随着可穿戴电子设备和软体机器人技术的快速发展，柔性应变传感器在人体运动监测、健康管理与人机交互等领域的价值日益凸显。理想的应变传感器需要同时具备高灵敏度、宽工作应变范围、优异的机械稳定性和良好的循环耐久性。然而，在实际研发中，这些性能指标往往难以通过简单、可规模化的工艺同时实现。
目前，多数纱线类传感器是将碳纳米管、石墨烯或金属纳米线等导电材料加载到弹性纱线表面，使其具备应变响应能力。尽管这些方法具有工艺简便、可拓展性强的优点，但其形成的导电网络大多局限在二维表层，缺乏足够的应变适应性，在大变形条件下容易出现导电层开裂或界面剥离，导致传感性能迅速衰减。为突破这一瓶颈，研究人员尝试通过结构设计与多重导电路径构建来提升稳定性，但往往仍在灵敏度与应变范围之间存在权衡。因此，如何兼顾这两方面，成为柔性电子领域的关键挑战。
近日，绍兴文理学院洪剑寒教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表题为“Micro/Nanostructured Sensing Yarn with Ultra-Wide Strain Range Enabled by a Nano-Topological Conductive Network”研究成果。该研究利用水浴静电纺丝和碳纳米管浆料浸渍工艺相结合，一步法高效制备出具有层级结构的碳纳米管（CNT）/氨纶/聚氨酯（TPU）纳米纤维复合纱线（CSTY）。该设计通过在氨纶芯纱表面包覆TPU纳米纤维膜，并将其完全浸渍CNT浆料中，使其在表面形成了一个三维纳米拓扑导电网络，在应力作用下，由于“纤维取向重构”与“导电膜微裂纹调控”的协同作用，有效解决了材料表面导电层易开裂脱落导致电阻信号丢失的问题，从而在大应变情况下仍具备稳定、可重复的电学响应。该纱线可实现复杂动作的高精度监测，展现广阔应用潜力。
图1 水浴静电纺丝设备示意图以及CSTY的制备流程与应用场景
通过自主设计的多针水浴静电纺丝装置，利用芯纱的自转在其表面包覆一层TPU纳米纤维膜，并在后道工艺通过浸渍分散在PVP中的CNT 浆料实现导电组分的负载，最后进行烘干并收集，该设备实现了一步法高效连续化制备。SEM图像可以看出芯纱表层均匀致密的纳米纤维结构，该结构不仅提升了比表面积和孔隙率，确保CNT的有效黏附与分布，也为构建可重构导电网络奠定了基础。
图2 CSTY的SEM图
通过改变CNT浆料浓度制备了一系列样品。图中可以看出，随着浆料浓度增加，样品颜色由浅灰逐渐转为深黑，体现了导电组分负载量的增加。SEM图像进一步揭示了结构演化规律：低浓度下CNT分布稀疏，导电通路不连续；随着浆料浓度的增加，CNT均匀黏附于纳米纤维骨架，形成稳定的三维互穿网络；而高浓度则会产生团聚，破坏了原有的多孔结构，从而限制性能提升。
图3 CSTY的电/力学性能表征
随后对纱线的力学与电学性能进行了系统评估。随着CNT浓度升高，纱线的线密度有所增加，进一步表明导电组分负载量增加。力学测试结果显示，CSTY在保持约600%高拉伸性的同时，其断裂强力较氨纶芯纱有明显提高，这得益于包覆层对芯纱的集束作用。电学性能测试进一步显示，CNT浓度≥1.0 wt%的样品在水洗与皂洗后仍保持稳定导电性，这是由于洗涤作用会导致浆料中的绝缘组分PVP的去除，使得CNT之间的联系更加紧密，从而导致电阻下降。
图4 CSTY的传感性能
针对不同的CSTY传感性能进行研究，发现CSTY-1.0具有最高灵敏度（GF = 22.42），但稳定性较差；CSTY-2.5虽能承受高达400%的应变，却因导电组分之间连接过于紧密导致灵敏度较低。相比之下，CSTY-1.5在灵敏度、线性度与稳定性之间实现最佳平衡，在10%应变下展现63 ms的快速响应，并在80%应变下经5000次循环拉伸后无明显漂移。此外，该样品表现出应变速率无关性（50% 应变下不同加载速率波形一致）、0.1%的最低可检测应变及优异的水洗稳定性。对比文献结果表明，该纱线在应变范围与综合性能方面均处于前沿水平。
图5 CSTY的传感机理示意图
由于“纳米纤维取向重构”+“微裂纹调控”的双层级协同机制，使得该材料在大应变情况下依旧保持传感信号。在拉伸过程中，低应变情况下，CNT/TPU 网络形成连续导电通路；随着应变增加，CNT浆料膜逐渐产生微裂纹，破坏部分通路的同时促进新通路形成；同时，TPU纳米纤维逐步取向重构，由无序排列转为沿拉伸方向有序排列。二者协同作用使导电网络在大应变条件下仍保持连续性，从而解释了其在 400% 应变下依旧具备稳定电学响应的根本原因。
图6 CSTY作为传感组件的实际应用
将传感纱线集成于弹性绷带后，可实现对多层次人体动作的实时监测。在微小动作层面，笑容、握拳及喉部振动均产生清晰电信号；在大幅度动作层面，手腕弯曲、手臂屈伸及膝关节运动表现出稳定可重复的波形。此外，在羽毛球训练中，该纱线能够区分正手与反手动作，并识别错误发力方式。
本研究提出水浴静电纺丝与 CNT 浆料浸渍结合的连续化工艺，通过调控 CNT 负载实现灵敏度与稳定性的平衡，其具备的“纳米纤维取向重构—微裂纹调控”的协同效应，确保其在大变形下仍能维持稳定导电。应用验证表明，该纱线在健康监测、运动康复和人机交互中展现出广阔前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168747
洪剑寒：教授，硕导，绍兴文理学院纺织科学与工程学院副院长。主要从事智能型、功能性纺织材料及产品的开发研究，先后主持江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、浙江省公益研究计划项目、浙江省高等教育教学改革项目等省部级以上教学、科研项目10余项；发表论文80余篇；申请发明专利20件，已授权7件；获中国纺织工业联合会科技进步二等奖3项。入选绍兴“名士之乡”英才计划拔尖人才、江苏省双创人才科技副总计划，担任中国纺织工程学会针织专业委员会副主任、毛纺织专业委员会委员，浙江省纺织工程学会针织专业委员会委员，绍兴市纺织行业专家智库成员；担任《纺织学报》《丝绸》青年编委，Analytical Chemistry、IEEE-ASME Transactions on Mechatronics、ACS Applied Nano Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Sensors and Actuators A-Physical、IEEE Sensors Journal、Textile Research Journal、Fibers and Polymers 等 SCI 期刊的同行评审专家。
