牛力恒　何宇　張葉軻　劉宇清

摘要：采用熱拉伸工藝制備可拉伸的彈性體負(fù)載橢圓形中空通道的纖維，并在纖維中加載液態(tài)金屬作為柔性電極。本文研究了這種多功能纖維在拉伸、壓縮等變形條件下的傳感性能和摩擦電性能。拉伸傳感性能顯示出高度線性的電阻變化率和靈敏度，而壓縮傳感性能具有高方向性和穩(wěn)定性。摩擦電性能研究表明，該傳感器能夠通過摩擦產(chǎn)生電荷輸出，具備穩(wěn)定的電輸出性能。進(jìn)一步探究了傳感器內(nèi)部電極通道變化的機(jī)理，通過仿真模擬傳感器的工作原理。這種多功能傳感器具有廣泛的應(yīng)用潛力，可用于傳感、能量轉(zhuǎn)換和自供電系統(tǒng)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：柔性傳感器；導(dǎo)電纖維；摩擦電；可穿戴；自供電

中圖分類號(hào)：TS195.644??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：2097-2911-（2023）02-0041-09

A Study on Preparation and Performance of Liquid Metal/SEBSSuper Flexible Fiber Friction Electrical Sensor

NIU Liheng，HE Yu，ZHANG Yeke，LIU Yuqing

（School of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou Jiangsu 215127， China）

Abstract：A stretchable elastomer loaded elliptical hollow channel fiber is prepared using a hot stretching pro- cess， and liquid metal is loaded into the fiber as a flexible electrode. This study demonstrates the excellent sens- ing and triboelectric properties of this multifunctional fiber under deformation conditions such as stretching and compression. The stretching sensing performance exhibits a highly linear rate of resistance change and sensitivi- ty， while the compression sensing performance exhibits high directionality and stability. Research on frictional electrical performance shows that the sensor can generate charge output through friction and has stable electrical output performance. The study also explores the mechanism of electrode channel changes within the sensor， and makes the working principle of the sensor through simulation understood better. This multifunctional sensor has broad application potential and it can be used in fields such as sensing， energy conversion， and self powered sys- tems.

Key words：flexible sensor; conductive fibers; friction electricity; wearable; self-powered

近年來，基于可穿戴的柔性傳感技術(shù)在健康監(jiān)控[1]、人機(jī)交互[2]、虛擬現(xiàn)實(shí)[3]和運(yùn)動(dòng)輔助[4]等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。同時(shí)，隨著電子元件尺寸變小和性能提升，電子配件可直接集成在人們的衣物和身體上來檢測由關(guān)節(jié)彎曲產(chǎn)生的身體應(yīng)變。[5，6]

然而傳統(tǒng)電池體積龐大、舒適度低以及環(huán)境問題大大限制了其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。因此，研究出各種能量收集技術(shù)和自供電系統(tǒng)是當(dāng)下主要解決辦法之一?？衫熳怨╇妭鞲衅鞑粫?huì)束縛人體，并且可以在高應(yīng)變水平下保持結(jié)構(gòu)的完整性[7，8]。目前，研究人員已經(jīng)探索了各種導(dǎo)電材料和制備方法，設(shè)計(jì)出兼具低電阻和高拉伸性的自供電纖維?！邦A(yù)制件－熱拉伸”法是從光纖制造領(lǐng)域遷移到紡織領(lǐng)域的纖維制造新方法，有其獨(dú)特的方法優(yōu)勢，適用于多材料纖維的制備[9-11]。

本文提出了一種具有同軸結(jié)構(gòu)的多功能導(dǎo)電纖維。首先使用熱拉伸工藝制造高度可拉伸的彈性體中空纖維，然后將液態(tài)金屬加載到纖維中以用作柔性電極。使用這些簡單的方法，可以連續(xù)大規(guī)模地制備可拉伸的液體金屬纖維傳感器。纖維傳感器可以將材料的各種機(jī)械形變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來檢測拉伸和壓縮變形，具有理想的靈敏度和耐用性[12]。當(dāng)復(fù)合纖維作為 TENG 時(shí)可通過靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，且具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換效率。SEBS是以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線性三嵌共聚物，是一種熱塑性彈性體，是具備超彈性纖維的理想材料[13]。液態(tài)金屬具有良好的電學(xué)性能、低溫流動(dòng)性、極低的揮發(fā)性和幾乎可忽略的毒性，受到廣大學(xué)者的關(guān)，其因低熔點(diǎn)和高導(dǎo)電性，非常適合作為可拉伸電極[14-16]。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

SEBS：母粒 YH-688，中國石化巴陵石化公司；鎵銦錫合金（GaInSn）：熔點(diǎn)5℃ ， 佳純金屬有限公司；銅絲（200μm），茗博坊金屬材料有限公司；環(huán)氧樹脂AB膠（3∶1），景宏粘合劑有限公司；亞克力板（4×4 cm），深圳市凱優(yōu)塑膠實(shí)業(yè)有限公司；雙面膠帶；絕緣膠帶。

1.2主要設(shè)備與儀器

LST-YX20拉絲塔：自搭建；LHJ-HY22硫化機(jī)：自搭建；FS-20拉伸循環(huán)測試平臺(tái)：自搭建； FP-20壓縮循環(huán)測試平臺(tái)；自搭建；BCM-H1力學(xué)傳感器：蚌埠傳力傳感器科技有限公司制； DMM6500數(shù)字源表：Tektronix泰克科技有限公司制；吉時(shí)利6514靜電計(jì)：Tektronix泰克科技有限公司制；WRNK-191溫度傳感器：深圳市銀飛電子科技有限公司制；V1600光學(xué)顯微鏡：微儀光電有限公司制；S-8100掃描電子顯微鏡：日本日立公司制；OXFOEDINCAX射線能譜：布魯克海文公司制；Q800動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀：美國 TA 公司制；TG/DTA7300熱重分析儀：日本精工納米科技有限公司制；Instron5967萬能材料試驗(yàn)機(jī)：美國 Instron 公司制；JA2003電子天平：上海力辰儀器科技有限公司制；XMTD-8222鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司制；0.45×16RWLB 注射器：山東朱氏藥業(yè)集團(tuán)有限公司制。

1.3液態(tài)金屬/SEBS纖維狀傳感器的制備

1.3.1制備帶有橢圓形中空結(jié)構(gòu)的矩型 SEBS預(yù)制件

首先將 SEBS顆粒在烘箱60°C下烘干12h，待水分烘干后將 SEBS顆粒放入模具中。隨后將模具放入硫化機(jī)中（溫度200°C，壓力10 MPa）熱壓30min，待模具冷卻后取出長、寬、高分別為25 mm ×25 mm ×150 mm 的 SEBS 矩形預(yù)制件。最后通過平口夾具在預(yù)制件對立面施加一定壓力來控制預(yù)制件的壓縮程度，使用鉆機(jī)在預(yù)制件內(nèi)部鉆出橢圓孔洞，制備出中空結(jié)構(gòu)的矩形預(yù)制件。

1.3.2制備纖維狀液態(tài)金屬/SEBS柔性傳感器

將中空結(jié)構(gòu)預(yù)成型件置入多溫區(qū)拉絲塔中，拉絲塔上、中、下區(qū)域溫度分別設(shè)置為80°C、200°C、180°C 。待預(yù)制件在加熱爐加熱30 min 后，向下拉動(dòng)預(yù)制件，使中溫區(qū)的預(yù)制件局部產(chǎn)生頸縮。預(yù)制件經(jīng)上溫區(qū)預(yù)熱、中溫區(qū)頸縮、下溫區(qū)退火冷卻后，最終變成毫米級(jí)別的中空纖維。最后，使用注射器將液態(tài)金屬注入纖維內(nèi)部孔洞，然后將銅絲插入纖維兩端，并用環(huán)氧樹脂將纖維兩端密封，制備出超柔性纖維狀傳感器。

1.4分析與測試

形貌特征：利用光學(xué)顯微鏡觀察中空纖維截面；用電子顯微鏡觀察以液態(tài)金屬鎵銦錫合金為電極的纖維傳感器截面。

力學(xué)性能：利用Instron5967萬能材料試驗(yàn)機(jī)和自搭建的力學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行拉伸比的應(yīng)力應(yīng)變測試。試樣長度為100mm，拉伸速率為100mm/ min。

電學(xué)性能：利用自搭建的拉伸裝置進(jìn)行測試，試樣初始長度為5 cm，應(yīng)變范圍為0%～400%。

拉伸傳感性能：利用自搭建的線性移動(dòng)平臺(tái)，通過數(shù)字化編程，使移動(dòng)平臺(tái)的一端進(jìn)行往返移動(dòng)。試樣長度為50mm。

壓縮傳感性能：利用自搭建的FP-20壓縮移動(dòng)平臺(tái)，將試樣兩端電極與數(shù)字萬用表相連，通過數(shù)字化編程，對傳感器進(jìn)行壓縮循環(huán)回復(fù)。試樣長度為50mm。

電阻（R）：將直徑為1.7 mm的纖維傳感器剪取5mm長，根據(jù)式（1）計(jì)算電阻R。

式中：ρ為導(dǎo)體的電阻率，l為導(dǎo)體長度，πab為橢圓的面積。

耐久性能：利用自搭建的壓縮測試平臺(tái)和吉時(shí)利6514靜電計(jì)進(jìn)行耐久度的測試表征。試樣長度為50mm，壓力設(shè)置為20 N，PMMA摩擦板尺寸為5×5 cm，壓縮距離為1 cm。

2結(jié)果與討論

2.1纖維狀自供電傳感器的測試與表征

中空結(jié)構(gòu)的預(yù)制件在拉絲塔內(nèi)經(jīng)過預(yù)熱、頸縮、退火冷卻拉伸成毫米級(jí)別的纖維，該纖維柔軟度高，且具有優(yōu)異的可拉伸性能。如圖1（a）所示，通過手動(dòng)牽伸分別將纖維拉伸到自身長度的200%、350%、600%、850%。圖1（b）是纖維狀傳感器截面的光學(xué)照片，其中間通道為橢圓形。本纖維狀傳感器采用液態(tài)金屬鎵銦錫合金作為傳感器的電極層，圖1（c）為液態(tài)金屬填滿了傳感器的內(nèi)部橢圓通道。

對 SEBS 的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行探究，如圖1（d）所示，實(shí)心的 SEBS纖維機(jī)械性能較好，斷裂應(yīng)變?yōu)?30%且此時(shí)的應(yīng)力達(dá)到了6.4 MPa 。當(dāng)附帶一個(gè)電極通道時(shí)，SEBS的纖維應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)有輕微下降，這應(yīng)該是單位體積 SEBS物質(zhì)的量下降所導(dǎo)致的，但總體纖維的斷裂應(yīng)力依舊保持在了較好的水平，且應(yīng)變保持在了600%以上。因此，該 SEBS纖維非常適合制備高效、耐用的應(yīng)力、應(yīng)變傳感器[17]。

為了探究 SEBS是否具備適當(dāng)?shù)牧髯儗W(xué)性質(zhì)以與熱拉伸過程兼容，材料在高溫下具有粘性的流動(dòng)行為需要滿足一定的要求。一個(gè)基本條件是材料在相對較高的粘度下模量要達(dá)到為103～107 Pa之間[18]。在此粘度區(qū)間內(nèi)，SEBS預(yù)制件發(fā)生塑性變形時(shí)不會(huì)斷裂，同時(shí)保證 SEBS經(jīng)過熱拉伸前后的結(jié)構(gòu)得以保存，避免回流或塌陷[19]。圖1（e）為 SEBS 的動(dòng)態(tài)熱分析，可以發(fā)現(xiàn) SEBS 在熱拉伸過程中的剪切儲(chǔ)能模量和剪切損失模量隨著溫度的變化而緩慢變化，且模量都保持在103～107 Pa之間，可在高粘度狀態(tài)下持續(xù)熱拉伸以滿足實(shí)驗(yàn)要求。如圖1（f）所示，從曲線中觀察到，SEBS纖維添加液態(tài)金屬后重量損失要小一點(diǎn)，這應(yīng)該是實(shí)心 SEBS纖維的碳含量高于中空 SEBS纖維。由于高溫作用，碳基大分子受熱分解成了 CO2、H2O 等可揮發(fā)氣體[20]。但纖維的質(zhì)量在350℃左右開始降低，且在475℃左右結(jié)束重量損失。該階段重量損失歸因于 SEBS的熱分解。此外，圖中發(fā)現(xiàn)添加了液態(tài)金屬的 SEBS纖維的重量損失相對較小，這應(yīng)該是液態(tài)金屬的沸點(diǎn)溫度遠(yuǎn)高于 SEBS的熱分解溫度，不會(huì)發(fā)生揮發(fā)或分解。因此也說明液態(tài)金屬并不會(huì)對纖維的熱穩(wěn)定性能有所影響。

最后，柔性纖維狀傳感器的電學(xué)性能也至關(guān)重要，圖1（g）為柔性纖維狀傳感器在0%～400%應(yīng)變范圍下的電導(dǎo)率變化。隨著應(yīng)變水平的增加，柔性纖維狀傳感器的電導(dǎo)率有更顯著的提高。當(dāng)應(yīng)變水平達(dá)到400%時(shí)，柔性纖維狀傳感器的電導(dǎo)率達(dá)到了1.084×105 S/cm。

2.2纖維傳感器的拉伸傳感性能

對傳感器在應(yīng)變0～400%下的比電阻和 GF 進(jìn)行測試，結(jié)果顯示傳感器的比電阻隨著應(yīng)變增加而增加并且其電阻變化率都保持高度線性。此外，隨著應(yīng)變不斷提高，柔性傳感器的GF值也逐步增加。柔性傳感器在拉伸-回復(fù)過程中表現(xiàn)出輕微的電阻滯后現(xiàn)象（Δ=15%），這可能是由于 SEBS的粘彈性所致。在回復(fù)過程中，SEBS中的松弛現(xiàn)象導(dǎo)致其變形滯后于應(yīng)力的變化，液態(tài)金屬通道沒有及時(shí)回復(fù)，柔性傳感器產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。此外，拉伸過程中的相對電阻變化比釋放過程中的大，這可歸因于釋放過程中較低的應(yīng)力。如圖2（a）所示，傳感器的比電阻隨著應(yīng)變的增加而增加，對拉伸過程中電阻變化率的前、中、后三段進(jìn)行了線性擬合，發(fā)現(xiàn)其電阻變化率都保持高度線性。此外，隨著應(yīng)變的不斷提高，柔性傳感器的GF值也逐步增加。

圖2（b）為柔性傳感器的階段性拉伸測試，每次拉伸和回復(fù)的增加或減少比率都為10%。結(jié)果顯示在0～50%的階段性拉伸測試下。電阻變化呈現(xiàn)階梯增長和下降的趨勢，具備優(yōu)異的變化穩(wěn)定性。

2.3橢圓電極的壓縮傳感性能研究

圖3（a）為傳感器受到壓力時(shí)，內(nèi)部電極通道變化的機(jī)理圖?？梢钥闯?，當(dāng)分別按壓長軸面和短軸面時(shí)，傳感器內(nèi)部通道坍塌變化的差異明顯，從而導(dǎo)致液態(tài)金屬電極會(huì)產(chǎn)生不一樣的電信號(hào)輸出。圖3（b）所示，以約為3.3 MPa的力對傳感器進(jìn)行壓縮循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其比電阻變化如圖3（c）所示，當(dāng)壓力一定時(shí)，沿著長軸按壓時(shí)比電阻變化更為明顯，比沿著短軸按壓時(shí)約高出800%。在一定的應(yīng)用場合下，當(dāng)壓力固定時(shí)，可以通過其電阻變化率的大小來分辨按壓的是長軸還是短軸，從而識(shí)別壓力方向。

圖4（a）為傳感器比電阻保持一致時(shí)，傳感器內(nèi)部電極通道變化的機(jī)理圖?？梢钥闯?，當(dāng)比電阻變化保持一致時(shí)，傳感器按壓后的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)要保持一致。由于橢圓通道的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 SEBS 的分子在截面上分布不均，在要保持相同的比電阻變化時(shí)，其在長軸面和短軸面上的壓力大小也會(huì)不同。圖4（b）所示，保持按壓長軸和短軸的比電阻變化率約為1300%，其壓力大小如圖4（c）所示。當(dāng)比電阻變化率一定時(shí)，沿著長軸按壓時(shí)所需的力更大，比沿著短軸按壓時(shí)約高出1.5 MPa 。在一定的應(yīng)用場合下，控制比電阻變化一致，可以通過其按壓長短軸時(shí)壓力的大小來量化壓力的范圍，進(jìn)一步提高柔性傳感器的附加值。

2.4纖維傳感器的摩擦電性能研究

為了探究柔性傳感器的能量轉(zhuǎn)換性能，按照摩擦電電子得失極性表找出與 SEBS極性相反的材料 PMMA 作為摩擦層，通過線性電機(jī)將 PM- MA 板材與柔性傳感器做接觸分離運(yùn)動(dòng)。通過不同的壓縮頻率來按壓傳感器來測試傳感器的電輸出情況。如圖5（a、b、c）所示，通過不同的按壓頻率來測試柔性傳感器的電輸出性能，結(jié)果顯示當(dāng)壓縮頻率為0.5 Hz時(shí)，柔性傳感器的開路電壓、短路電流、短路電荷輸出大小分別是13.83 V、63.74 nA、3.57 nC。當(dāng)頻率提升至1 Hz時(shí)，柔性傳感器的開路電壓、短路電流、短路電荷輸出大小分別是14.46 V、146.74 nA、4.07 nC。其結(jié)果顯示隨著壓縮頻率的增加，纖維傳感器的短路電流會(huì)有顯著增加，而開路電壓和短路電荷會(huì)有輕微提升的現(xiàn)象。

纖維傳感器 TENG 輸出電壓的穩(wěn)定性對于確保便攜式電子設(shè)備的持續(xù)供電至關(guān)重要[21]，在線性馬達(dá)的作用下，使用 PMMA 與柔性傳感器進(jìn)行持續(xù)的接觸-分離，對單電極模式織物TENG 進(jìn)行耐久性測試。圖4（d、e、f）探究了柔性傳感器初始、500次、1000次壓縮循環(huán)后的TENG電輸出特性。結(jié)果顯示，在不同壓縮循環(huán)次數(shù)條件下，柔性傳感器的開路電壓、短路電流、短路電荷的輸出情況都保持穩(wěn)定，保證了了良好的電輸出性能，進(jìn)一步提高了纖維狀可穿戴柔性傳感器的附加值并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖6展示了柔性纖維狀TENG自供電傳感器的工作原理和摩擦電仿真模擬。柔性傳感器 TENG通過單電極模式工作，將 SEBS作為正極， PMMA作為負(fù)極。將傳感器的電極與靜電計(jì)相連，隨后通過線性電機(jī)將PMMA與 SEBS進(jìn)行接觸分離，由于PMMA 與 SEBS之間存在電位差，使得 PMMA 和 SEBS 的接觸表面上產(chǎn)生極性相反的正負(fù)等效電荷。單電級(jí) TENG的工作過程如圖6（a）所示，由于 SEBS具有更強(qiáng)的正電荷捕獲能力，從而獲得正摩擦電荷，而PMMA摩擦層則帶負(fù)電荷。如果它們的表面之間彼此遠(yuǎn)離， SEBS與液態(tài)金屬電極電勢將被打破，導(dǎo)致電子從地面流向液態(tài)金屬電極，從而產(chǎn)生電流。當(dāng)摩擦帶電的兩個(gè)表面之間的間隙增加，隨著電子的繼續(xù)流動(dòng)，將出現(xiàn)新的平衡態(tài)，直到 SEBS與負(fù)極材料完全分離，電子也將停止移動(dòng)。當(dāng)負(fù)極材料再次接近 SEBS時(shí)，電子將從液態(tài)金屬電極流回地面，從而產(chǎn)生平衡電荷。以上是 SEBS/LM 纖維傳感器TENG工作的完整循環(huán)，通過連續(xù)的接觸和分離產(chǎn)生交流電。

為了觀察柔性傳感器 TENG 和液態(tài)金屬電極之間在接觸分離狀態(tài)下的電位分布，如圖6（b）所示，通過 COMSOL 軟件在正負(fù)極材料接觸分離時(shí)建立了有限元模擬理論模型[22]。柔性傳感器表面帶有正摩擦電荷，而 PMMA 表面為負(fù)電荷，這是由于 SEBS表面具有較強(qiáng)的正電荷捕獲能力。當(dāng)柔性傳感器接觸或遠(yuǎn)離 PMMA 表面時(shí)，兩者之間相互靠近部分的靜電荷也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)移。通過正負(fù)電極持續(xù)的接觸分離，產(chǎn)生穩(wěn)定的摩擦電輸出。

3結(jié)論

本研究旨在設(shè)計(jì)一種多功能導(dǎo)電纖維傳感器，以應(yīng)對目前可穿戴設(shè)備中的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。多功能導(dǎo)電纖維傳感器的獨(dú)特之處在于它具有高電導(dǎo)性、高度可拉伸性和柔韌性，能夠適應(yīng)各種應(yīng)變情況，包括拉伸、壓縮和摩擦等。傳感器在不同方面表現(xiàn)出卓越性能，例如在拉伸方面具有高度線性的電阻變化率和靈敏度，同時(shí)在壓縮方面呈現(xiàn)出方向性。此外，它還能通過摩擦產(chǎn)生電荷輸出，為能量轉(zhuǎn)換和自供電系統(tǒng)提供了新的可能性。綜合而言，這種創(chuàng)新性的多功能導(dǎo)電纖維傳感器有廣泛的應(yīng)用前景，不僅可用于解決電池限制問題，還可推動(dòng)柔性電子技術(shù)和智能系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：李強(qiáng)）