成果简介

碳气凝胶因其超低密度、高导电性、超弹性和抗疲劳性等优异特性而被广泛用于可穿戴压阻传感，但迄今为止，在宽压力范围内保持高机械性能和高灵敏度仍然是一个巨大的挑战。基于碳气凝胶的压阻传感器面临的挑战。本文，华南理工大学Jinpeng Li、Guangdong Ying等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Compressible, superelastic and fatigue resistant carbon nanofiber aerogels derived from bacterial cellulose for multifunctional piezoresistive sensors”的论文，研究提出了一种简单但有效的形态保持碳化策略，通过调整BC的热解化学来制备超弹性和抗疲劳的碳纳米纤维气凝胶。

通过单向冷冻干燥技术，将细菌纤维素水凝胶制成具有3D互连蜂窝状结构的纳米纤维气凝胶，而（NH4）2SO4的合理引入显著抑制了细菌纤维素纳米纤维气胶在碳化过程中的收缩和变形，使碳化后的3D互连蜂窝状结构得以保留。所制备的碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）表现出优异的机械性能，包括高压缩性（高达 99% 的应变）、超弹性（约97.4%，90% 压缩下 500 次循环）和抗疲劳性（高达 10000 次循环）。此外，CNFAs 衍生传感器在宽压力范围（0-28 kPa）下具有高灵敏度（5.66 kPa -1）和快速响应时间（约100 ms），使基于 CNFAs的传感器能够监测信号人体、空间压力和语音识别。这些特性使CNFA对柔性可穿戴设备极具吸引力。

图文导读

图1。NFA、CNFA 和基于CNFA的压阻式传感器的制造过程示意图和照片

图2。(a, b) MCNFA-0.01, (c, d) RCNFA-0.01, (e-h) NFA-0.01, 和 (i-l) CNFA-0.01 的照片和 SEM 图像。(m) CNFAs 的重量和体积。(n) CNFA 的密度。(o) CNFA-0 和 CNFA-0.01 的拉曼光谱。

图3。(a) NFA-0 和 NFA-0.01 的 TGA 和 DTG 曲线。(b) NFA-0 和 (c) NFA-0.01 热解产生的气体产物的 3D FTIR 光谱。(d) NFA-0 和 NFA-0 在 DTG 峰值温度下的热解产物的气相色谱图。(e) CNFA-0 和 (f) CNFA-0.01 的 XPS 高分辨率 C 1s 光谱

图4。CNFA的可压缩性和弹性

图5。CNFA-0.01的压缩性和抗疲劳性

图6。CNFA-0.01的传感性能

图7。(a) 不同压力下 LED 的亮度。(b) CNFA-0.01 的 4 × 4 传感器阵列与铜片相连。(c) 传感器阵列在重物压力下的电流信号分布。压阻式传感器在人体运动检测中的应用。(d) 传感器的组装。(e 和 f) 检测手臂、手指弯曲、(g) 手臂脉搏、(h 和 i) 和喉咙振动。

图8、CNFA的隔热性能

小结

总之，本文提出了一种简单但有效的形态保持碳化策略，通过控制BC与 (NH4 ) 2SO4的热解化学来制备CNFA。CNFA组装的传感器在很宽的工作压力范围内表现出高线性灵敏度，从而实现了人体生物信号的准确检测、空间压力监测和语音识别。这些特性使CNFA成为可穿戴电子产品的潜在材料。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.08.006