[发明专利]一种中空结构的MXene-PDMS复合泡沫及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种中空结构的MXene‑PDMS复合泡沫及其制备方法和应用，该传感器的传感活性部件为MXene‑PDMS中空泡沫。该中空MXene‑PDMS泡沫中，MXene分散在泡沫孔洞的内表面。本发明还通过对制备传感器过程中MXene纳米片的浸渍次数、以及制备过程中所需PDMS固化剂用量等工艺的处理步骤进行优化，能够得到具有良好弯曲的中空结构的MXene‑PDMS泡沫。其中由于MXene片层在孔洞内表面的搭接，在受到外界微小刺激时，MXene片层震动，对于微小压力下的检测更为敏感。中空结构的设计，使得在大角度弯曲和压缩时也能够表现为出稳定的循环性能和敏感度。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子设备以及新材料技术领域，具体涉及一种中空结构的MXene-PDMS复合泡沫及其制备方法和应用，尤其是一种新型的中空结构的MXene-PDMS复合泡沫及其制备方法和使用该中空泡沫结构组装的高弯曲压阻型压力传感器。

背景技术

随着电子技术的不断发展，传感器作为其中的一员也引起了人们的广泛关注。传感器种类繁多，如气体和蒸汽传感器、生物传感器、应变和压力传感器等。其中，压力传感器在近几十年来取得了显著的成就，尤其是压阻型传感器。传感器，可将机械变形转化为电信号进行监测。由于其制作成本高、器件微结构简单、响应快、稳定性好等特点，压阻型压力传感器在各种电子应用中显示出巨大的潜力，如电子皮肤、语音监测和个体运动识别、便携式医疗诊断（如心跳、脉搏、血压等）、人工智能。压阻型压力传感器目前往往存在拉伸性、灵敏度和传感范围不可兼得的不足。通常，传感材料本征的刚性特点和柔性聚合物基片的粘弹性制约了其在柔性器件中的应用。为了解决目前的制约因素，许多研究者集中在新材料的研究上。通常，传感材料包含金属纳米线、导电聚合物、碳纳米材料（碳纳米管和石墨烯）、MXene等。此外，通过冷冻铸造、浸渍、化学气相沉积（CVD）等物理化学合成方法，制备了合理、巧妙的微、纳米结构，如多孔结构、空心结构、微裂纹结构，为制备压阻型压力传感器提供了有效的策略。

目前，对传感材料的研究主要集中在低维碳材料，特别是石墨烯，它具有良好的导电性、良好的机械强度和柔软的质地。而大部分三维石墨烯结构是通过CVD或模板法制备。但是石墨烯的导电性和分散能力不可兼得，不利于石墨烯在传感器方面的广泛应用。因此，寻找一种取代石墨烯的新材料是值得的，这种新材料可以更容易地制备，更易量产。

MXene是层状三元碳化物/氮化物材料家族中一种类石墨烯的二维材料，具有类似金属导电性（约2~6×10⁵ s/m）。此外，由于与氧化石墨烯具有相似的表面官能团，MXene在多种溶剂中具有良好的溶解性（包括水和一些极性较强的有机溶剂）。因此，由于其独特的结构和电学性能，MXene在储能（如超级电容器、锂（钠）离子电池、和太阳能电池）、抗电磁辐射（电磁屏蔽和吸波）、传感器（如气体传感器、机械传感器等）、水净化、介电复合材料等领域有着广阔的应用前景。由于MXene在分散能力和导电性方面的优势，在制备压阻型传感器方面具有显著的潜力。

为了制备得到同时具备较高灵敏度和大弯曲感应范围的压阻型压力传感器，我们选择了新型的二维导电材料MXene，以镍泡沫为模板，在镍泡沫上附载MXene纳米片。在其附载有MXene片层的骨架结构上包覆上PDMS，利用盐酸去除掉镍骨架，得到中空的MXene-PDMS三维结构。结合MXene的优良的导电性和中空结构的设计使传感器在不损坏本身电学性能的基础上实现良好的压缩性和弯曲性。目前使用镍泡沫作为骨架制备传感器的研究（文献1、2、3）以及以MXene作导电材料的研究（文献4、5）其制备方法较为繁琐或成本较高，传感范围也不够全面，并且难以实现量产化。文献如下：

文献1：Jeong Y R, Park H, Jin S W, et al. Highly Stretchable andSensitive Strain Sensors Using Fragmentized Graphene Foam. Adv. Funct. Mater.2015, 25(27):4228-4236.