摘 " "要： 針對導(dǎo)電氣凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差導(dǎo)致傳感性能不佳的問題，提出以去質(zhì)子化方法制備芳綸納米纖維（ANFs），并與改性碳納米管（CNTs）進行共混，得到具有高壓縮回彈性、高靈敏度的復(fù)合氣凝膠傳感器，并對其熱學(xué)性能、力學(xué)性能和傳感性能進行表征。實驗結(jié)果表明：ANFs與CNTs之間混合均勻，并通過氫鍵連接形成了穩(wěn)定的內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，氣凝膠能承受50%的壓縮比，并在100次的壓縮循環(huán)后，完全恢復(fù)到初始狀態(tài)；更重要的是，復(fù)合氣凝膠在壓縮循環(huán)中展現(xiàn)出穩(wěn)定的電信號輸出以及0.1 kPa的超低檢測極限，因而在柔性應(yīng)變傳感器領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞： 芳綸納米纖維；碳納米管；氣凝膠；柔性應(yīng)變傳感器

中圖分類號： TS102.528；TQ342.8 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " " " " " " " "文章編號： "１６７１－０２４Ｘ（２０24）０5－００01－07

Preparation and performances of aramid nanofiber/carbon nanotube

composite aerogel sensor

YANG Guang， JIN Zhao， YAN Jing

（School of Textile Science and Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： Aiming at the issue of poor structural stability in conductive aerogels that causes unstable sensing pesformance，aramid nanofiber（ANFs） were prepared by deprotonation method and blended with modified carbon nanotubes （CNTs） to obtain a highly sensitive composite conductive aerogel sensor with high compression resilience. Its thermal， mechanical and sensing properties were characterized. "The experimental results showed that the ANFs and CNTs were mixed uniformly， forming a stable internal network structure through hydrogen bonding. The aerogel could bear a compression ratio of 50% and completely return to the initial shape after 100 compression cycles. More importantly， the composite aerogel showed stable electrical signals and ultra-low detection limit of 0.1 kPa in the compression cycles， which indicated that it has great application potential in the field of flexible strain sensors.

Key words： "aramid nanofiber； carbon nanotube； aerogel； flexible strain sensor

近年來，隨著智能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，可穿戴傳感器設(shè)備不斷出現(xiàn)在人們生活的各個方面，包括仿生肢體、健康運動監(jiān)測設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備[1-3]。其中，高性能柔性應(yīng)變傳感器在智能可穿戴設(shè)備中發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用[4]。柔性應(yīng)變傳感器按照不同的工作機制可分為壓阻式、壓電式、摩擦式和電容式[5-8]。相比于其他類型傳感器，壓阻式傳感器由于具有簡單的結(jié)構(gòu)、出色的壓力靈敏度、寬檢測范圍和較快的響應(yīng)時間等諸多優(yōu)點被廣泛研究[9-10]，這些特性也使其成為未來可穿戴智能電子傳感元件的理想候選者[11-12]。然而，如何制備兼具輕質(zhì)、高靈敏度、低檢測極限和寬檢測范圍等傳感性能的柔性壓阻傳感器仍然是困擾其進一步應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。

氣凝膠是指通過溶膠-凝膠法結(jié)合特定的干燥方式，使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固體材料。作為世界上最輕質(zhì)的固體，其具有極高孔隙率、低密度、高比表面積、高介電強度和低導(dǎo)熱率等優(yōu)異特性，這些特性使得氣凝膠在航空航天、能源儲存、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、涂層和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的潛力[13-14]。此外，導(dǎo)電氣凝膠的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的可壓縮性，同時在其受到一定應(yīng)力發(fā)生形變時，內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變，從而實現(xiàn)較高的靈敏度，因此導(dǎo)電氣凝膠在柔性傳感器方面的發(fā)展與應(yīng)用備受關(guān)注[15-16]。例如，Cao等[17]設(shè)計了一種聚丙烯腈納米纖維/石墨烯（PAN/GA）氣凝膠，其中PAN納米纖維組成的3D互連微結(jié)構(gòu)充當(dāng)支撐整個石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的支架。PAN納米纖維和石墨烯納米片的協(xié)同效應(yīng)賦予了氣凝膠優(yōu)異的力學(xué)性能和傳感性能。當(dāng)用作壓阻傳感器時，PAN/GA氣凝膠具有良好的壓縮彈性、快速響應(yīng)時間（≈37 ms）、良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（2 600次循環(huán)后，電流信號值保持率為91.57%）和線性靈敏度。因此，該氣凝膠壓阻傳感器在健康檢測領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。Wang等[18]使用納米纖維素/芳綸納米纖維（CNF/ANF）氣凝膠作為模板來控制內(nèi)部聚吡咯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的原位形成，進而制備了一種具有有序結(jié)構(gòu)、優(yōu)異導(dǎo)電性、阻燃性和良好機械性能的輕質(zhì)導(dǎo)電氣凝膠。將其作為壓阻傳感器，該氣凝膠展現(xiàn)出高的應(yīng)變靈敏度，因此可實時感知人體運動和生理健康（如手腕脈搏的跳動）狀態(tài)。

芳綸納米纖維（ANFs）源自對苯二甲酰胺（PPTA）纖維（商品名為Kevlar纖維），它不僅具有大長徑比和高比表面積等納米結(jié)構(gòu)特點，而且還保持了優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和耐熱性能，使其在各個領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[19]。得益于ANF的優(yōu)點， ANF氣凝膠具有高壓縮性、高優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其結(jié)合導(dǎo)電填料制備ANF導(dǎo)電氣凝膠可被用作高性能壓阻傳感器[5]。Wang等[20]將ANFs與MXene導(dǎo)電填料相結(jié)合，利用真空抽濾的方法制備了ANF/MXene復(fù)合氣凝膠。該氣凝膠具有三維多孔結(jié)構(gòu)，體積密度低至25 mg/cm3，同時MXene為氣凝膠提供了優(yōu)異的導(dǎo)電性。一系列的實驗表明，ANF/MXene氣凝膠傳感器具有良好的傳感性能，如寬檢測范圍（2%～80%壓縮應(yīng)變）、高靈敏特性（128 kPa-1）和超低的檢測極限（100 Pa），這使其在檢測人體輕微運動到劇烈運動方面發(fā)揮著準(zhǔn)確的監(jiān)測作用。然而，MXene中的金屬原子極易氧化且其價格高昂，這就限制了該導(dǎo)電復(fù)合氣凝膠的廣泛應(yīng)用。基于此，本文以商業(yè)化芳綸纖維為原料，利用去質(zhì)子化的方法制備ANF分散液，結(jié)合常用的碳納米管（CNTs）作為導(dǎo)電填料，通過ANFs和CNTs之間氫鍵構(gòu)筑，獲得結(jié)構(gòu)均一的導(dǎo)電ANF/CNT氣凝膠，并系統(tǒng)研究氣凝膠的隔熱性能、力學(xué)性能和傳感特性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

材料：對位芳綸（PPTA）長絲（直徑為4～20 μm，長度為5～10 cm），日本帝人株式會社；氫氧化鉀（KOH，分析純）、二甲基亞砜（DMSO，分析純），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；碳納米管（CNTs，直徑為10～20 nm，長度為10～30 μm，純度＞98%），江蘇先豐納米材料科技有限公司；無水乙醇（分析純），天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

儀器： Flex SEM1000型臺式能譜一體掃描電鏡，日本日立公司；FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技有限公司； XploRA PLUS型激光共焦掃描成像拉曼光譜儀，日本Horiba公司；TSE502B型電子萬能試驗機，深圳萬測試驗設(shè)備有限公司；DAQ 6510型精密萬用表，英國吉時利有限公司；TG 209 F3 Tarsus型熱重分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司；Fotric 343型紅外熱像儀，上海飛礎(chǔ)科智慧科技有限公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 芳綸納米纖維分散液的制備

將0.6 g芳綸長絲剪切為5 mm左右的短纖維，使用無水乙醇去除纖維表面雜質(zhì)后，加入到由H2O、KOH和DMSO組成的混合體系中（芳綸與KOH的質(zhì)量比為2 ∶ 3，H2O與DMSO的體積比為1 ∶ 25），形成總質(zhì)量為100 g的纖維分散液，常溫下攪拌4 h左右，得到深紅色的ANF分散液，質(zhì)量濃度為6.0 mg/mL。

1.2.2 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的制備

ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的制備示意圖如圖1所示。

首先在0.1 g KOH和16.6 mL DMSO體系中，加入一定量的CNTs，配制出質(zhì)量濃度依次為2.5、4.0、6.0 mg/mL的CNT分散液，然后進行磁力攪拌和超聲處理，直至CNT完全分散均勻。將上述處理好的CNT分散液分別加入16.6 mL ANF分散液中攪拌7 d，最終制得均勻的ANF/CNT分散液。將66.4 mL去離子水緩慢加入ANF/CNT分散液，使ANF再質(zhì)子化還原，經(jīng)多次去離子水洗滌并抽濾后，將其轉(zhuǎn)移到自制的冷凍裝置中，利用液氮進行冷凍成形，最后冷凍干燥72 h后獲得CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、40%、50%的ANF/CNT復(fù)合氣凝膠，將樣品依次命名為：ANF/CNT-30、ANF/CNT-40、ANF/CNT-50。

1.3 測試與表征

（1） 形貌觀察：利用臺式能譜一體掃描電鏡觀察純ANF氣凝膠以及ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的形貌，加速電壓為10 kV，測試前樣品進行噴金處理。

（2）化學(xué)結(jié)構(gòu)表征：利用傅里葉變換紅外光譜儀在室溫下表征ANF氣凝膠和ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的官能團變化，掃描范圍為500～4 000 cm-1；利用激光共焦掃描成像拉曼光譜儀對ANF、CNT、ANF/CNT復(fù)合氣凝膠進行分子結(jié)構(gòu)分析，掃描范圍0～4 000 cm-1，波長785 nm。

（3） 熱重性能測試：氣凝膠樣品在烘箱內(nèi)充分干燥后，采用熱重分析儀進行熱失重測試。在氮氣氛圍下，測試溫度范圍為25～900 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

（4） 隔熱性能測試：將氣凝膠水平放置于加熱臺上，設(shè)定加熱臺溫度為200 ℃，在氣凝膠保持30 min后，借助紅外熱像儀記錄氣凝膠上表面的溫度。

（5） 力學(xué)性能測試：利用電子萬能試驗機對樣品進行壓縮測試，壓縮速率為50 mm/min。

（6） 傳感性能測試：由電子萬能試驗機與精密萬用表組裝的傳感性能測試平臺進行表征，此平臺可以實現(xiàn)在樣品壓縮過程中對傳感器的電阻進行實時監(jiān)測。

2 結(jié)果與討論

2.1 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的機理分析

芳綸（PPTA）纖維的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可以看出，PPTA分子鏈上存在大量的N—H和C■O基團，二者相互作用使相鄰分子鏈之間形成高密度氫鍵，進而賦予芳綸纖維出色的力學(xué)性能，其拉伸模量和抗拉強度分別達(dá)到了90 GPa和3.6 GPa[21]。有趣的是，芳綸纖維可以在DMSO/KOH溶液中劈裂成單個或幾個分子鏈粗細(xì)（即去質(zhì)子化過程），同時可進一步質(zhì)子化還原成納米纖維[22]?；谶@一機理，本工作分別將芳綸纖維和CNT溶于DMSO/KOH溶液，制備了ANF和CNT分散液，然后將兩溶液混合在一起制備出均勻穩(wěn)定的ANF/CNT分散液，在這一過程中，芳綸纖維被剝離成超細(xì)纖維，而CNT在KOH的作用下其表面可生成極性基團，其可與PPTA分子鏈形成氫鍵，從而增強了ANF和CNT的相容性，有助于均勻穩(wěn)定的ANF/CNT分散液的形成。當(dāng)進一步加入去離子水并將溶液pH值調(diào)節(jié)至中性后，ANF由于質(zhì)子化效應(yīng)重建氫鍵，結(jié)合ANF和CNT之間的氫鍵作用，二者在去離子水中均勻且穩(wěn)定存在。ANF/CNT復(fù)合氣凝膠通過真空輔助抽濾和冷凍干燥的方法制備而成，從而盡可能地保留其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)。得益于其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，純氣凝膠和復(fù)合氣凝膠均展現(xiàn)出超低的體密度，CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、30%、40%、50%的氣凝膠的密度依次為13.5、19.2、22.5、26.9 mg/cm3。

2.2 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的形貌表征

圖3為ANF氣凝膠和ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的實物圖與SEM圖。

由圖3（a）觀察到，純ANF氣凝膠顯示了ANF本來的特征，具有獨特的淡黃色。一旦加入CNT導(dǎo)電材料，氣凝膠的顏色從淡黃色轉(zhuǎn)變成黑色，如圖3（b）所示。從截面SEM圖像可以看出，圖3（c）和圖3（d）受益于從下到上的定向冷凍策略，液氮驅(qū)動冰晶垂直生長，因此純氣凝膠和復(fù)合氣凝膠內(nèi)部都表現(xiàn)出均勻的三維定向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，其反映了冰晶生長的方向垂直于孔隙的方向。層狀結(jié)構(gòu)在應(yīng)對壓縮時，能提供足夠的壓縮空間，為進一步產(chǎn)生更好的傳感特性提供了基礎(chǔ)。此外， ANF氣凝膠呈現(xiàn)光滑分層結(jié)構(gòu)，這是由于大量氫鍵相互作用以及高度定向的結(jié)構(gòu)集結(jié)形成的。而復(fù)合氣凝膠的層狀結(jié)構(gòu)顯示出相對粗糙的表面，這是由于CNTs在表面突出形成的，同時可以觀察到ANFs與CNTs之間的氫鍵作用使二者之間的連接較為緊密。沒有觀察到CNTs有明顯的聚集結(jié)構(gòu)，說明CNTs均勻地分散在氣凝膠內(nèi)部，這為氣凝膠提供了良好的導(dǎo)電性。

2.3 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠中的界面作用分析

為了證明ANFs與CNTs之間存在豐富的氫鍵，以致于二者在復(fù)合氣凝膠中形成了穩(wěn)定的結(jié)合，本文分別對ANF氣凝膠、ANF/CNT復(fù)合氣凝膠以及純CNT進行了FTIR和拉曼分析，如圖4所示。

從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，1 649 cm-1和3 323 cm-1處的特征峰分別對應(yīng)于ANF中的CO和N—H拉伸振動，可見復(fù)合氣凝膠中的吸收峰與ANF氣凝膠相比沒有明顯的位置變化，說明CNTs的加入沒有改變ANFs的整體結(jié)構(gòu)。同時具體分析ANFs的CO可以看出，該特征峰從1 649 cm-1移到1 644 cm-1處，這可能是由于ANF和CNT之間形成了強氫鍵作用導(dǎo)致的。由圖4（c）可以看出，D波段（≈1 305 cm-1）歸因于CNT的SP3缺陷，G波段（≈1 580 cm-1）表示CNT結(jié)構(gòu)中C—C的SP2鍵。ID/IG（D波段和G波段之間的強度比）描述了CNT的改性程度。ID/IG值越大，CNT結(jié)構(gòu)的缺陷就越多。當(dāng)CNT被KOH處理形成氣凝膠之后，ID/IG值從1.88增加到2.12，CNT結(jié)構(gòu)的缺陷增加，表明大量的羥基嫁接到了CNT表面，這就為CNT和ANF之間的氫鍵形成提供了基礎(chǔ)。

2.4 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的高溫隔熱性能分析

氣凝膠的熱穩(wěn)定性是其高溫隔熱的前提，因此對ANF氣凝膠和ANF/CNT復(fù)合氣凝膠進行了熱重分析，來評定其熱穩(wěn)定性，如圖5所示。

圖5（a）和圖5（b）分別展示的是氮氣氣氛下ANF氣凝膠和ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的TG和DTG圖。由圖5可以看出，ANF/CNT復(fù)合氣凝膠與ANF氣凝膠表現(xiàn)出相似的熱穩(wěn)定性。2種氣凝膠質(zhì)量損失都很少，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。當(dāng)溫度繼續(xù)上升到500 ℃，ANF氣凝膠仍保持較好的穩(wěn)定性，復(fù)合氣凝膠則出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失，這可歸結(jié)為復(fù)合氣凝膠中CNT表面的羥基降解造成的。在500～600 ℃溫度范圍內(nèi)2種氣凝膠質(zhì)量損失最大，這一區(qū)域是ANF的主要分解區(qū)域，其質(zhì)量損失是由ANF熱分解造成的。在溫度上升到600 ℃之后，樣品質(zhì)量趨于穩(wěn)定，復(fù)合氣凝膠剩余殘渣量大于純氣凝膠，其多出來的殘渣為未分解的CNT。由此可見，CNTs的加入對ANF氣凝膠的熱穩(wěn)定性幾乎沒有影響，復(fù)合氣凝膠可以滿足400 ℃以下的高溫環(huán)境使用。

將ANF/CNT復(fù)合氣凝膠放置于200 ℃的加熱臺上，靜置30 min，最后使用熱紅外成像儀記錄氣凝膠上表面的溫度，來評價其高溫隔熱性能，如圖6所示。

由圖6可見，長時間靜置后，氣凝膠的上表面溫度能夠穩(wěn)定保持在73 ℃，其與加熱臺溫度的溫差達(dá)到127 ℃，展現(xiàn)出良好的隔熱性能。這一現(xiàn)象是因為氣凝膠內(nèi)部層層堆疊形成的多孔結(jié)構(gòu)阻擋了高溫的蔓延，多孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒖諝獍苍诳浊粌?nèi)，限制其流動，靜止的空氣阻礙了熱量的傳播，從而降低氣凝膠的導(dǎo)熱率。

2.5 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能分析

氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接決定了其力學(xué)性能，穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的壓縮回彈性在傳感器領(lǐng)域中具有重要價值。為了研究純ANF氣凝膠和ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能，本文對氣凝膠進行了一系列壓縮試驗。需要說明的是，所有氣凝膠樣品都經(jīng)過了30%形變的預(yù)壓縮。圖7為ANF氣凝膠和ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的壓縮-釋放過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖7可以看出，所有的氣凝膠都有良好的壓縮回彈性。隨著CNT的含量增加，氣凝膠的壓縮應(yīng)力峰值也隨之增加，其在CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時達(dá)到最大，這表明CNT和ANF之間形成了較強的結(jié)合力，形成了穩(wěn)定的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。進一步增加CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)到50%時，氣凝膠壓縮強力反而有所下降，這可能是由于過多CNT的存在阻礙了ANF質(zhì)子化還原，從而影響了ANF的骨架構(gòu)建。圖8可視化地展示了ANF/CNT-40復(fù)合氣凝膠的壓縮回彈性。當(dāng)復(fù)合氣凝膠在受到外力壓縮后，一旦釋放外部壓力，氣凝膠基本能夠恢復(fù)到初始高度，進一步證明了氣凝膠優(yōu)異的壓縮回彈性。為了評定復(fù)合氣凝膠的抗壓縮疲勞性，30%形變下對該復(fù)合氣凝膠施加100次的壓縮循環(huán)，如圖9所示。

由圖9可以看出，復(fù)合氣凝膠在經(jīng)過100次的壓縮循環(huán)后，雖然最大壓縮應(yīng)力有所降低，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍表現(xiàn)為閉合的遲滯回線，復(fù)合氣凝膠幾乎沒有出現(xiàn)塑性變形。這些現(xiàn)象表明，層狀三維多孔網(wǎng)絡(luò)為復(fù)合氣凝膠提供了優(yōu)異的力學(xué)性能和特定的空間結(jié)構(gòu)，使其得以承受外部應(yīng)力和形變。復(fù)合氣凝膠出色的可壓縮回彈性能夠很好地滿足壓阻傳感器的要求。

2.6 ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的傳感性能分析

在充分考慮力學(xué)性能和導(dǎo)電性的情況下，本文選擇了ANF/CNT-40復(fù)合氣凝膠展示其在傳感方面的應(yīng)用。用導(dǎo)電銀漿將復(fù)合氣凝膠上下面與兩根導(dǎo)線電極相連接，組成一個簡單的壓阻傳感器，并使用精密電阻數(shù)據(jù)采集器實時監(jiān)控傳感器電阻變化。ANF/CNT復(fù)合氣凝膠的傳感性能如圖10所示。

當(dāng)施加外力時，氣凝膠發(fā)生壓縮形變，其電阻值迅速減小。從圖10（a）中可以觀察到，隨著應(yīng)變的發(fā)生，電阻變化率可分為2個階段：在0～15%范圍內(nèi)，電阻變化相對較快，而形變超過15%后，電阻變化率有所減緩，2個階段內(nèi)電阻均呈線性變化。根據(jù)傳感器靈敏度（GF）進一步表征氣凝膠傳感能力，定義GF=（ΔR/R0）/Δε，其中ΔR/R0用于表示壓縮過程中的相對電阻變化，ΔR表示壓縮前后的電阻差值，R0表示壓縮前的初始電阻值，Δε表示壓縮應(yīng)變變化。因此，在0～15%階段，氣凝膠的GF達(dá)到了1.94；在15%～60%應(yīng)變階段，氣凝膠GF則降為0.7。這一壓阻特性主要取決于氣凝膠的三維層狀多孔結(jié)構(gòu)，隨著壓強的增大，CNTs之間的結(jié)合增多，氣凝膠內(nèi)部構(gòu)建了更多的導(dǎo)電路徑，從而使得氣凝膠高度方向上電阻變小。復(fù)合氣凝膠在不同壓縮應(yīng)變（10%、30%、50%）條件下電阻變化率的重復(fù)性展示如圖10（b）。在相同壓縮應(yīng)變下，氣凝膠電阻變化率基本一致，展現(xiàn)出良好的可重復(fù)性。圖10（c）展示了復(fù)合氣凝膠對不同頻率外部應(yīng)力的響應(yīng)特性。在相同的壓縮形變下調(diào)節(jié)壓縮速度，氣凝膠電信號呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有任何增加或衰減的現(xiàn)象。與其他柔性傳感器相比，氣凝膠傳感器最大的特點之一是微壓力檢測能力。圖10（d）顯示了ANF/CNT復(fù)合氣凝膠對不同壓強的精準(zhǔn)響應(yīng)。正如預(yù)期的那樣，電阻變化率隨著壓強（0.1、0.5、1.0 kPa）增加而有了明顯提高。由圖10（d）還可以看出，復(fù)合氣凝膠能夠?qū)?.1 kPa的微小壓強做出響應(yīng)，且具有良好的重復(fù)性，證明其具有高靈敏的壓阻特性。圖10（e）展示了復(fù)合氣凝膠的抗疲勞測試結(jié)果，由圖10（e）可以看出，氣凝膠經(jīng)100次壓縮循環(huán)后信號輸出依然穩(wěn)定，無任何信號衰減，這些現(xiàn)象都?xì)w功于復(fù)合氣凝膠具有良好的壓縮回彈性。以上結(jié)果表明ANF/CNT復(fù)合氣凝膠在可穿戴輕量化電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

本文以ANF為基體材料，以CNTs為導(dǎo)電填料，通過二者之間的氫鍵結(jié)合制備出均勻的ANF/CNT分散液，然后利用冷凍干燥工藝制備了具有導(dǎo)電性的復(fù)合氣凝膠，并研究其結(jié)構(gòu)和性能，得出結(jié)論如下：

（1） SEM圖像顯示，ANF/CNT復(fù)合氣凝膠具有三維定向多孔結(jié)構(gòu)，CNT在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中分布較為均勻，沒有明顯的團聚。

（2） FTIR和拉曼光譜分析表明，ANFs與CNTs之間有穩(wěn)定的氫鍵連接，形成了穩(wěn)定的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。低于40% CNT的加入不會破壞氣凝膠穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此其保留了出色的壓縮回彈性。氣凝膠能承受50%的壓縮比，并在100次壓縮循環(huán)后完全恢復(fù)。

（3） ANF/CNT復(fù)合氣凝膠具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及隔熱性能，其表面溫差達(dá)到了127 °C。ANF/CNT-40復(fù)合氣凝膠對不同形變、不同頻率的壓縮表現(xiàn)出高度響應(yīng)、可重復(fù)性及良好的耐久性，同時其具有0.1 kPa的超低壓力檢測極限，可將其用于柔性應(yīng)變傳感器。

參考文獻(xiàn)：

[1] " "ZHANG H X， NIU W B， ZHANG S F. Extremely stretchable and self-healable electrical skin with mechanical adaptability， an ultrawide linear response range， and excellent temperature tolerance[J]. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2019， 11（27）： 24639-24647.

[2] " "CHEN J W， YU Q L， CUI X H， et al. An overview of stretchable strain sensors from conductive polymer nanocomposites[J]. Journal of Materials Chemistry C， 2019， 7（38）： 11710-11730.

[3] " "田明偉， 張高品， 曲麗君， 等. 導(dǎo)電纖維及其傳感器在可穿戴智能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報， 2021， 34（3）：51-59.

TIAN M W， ZHANG G J， QU L J， et al. The application of conductive fibers and its flexible sensors in wearable intelligent textiles field[J]. Basic Sciences Joumal of Textile Universities， 2021， 34（3）： 51-59（in Chinese）.

[4] " "趙穎會， 武辰爽， 王亞洲， 等. MXene改性紡織品在柔性應(yīng)變傳感領(lǐng)域研究進展[J]. 紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報， 2022， 35（1）：48-60.

ZHAO Y H， WU C S， WANG Y Z， et al. Research progress of MXene-modified textiles in the field of flexible strain sensing[J]. Basic Sciences Joumal of Textile Universities， 2022， 35（1）：48-60（in Chinese）.

[5] " "WANG C Y， XIA K L， WANG H M， et al. Advanced carbon for flexible and wearable electronics[J]. Advanced Materials， 2019， 31（9）： e1801072.

[6] " "WANG Z F， JIANG R J， LI G M， et al. Flexible dual-mode tactile sensor derived from three-dimensional porous carbon architecture[J]. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2017， 9（27）： 22685-22693.

[7] " "MANNSFELD S C B， TEE B C K， STOLTENBERG R M， et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers[J]. Nature Materials， 2010， 9： 859-864.

[8] " "CHEN J W， ZHU Y T， HUANG J R， et al. Advances in responsively conductive polymer composites and sensing applications[J]. Polymer Reviews， 2021， 61（1）： 157-193.

[9] " "AMJADI M， KYUNG K U， PARK I， et al. Stretchable， skin-mountable， and wearable strain sensors and their potential applications： A review[J]. Advanced Functional Materials， 2016， 26（11）： 1678-1698.

[10] "TRUNG T Q， LEE N E. Flexible and stretchable physical sensor integrated platforms for wearable human-activity monitoringand personal healthcare[J]. Advanced Materials， 2016， 28（22）： 4338-4372.

[11] "STASSI S， CAUDA V， CANAVESE G， et al. Flexible tactile sensing based on piezoresistive composites： A review[J]. Se-nsors， 2014， 14（3）： 5296-5332.

[12] "ARABY S， QIU A D， WANG R Y， et al. Aerogels based on carbon nanomaterials[J]. Journal of Materials Science， 2016， 51（20）： 9157-9189.

[13] "南靜靜， 支超， 何小祎， 等. 3D織物/氣凝膠多功能復(fù)合材料的制備與性能分析[J]. 西安工程大學(xué)學(xué)報， 2022， 36（5）： 1-7.

NAN J J， ZHI C， HE X Y， et al. Preparation and property analysis of 3D fabric/aerogel multifunctional composites[J]. Journal of Xi′an Polytechnic University， 2022， 36（5）：1-7.（in Chinese）

[14] "周慧敏， 丁新波， 劉濤， 等. 纖維素/MXene復(fù)合氣凝膠的制備及其對亞甲基藍(lán)的吸附機制[J]. 現(xiàn)代紡織技術(shù). 2023， 31（4）：93-102.

ZHOU H M， DING X B， LIU T， et al. Prepartion of the cellulose/MXene composite aerogel and its adsorption mechanism for methylene blue[J]. Advanced Textile Technology， 2023， 31（4）：93-102.

[15] "YANG J， LI Y， ZHENG Y Y， et al. Versatile aerogels for sensors[J]. Small， 2019， 15（41）： e1902826.

[16] "DAI L， WANG Y， ZOU X J， et al. Ultrasensitive physical， bio， and chemical sensors derived from 1-， 2-， and 3-D nano-cellulosic materials[J]. Small， 2020， 16（13）： e1906567.

[17] "CAO X Y， ZHANG J， CHEN S W， et al. 1D/2D nanomaterials synergistic， compressible， and response rapidly 3D graphene aerogel for piezoresistive sensor[J]. Advanced Functional Materials， 2020， 30（35）： 2003618.

[18] "WANG S J， MENG W Y， LV H F， et al. Thermal insulating， light-weight and conductive cellulose/aramid nanofibers composite aerogel for pressure sensing[J]. Carbohydrate Polymers， 2021， 270： 118414.

[19] "XIAO S S， MEI H， HAN D Y， et al. Ultralight lamellar amorphous carbon foam nanostructured by SiC nanowires for tunable electromagnetic wave absorption[J]. Carbon， 2017， 122： 718-725.

[20] "WANG L， ZHANG M Y， YANG B， et al. Highly compressible， thermally stable， light-weight， and robust aramid nano-fibers/Ti3AlC2 MXene composite aerogel for sensitive pressure sensor[J]. ACS Nano， 2020， 14（8）： 10633-10647.

[21] "HU Y H， YANG G， ZHOU J T， et al. Proton donor-regulated mechanically robust aramid nanofiber aerogel membranes for high-temperature thermal insulation[J]. ACS Nano， 2022， 16（4）： 5984-5993.

[22] "YANG M， CAO K Q， SUI L， et al. Dispersions of aramid na-nofibers： A new nanoscale building block[J]. ACS Nano， 2011， 5（9）： 6945-6954.

本文引文格式：

楊光，金釗，閆靜. 芳綸納米纖維/碳納米管復(fù)合氣凝膠傳感器的制備及其性能[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2024， 43（5）： 1-7.

YANG G， JIN Z， YAN J. Preparation and performances of aramid nanofiber/carbon nanotube composite aerogel sensor[J]. Journal of Tiangong University， 2024， 43（5）： 1-7（in Chinese）.