作為可穿戴電子設(shè)備的重要組成部分，柔性應(yīng)變傳感器已在電子皮膚、醫(yī)療監(jiān)測和人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出大的應(yīng)用前景。然而導(dǎo)電層與彈性基底之間弱的界面結(jié)合會導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的耐久性差，難以滿足實際使用的需要。因此，如何通過合理的材料和界面設(shè)計使得傳感器在長期使用中保持穩(wěn)定（耐久性，Durability）是柔性應(yīng)變領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵性問題。目前，柔性應(yīng)變傳感器的耐久性主要通過導(dǎo)電層的材料設(shè)計來實現(xiàn)，例如通過導(dǎo)電層的增強(qiáng)增韌、自修復(fù)等性質(zhì)來提高應(yīng)變傳感器的耐久性。

近日，國科溫州研究院陳強(qiáng)研究員與南京工業(yè)大學(xué)孫庚志教授合作在Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Interfacial Click Chemistry Enabled Strong Adhesion Toward Ultra-Durable Crack-Based Flexible Strain Sensors”的研究論文。作者提出了一種基于界面“點擊化學(xué)”反應(yīng)構(gòu)建導(dǎo)電層與基底間強(qiáng)界面黏附的通用策略，并研究了這種強(qiáng)界面黏附對于柔性應(yīng)變傳感器耐久性的影響。文中提出了耐久性的定量參數(shù)（number of stable cycles, Cn），發(fā)現(xiàn)了界面黏附強(qiáng)度（τ）與耐久性參數(shù)（Cn）之間的線性關(guān)系，并基于此關(guān)系推導(dǎo)出二者之間的轉(zhuǎn)換因子"durability-adhesion coefficient (CDA)”。該發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化柔性應(yīng)變傳感器的界面設(shè)計、進(jìn)一步提升器件的耐久性提供了新的思路。國科溫州研究院史鑫磊助理研究員和甌江實驗室朱琳講師是論文的作者。

圖1 基于界面“點擊化學(xué)”構(gòu)建超耐久性裂紋式傳感器的新策略

圖文簡介

圖2 基于“點擊化學(xué)”構(gòu)建導(dǎo)電層與基底間強(qiáng)界面黏附推動傳感器具有高耐久性。

如圖2所示，柔性應(yīng)變傳感器通過刮涂的方式直接構(gòu)建，其中導(dǎo)電膠體油墨和基底表面分別處理帶有反應(yīng)性基團(tuán)，在印刷過程中發(fā)生的“點擊化學(xué)”反應(yīng)為界面提供強(qiáng)界面黏附。這是一種通用性的策略，文章中分別采用了不同的導(dǎo)電納米材料，多功能交聯(lián)劑，基底和表面處理材料，發(fā)現(xiàn)只要導(dǎo)電層與基底修飾的反應(yīng)性基團(tuán)之間存在“配對”，就可以通過“點擊化學(xué)”增強(qiáng)界面黏附強(qiáng)度，從而提高耐久性。

圖3 界面黏附強(qiáng)度與耐久性之間的線性關(guān)系。

基于“點擊化學(xué)”制備的柔性應(yīng)變傳感器具有可控的界面黏附強(qiáng)度，作者仔細(xì)的研究了界面黏附強(qiáng)度與耐久性之間的關(guān)系。首先，作者提出了用于表征耐久性的參數(shù)：穩(wěn)定循環(huán)次數(shù) C n，該參數(shù)表示傳感器在固定應(yīng)變下能夠穩(wěn)定輸出電阻信號的次數(shù)。通過調(diào)控界面交聯(lián)密度得到了除界面黏附強(qiáng)度外其他因素皆相同的傳感器，并探索了黏附強(qiáng)度與穩(wěn)定循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。如圖3所示，隨著界面黏附強(qiáng)度的增加，穩(wěn)定循環(huán)次數(shù)隨之線性增加，并且該線性關(guān)系的斜率與應(yīng)變大小，界面類型等因素都有關(guān)，作者推導(dǎo)出二者之間的轉(zhuǎn)換因子"durability-adhesion coefficient ( CDA)”。

圖4 界面黏附影響耐久性的機(jī)理解析

為解釋界面黏附強(qiáng)度影響傳感器耐久性的工作機(jī)理，作者針對具有不同界面黏附的傳感器的導(dǎo)電層進(jìn)行了掃描電鏡表征和分析。圖4表明，隨著界面黏附強(qiáng)度的提升，導(dǎo)電層在固定應(yīng)變下產(chǎn)生的裂痕大�。ㄩL度和寬度）減小，但是數(shù)目明顯增多。這種現(xiàn)象是傳感器在保持較高拉伸性的前提下大幅提升拉伸性的原因。在1000次的循環(huán)測試之后，具有較弱界面黏附的傳感器產(chǎn)生了明顯的導(dǎo)電層剝落，而強(qiáng)界面黏附展示了穩(wěn)定的導(dǎo)電層與裂痕維持能力，這是傳感器耐久性提升的根本原因。

總結(jié)：柔性應(yīng)變傳感器的耐久性是關(guān)系器件穩(wěn)定使用，性能維持等諸多問題的關(guān)鍵，本文作者發(fā)下了導(dǎo)電層和基底之間的界面黏附強(qiáng)度可以影響導(dǎo)電層在使用中的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響器件的耐久性。并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種基于“點擊化學(xué)”反應(yīng)提升柔性應(yīng)變傳感器界面黏附的通用策略，提出耐久性的新參數(shù)并研究了界面黏附強(qiáng)度與耐久性參數(shù)之間的線性關(guān)系。為解決柔性應(yīng)變傳感器的低耐久性問題提供了新的思路。