superelastic Cellulose Sub-Micron Fibers/Carbon Black Aerogel for Highly Sensitive Pressure Sensing”的论文,研究成功研制了一种新型导电超弹性纤维素基气凝胶。气凝胶结合了纤维素亚微米纤维和炭黑 (SMF/CB) 纳米颗粒的网络,通过双冰模板组装和静电组装方法的结合实现。组装的纤维素亚微米纤维的掺入赋予气凝胶显著的超弹性,使其即使在经历 94 次压缩/恢复循环后仍能保持其原始高度的 6.10%。


此外,静电组装的 CB 纳米粒子还为纤维素气凝胶带来了卓越的导电性。这种导电性和超弹性的结合使 SMF/CB 气凝胶的响应时间达到了令人印象深刻的 7.7 毫秒,恢复时间达到了 12.8毫秒,超过了以往研究中报道的许多气凝胶传感器。作为概念验证,利用 SMF/CB 气凝胶构建了一个压力传感器和一个传感阵列,它们对人体的轻微和剧烈运动都表现出卓越的响应能力,这表明它在人体健康监测和人机交互方面具有巨大的应用潜力。


图文导读


图1、SMF/CB气凝胶设计策略示意图


图2、CNF、SMF 和 SMF/CB 悬浮液和气凝胶的形态表征


图3、SMF和SMF/CB气凝胶的机械性能


图4、SMF/CB气凝胶的传感性能


图5、SMF/CB气凝胶在检测各种人体运动中的应用演示


综上所述,通过双冰模板和静电组装工艺,采用自下而上的方法将CB纳米颗粒与SMF集成,成功开发了一种导电和超弹性气凝胶。SMF/CB气凝胶具有优异的弹性和耐久性,在88%应变下压缩7次和94 6次循环后,最大应力和高度分别保持40.50%和10.000%。此外,SMF/CB气凝胶还表现出良好的传感性能,检测限低至20 Pa,工作范围从20 Pa到6.5 kPa,灵敏度高达0.234 kPa−1,响应时间短,为 7.7 毫秒,恢复时间为 12.8 毫秒。最后,SMF/CB气凝胶对咳嗽、吞咽、语音识别、脉搏和肢体运动等各种人体运动表现出优异的响应性,在人体健康监测和人机交互领域具有潜在的应用前景。

关键词:气凝胶 压力传感 传感器    浏览量:13235

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