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(cè)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的耐久性差，難以滿(mǎn)足實(shí)際使用的需要。因此，如何通過(guò)合理的材料和界面設(shè)計(jì)使得傳感器在長(zhǎng)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(wèn)題。目前，柔性應(yīng)變傳感器的耐久性主要通過(guò)導(dǎo)電層的材料設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)導(dǎo)電層的增強(qiáng)增韌、自修復(fù)等性質(zhì)來(lái)提高應(yīng)變傳感器的耐久性。

近日，國(guó)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(diǎn)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(duì)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(jì)、進(jìn)一步提升器件的耐久性提供了新的思路。國(guó)科溫州研究院史鑫磊助理研究員和甌江實(shí)驗(yàn)室朱琳講師是論文的作者。

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

圖文簡(jiǎn)介

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

如圖2所示，柔性應(yīng)變傳感器通過(guò)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(guò)程中發(fā)生的“點(diǎn)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(duì)”，就可以通過(guò)“點(diǎn)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(diǎn)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(hào)的次數(shù)。通過(guò)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(lèi)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(duì)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)生的裂痕大小（長(zhǎng)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(cè)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(wèn)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(jì)了一種基于“點(diǎn)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(wèn)題提供了新的思路。