DOI: 10.1002/aelm.202100233

近年来，可穿戴柔性电子应变传感器设备发展迅速，其具有在多种情况下检测人体运动的潜在能力。然而，制备在较宽工作应变范围内具有高灵敏度的应变传感器仍然是一个巨大的挑战。为了应对这一挑战，本文报道了一种基于弹性体/碳纳米管复合纤维的新型应变传感器。首先，通过静电纺丝苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）制备了弹性体纤维。然后在真空过滤和超声处理下，依次用多巴胺（DA）涂层和羧基（-COOH）接枝多壁碳纳米管（MWCNTs）涂覆SEBS纤维以进行功能化。扫描电子显微镜（SEM）和热重分析表明，大量MWCNTs牢固地结合在SEBS纤维上且分布均匀。基于SEBS@PDA/MWCNTs复合纤维的应变传感器表现出优异的性能，包括3717的高应变系数和高达530％的大可用应变范围。此外，本研究所开发的传感器在监测小应变（例如，脉搏和声带振动）和大应变（例如，手指、肘部和膝盖弯曲）方面表现出出色的耐洗性和较好的灵敏度。

图1.制备SEBS@PDA/MWCNTs纤维复合材料的图示。

图2.分别为a,a’）纯SEBS和b,b’）SEBS@PDA的SEM图像和EDX光谱。SEBS@PDA中c）C、d）N和e）O的EDX映射图像。

图3.经过不同时间的真空过滤后，a）SEBS/MWCNTs和b）SEBS@PDA/MWCNTs的TGA曲线。c）经过不同时间的真空过滤后，SEBS/MWCNTs纤维和SEBS@PDA/MWCNTs纤维中MWCNTs含量之间的关系。

图4.a）纯SEBS、SEBS@PDA和SEBS@PDA/MWCNTs的XPS宽扫描光谱。b）纯SEBS、c）SEBS@PDA、d）SEBS@PDA/MWCNTs的C1s核心能级光谱。

图5.a）纤维复合材料的薄层电阻。b）SEBS@PDA/1MWCNTs、c）SEBS@PDA/2MWCNTs、d）SEBS@PDA/3MWCNTs、e）SEBS@PDA/4MWCNTs和f）SEBS@PDA/5MWCNTs的SEM图像。

图6.a）纯SEBS、SEBS@PDA和SEBS@PDA/MWCNTs纤维在100mm/min拉伸速率下的应力-应变曲线。b）纯SEBS纤维、c）SEBS@PDA纤维和d）SEBS@PDA/MWCNTs纤维在不同应变下进行初始五个拉伸循环的应力-应变曲线。e）SEBS、SEBS@PDA和SEBS@PDA/MWCNTs纤维在不同应变下的消散能量。

图7.a）纤维复合材料在拉伸速率为10mm/min时的相对阻力-应变曲线。b）拉伸过程中纤维复合材料的纵向截面示意图。c）拉伸过程中纤维表面的SEM图像。d）拉伸速率为10mm/min时纤维复合材料的应变系数-应变曲线。e）过去4年文献中报告的最大GF值和最大可用应变值的总结以及本研究的结果。

图8.a）在频率为0.008Hz的拉伸循环中，研究了纤维复合材料在30％、50％、100％、150％、200％和250％不同应变下的相对电阻变化。b）在拉伸速率为10mm/min的拉伸循环中，纤维复合材料在5％、10％、50％、100％、150％、200％和250％不同应变下的相对电阻变化。c）纤维复合材料在5、10、50和100mm/min不同拉伸速率以及100％应变下的相对电阻变化。

图9.a）纤维复合材料在10％、50％、100％、150％、200％、250％和300％不同应变下的电流和电压。b）在0-40％应变和0.25Hz频率下循环2500次。

图10.a）不同洗涤时间下纤维复合材料的薄层电阻。b）当拉伸速率为10mm/min时，洗涤后的纤维复合材料的相对阻力-应变曲线。c）在拉伸速率为10mm/min的拉伸循环中，洗涤后的纤维复合材料在100％应变下的相对电阻变化。

图11.用于监测人体运动的应变传感器。a）脉搏，b）声带振动，c）手指弯曲，d）肘部弯曲，e）膝盖弯曲。