DOI: 10.1007/s40820-021-00592-9

近年来，高性能可穿戴应变传感器在学术界和工业领域备受关注。本研究制备了嵌入炭黑（CB）颗粒的静电纺丝热塑性聚氨酯（TPU）纤维膜基质作为导电聚合物复合材料，其具有可调支架网络，以用于高灵敏度应变传感器。这项工作研究了静电纺丝过程中在不同收集装置转速下形成的立体支架网络结构对TPU/CB应变传感器电响应的影响。这种结构使传感器在拉伸应变下表现出高灵敏度（在155％应变下的应变系数为8962.7），快速响应时间（60ms），出色的稳定性和耐久性（>10,000次循环）以及广泛的可拉伸范围（0-160％）。该高性能可穿戴柔性应变传感器在智能终端、电子皮肤、语音检测和人体运动监测等领域有着广阔的应用前景。此外，还采用一种理论方法来分析材料的力学性能，并对基于隧道理论的模型进行了修正，以描述施加应变时电阻的相对变化。同时，本研究首次提出了基于该模型的两个方程，为分析导电路径数和相邻导电粒子距离的变化提供了一种简单而有效的方法。

图1.TPU/CB应变传感器的制备和表征。a）生产过程的示意图和b）TPU/CB应变传感器的柔性。TPU/CB应变传感器的SEM图像，c-d为100rpm，e-f为200rpm。

图2.a）带有样品的拉伸测试夹具的示意图，以及b）带有Pico电流表的拉伸测试机的示意图。c，e）RS-100和d，f）RS-200样品的c，d）拉伸应力和电阻的正常变化（ΔR∕R0）与应变和e，f）GF的关系。g）RS-100、RS-200、TPU-100和TPU-200样品的典型应力-应变曲线以及h）拉伸强度和断裂伸长率。插图：每个部分的GF除以10％的应变

图3.研究TPU/CB应变传感器的纤维直径和支架网络间隔面积的分布。a，e）RS-100和c，h）RS-200样品的a，c）纤维直径分布和e，g）支架间隔面积的直方图，以及b，f）RS-100和d，h）RS-200样品的相应SEM图像。红线和白线分别是直径和实际长度（微米），支架间隔面积用黄色标记

图4.机械滞后（HM）定量的示意图；b）RS-100和c）RS-200应变传感器的循环应力-应变曲线；d）TPU/CB传感器的机械滞后（HM）

图5.a）纯TPU纤维膜和TPU/CB应变传感器的TGA。b）体积图

图6.TPU/CB应变传感器的性能。a）时间响应。插图：所选区域的特写。b）ΔR/R0与弯曲时弦长的关系。插图：拉伸和压缩模式的示意图。各种微应变（c）和大应变（d）下的I-V曲线。e）TPU/CB应变传感器的GF和最大应变与文献报道的同类传感器的比较

图7.TPU/CB应变传感器的传感-应变特性。a）在各种最大应变下对重复拉伸响应的多循环测试。b）同一试样在各种最大应变下的分级循环变形期间的应变-时间和R/R0-时间曲线。c）在70％应变下，不同频率下电阻的归一化变化（ΔR∕R0）。d）在100mm/min、0-10％应变下的10,000次拉伸-释放循环

图8.a）ΔR/R0的实验和理论数据与应变的关系。RS-100和RS-200 TPU/CB应变传感器的b）导电路径和邻近导电颗粒的变化

图9.TPU/CB应变传感器在人体运动中的传感应用。a）手指弯曲，b）肌肉震颤，c）肘部弯曲，d）将样品固定在脖子上说不同的单词，插图：手指弯曲、肌肉震颤、肘部弯曲和说话的示意图