作為一種新興的電子產(chǎn)品，能夠感知現(xiàn)實(shí)世界并與之互動(dòng)的柔性應(yīng)力傳感器在下一代應(yīng)用中至關(guān)重要。然而，在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)及惡劣環(huán)境中，這些設(shè)備常常會(huì)出現(xiàn)性能退化及故障，這大大削弱了其穩(wěn)定性和可靠性。這主要源于聚合物基體和導(dǎo)電材料之間薄弱且不穩(wěn)定的粘附，從而不可避免地導(dǎo)致界面失效。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種通用的方法來(lái)建立更強(qiáng)的界面相互作用，從而在苛刻和復(fù)雜的機(jī)械條件下延長(zhǎng)所構(gòu)建傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。

近日，天津科技大學(xué)高萌/李潔課題組提出了一種通過(guò)引入共價(jià)界面來(lái)提高傳感器機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性的策略（圖1）。具體上，通過(guò)將聚氨酯丙烯酸酯 (PUA) 低聚物與具有丙烯酸酯鍵的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷 (γ-MPS) 之間的一步光聚反應(yīng)，獲得了改性的S-PU。可水解縮合的甲氧基團(tuán)被修飾于聚合物鏈上，這使得Ti3C2Tx MXene表面的羥基與之形成共價(jià)Ti-O-Si鍵，顯著提升了導(dǎo)電材料于基質(zhì)上的界面粘附強(qiáng)度，獲得界面增強(qiáng)的S-PUM/MXene壓力傳感器 (S-PUM)。另外，伴隨著聚合物內(nèi)部游離的甲氧基自縮合為Si-O-Si鍵，傳感器的力學(xué)性能也獲得了顯著的提高。

增強(qiáng)后的S-PUM傳感器的界面粘附性與機(jī)械性能有了明顯的提高（圖2）。得益于增強(qiáng)界面，S-PUM在壓縮前有著更均勻的導(dǎo)電材料粘附，并在高強(qiáng)度壓縮回彈循環(huán)和持續(xù)30天的水洗過(guò)程中仍然不發(fā)生脫落。另外，形成的雙重增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)使其在1000次80%壓縮循環(huán)苛刻的測(cè)試后回彈而不變形。同時(shí)在10000次50%壓縮后仍表現(xiàn)出小于PUM的應(yīng)力損失和模量損失。

S-PUM傳感器顯示出令人滿意的傳感穩(wěn)定性（圖3）。對(duì)于不同壓縮應(yīng)變的循環(huán)測(cè)試和梯度測(cè)試，S-PUM輸出了穩(wěn)定且易于分辨的信號(hào)。另外，在周期壓縮試驗(yàn)中，S-PUM保持了均勻的信號(hào)輸出趨勢(shì)，穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了PUM。此外，S-PUM在經(jīng)過(guò)嚴(yán)峻的水洗和酸洗（1M HCl）仍能持續(xù)輸出穩(wěn)定的信號(hào)。結(jié)果證明了共價(jià)界面對(duì)傳感穩(wěn)定性顯著的提升作用。

基于S-PUM的壓力傳感陣列被證明擁有耐水洗和酸洗的性能（圖4）。相同載荷下，陣列可以保證在洗滌前后輸出幾乎一致的信號(hào)分布。另外，S-PUM被進(jìn)一步組裝為用于坐姿監(jiān)測(cè)的智能坐墊。結(jié)果表明，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)不同坐姿，S-PUM可以準(zhǔn)確識(shí)別并輸出對(duì)應(yīng)的顏色映射。在測(cè)試結(jié)束后站立時(shí)，坐墊可恢復(fù)。結(jié)果證明了S-PUM壓力傳感器的穩(wěn)定性和耐用性，也證明其在姿態(tài)檢測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。

來(lái)源：傳感器專(zhuān)家網(wǎng)