天津科技大學：研究共價界面增強的超穩定柔性傳感器

作為一種新興的電子產品，能夠感知現實世界并與之互動的柔性應力傳感器在下一代應用中至關重要。然而，在動態運動及惡劣環境中，這些設備常常會出現性能退化及故障，這大大削弱了其穩定性和可靠性。這主要源于聚合物基體和導電材料之間薄弱且不穩定的粘附，從而不可避免地導致界面失效。因此，迫切需要開發一種通用的方法來建立更強的界面相互作用，從而在苛刻和復雜的機械條件下延長所構建傳感器的穩定性和使用壽命。

近日，天津科技大學高萌/李潔課題組提出了一種通過引入共價界面來提高傳感器機械和環境穩定性的策略（圖1）。具體上，通過將聚氨酯丙烯酸酯 (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，獲得了改性的S-PU。可水解縮合的甲氧基團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Ti-O-Si鍵，顯著提升了導電材料于基質上的界面粘附強度，獲得界面增強的S-PUM/MXene壓力傳感器 (S-PUM)。另外，伴隨著聚合物內部游離的甲氧基自縮合為Si-O-Si鍵，傳感器的力學性能也獲得了顯著的提高。

增強后的S-PUM傳感器的界面粘附性與機械性能有了明顯的提高（圖2）。得益于增強界面，S-PUM在壓縮前有著更均勻的導電材料粘附，并在高強度壓縮回彈循環和持續30天的水洗過程中仍然不發生脫落。另外，形成的雙重增強網絡使其在1000次80%壓縮循環苛刻的測試后回彈而不變形。同時在10000次50%壓縮后仍表現出小于PUM的應力損失和模量損失。

S-PUM傳感器顯示出令人滿意的傳感穩定性（圖3）。對于不同壓縮應變的循環測試和梯度測試，S-PUM輸出了穩定且易于分辨的信號。另外，在周期壓縮試驗中，S-PUM保持了均勻的信號輸出趨勢，穩定性遠遠超過了PUM。此外，S-PUM在經過嚴峻的水洗和酸洗（1M HCl）仍能持續輸出穩定的信號。結果證明了共價界面對傳感穩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分布。另外，S-PUM被進一步組裝為用于坐姿監測的智能坐墊。結果表明，對于長時間監測不同坐姿，S-PUM可以準確識別并輸出對應的顏色映射。在測試結束后站立時，坐墊可恢復。結果證明了S-PUM壓力傳感器的穩定性和耐用性，也證明其在姿態檢測和人機交互等領域擁有廣闊應用前景。

來源：傳感器專家網