中國粉體網(wǎng)訊  最近，美國萊斯大學(xué)研究人員推出了一款“智能”襯衫。該襯衫使用交織的碳納米管纖維提供與皮膚的穩(wěn)定電接觸，能夠持續(xù)收集心臟活動(dòng)數(shù)據(jù)。該襯衫在8月30日《納米快報(bào)》上發(fā)表的一篇論文中首次“亮相”。這種纖維與金屬一樣具有導(dǎo)電性，但可清洗、穿著舒適，并且在身體運(yùn)動(dòng)時(shí)斷裂的可能性很小，強(qiáng)度可比肩凱夫拉和碳纖維。

萊斯大學(xué)的工程師馬泰奧·帕斯夸里說：“由于導(dǎo)電性、與皮膚的良好接觸性、生物相容性和柔軟性，碳納米管線是可穿戴設(shè)備的天然組成部分�！毖芯繄F(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將智能襯衫記錄實(shí)時(shí)心率數(shù)據(jù)的能力與典型的胸帶監(jiān)視器進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)襯衫表現(xiàn)得更好，該襯衫的性能可與市售的電極監(jiān)測器相媲美。

美國萊斯大學(xué)研究生勞倫·泰勒展示帶有碳納米管纖維的襯衫

（圖片來源：美國萊斯大學(xué)）

碳納米管自1991年被Iijima發(fā)現(xiàn)以來，已成為最有前途的材料之一。就其物理性質(zhì)而言，可以區(qū)分為兩種不同的形式，即單壁碳納米管和多壁碳納米管。單壁碳納米管（SWCNT）基本上是單個(gè)石墨烯片的卷曲形式，可以是扶手椅型、鋸齒形或手性形式。多壁碳納米管（ＭＷCNT)則由多層不同結(jié)構(gòu)的卷起的石墨烯片組成，稱為俄羅斯娃娃模型。

碳納米管聚合物復(fù)合材料被認(rèn)為是傳統(tǒng)智能材料的替代物。１）碳納米管的結(jié)構(gòu)：碳納米管是一類由無縫石墨圓柱體組成的材料，具有極高的縱橫比。２）碳納米管的力學(xué)性能：碳納米管具有高剛度和軸向應(yīng)力，其楊氏模量在270GPa至950GPa的范圍內(nèi)，除此之外碳納米管還顯示出高達(dá)63GPa的高拉伸強(qiáng)度。３）碳納米管網(wǎng)絡(luò)的機(jī)電性能和壓阻性能：碳納米管聚合物復(fù)合材料具有滲透行為，碳納米管網(wǎng)絡(luò)之間的互連形成導(dǎo)電路徑。

碳納米管基應(yīng)變傳感器的研究應(yīng)用

1、碳納米管薄膜

Yamada等報(bào)道了一種由排列整齊的單壁碳納米管薄膜制成的可穿戴可拉伸傳感器。首先利用水輔助化學(xué)氣相法在圖案化的催化劑表面垂直生長SWCNT薄膜，通過調(diào)控生長時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)任意控制SWCNT的長度。然后將薄膜分別組裝在扁平狗骨式二甲基硅氧烷(PDMS)彈性襯底上，保持SWCNTs的排列方向垂直于應(yīng)變軸，用該方法可以制備任意長度的薄膜材料。

當(dāng)拉伸這種薄膜材料時(shí)，納米管薄膜斷裂成間隙和孤島，間隙之間通過管束橋聯(lián)�？梢猿惺芨哌_(dá)280％的應(yīng)變（是傳統(tǒng)金屬應(yīng)變傳感器的50倍），具有耐久性高（150％應(yīng)變下可承受10000次循環(huán))、響應(yīng)快（延遲時(shí)間14ms）以及蠕變低（100％應(yīng)變下只有3.0％）等優(yōu)點(diǎn)。將碳納米管傳感器裝配在襪子、繃帶和手套上，可用來精確地監(jiān)測人體大幅度和快速的運(yùn)動(dòng)方式。

2、碳納米管纖維

現(xiàn)代納米制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，納米紡織技術(shù)可以制備直徑幾到幾十微米的纖維傳感器，為高拉伸、高靈敏傳感器的制備創(chuàng)造了條件。

Baughman課題組采用一體化編織工藝，制備了以氨綸(SPX)為核、CNTs為鞘的復(fù)合高彈性導(dǎo)電針織紡織品。將SPX用CNTs陣列的抽絲帶包覆，直接供給針織機(jī)，形成：維導(dǎo)電可拉伸織物。通過調(diào)整SPX／CNT比例，可在870-7092 S/m范圍內(nèi)調(diào)控織物電導(dǎo)率。導(dǎo)電性與拉伸應(yīng)變密切相關(guān)，在0％-80％的應(yīng)變范圍內(nèi)，加載和卸載過程中導(dǎo)電性呈線性變化，且基本無滯后電阻。這種針織紡織品融合了應(yīng)變感知和智能服裝所需尺寸、可以同時(shí)監(jiān)控穿戴者的動(dòng)作，并可以根據(jù)需要調(diào)整服裝的合身程度或施加壓力。該方法簡單高效，可用于工業(yè)上應(yīng)變傳感和智能紡織品的批量生產(chǎn)與加工。

3、碳納米管3D打印

Kim等人報(bào)道了利用熔融沉積模型(FDM)將功能化納米復(fù)合絲材料3D打印直接制作多軸力傳感器的方法。制備的傳感器由結(jié)構(gòu)部分和傳感部分兩部分組成，結(jié)構(gòu)部分采用熱塑性聚氨酯(TPU)長絲打印，傳感部分采用CNTs／TPU納米復(fù)合長絲在結(jié)構(gòu)部分表面壓阻印刷，結(jié)構(gòu)與傳感材料可同時(shí)進(jìn)行3D打印，可以制作具有傳感功能的三維結(jié)構(gòu)。

小結(jié)：

目前已經(jīng)發(fā)展了多種類型的可穿戴傳感電子產(chǎn)品，例如：應(yīng)變傳感器、溫度／濕度傳感器、電生理信號探測器、電化學(xué)傳感器等。其中，應(yīng)變傳感器是可穿戴電子器件必不可少的重要組成部分。人體的柔性要求可穿戴應(yīng)變傳感器具有可重復(fù)拉伸、彎曲、彈性和扭轉(zhuǎn)等性能。近年來隨著一維碳納米管和二維石墨烯等具有獨(dú)特維度的先進(jìn)碳材料研究發(fā)展，碳材料已經(jīng)成為應(yīng)變傳感器的研究熱點(diǎn)。不同的碳材料，性能也不同，如何利用碳納米管及其它碳材料的優(yōu)勢，對開發(fā)同時(shí)具有高靈敏和高拉伸的應(yīng)變傳感器的研究至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

1、梁菁菁. 碳基柔性復(fù)合材料制備及其應(yīng)變傳感性能研究

2、陳欽. 碳納米管／聚氨酯涂層導(dǎo)電纖維與織物的應(yīng)變傳感行為研究

3、周藝穎. 智能服飾中柔性壓阻傳感器的制作及應(yīng)用研究

4、科技日報(bào). 碳納米管將普通襯衫變成心率監(jiān)測器