基于超稳定钙钛矿发光丝的柔性、可视、多功能湿度应变传感器

2025-03-09 Sun
学术背景随着物联网和可穿戴电子设备的快速发展，智能传感器在生理监测、智能服装和人机交互等领域的需求日益增长。特别是柔性多功能传感器，因其在皮肤湿度检测、生理活动监测等方面的潜在应用而备受关注。然而，现有的可视化多功能湿度-应变传感器在集成后仍面临诸多挑战，如传感性能不佳、耐久性差、温度干扰明显以及大规模生产困难等问题。为了解决这些问题，研究人员开始探索新型材料和结构设计，以提升传感器的性能和稳定性。
钙钛矿材料因其优异的光学性能、低成本和易于制备等特点，近年来在智能可穿戴电子设备中得到了广泛应用。然而，钙钛矿材料在湿度和机械应变环境下的稳定性问题仍然是一个技术瓶颈。为此，本研究提出了一种基于超稳定钙钛矿发光纤维的柔性、可视化多功能湿度-应变传感器，旨在通过创新的材料和结构设计，解决现有传感器的性能局限。
论文来源本论文由来自武汉纺织大学和武汉理工大学的研究团队共同完成。主要作者包括Xiaofang Li、Qi Liu、Yunpeng Liu等。论文于2025年发表在Advanced Fiber Materials期刊上，DOI为10.1007/s42765-025-00518-9。
研究流程1. 材料制备与结构设计研究团队采用环保的湿纺和浸涂方法，制备了一种具有同轴结构的柔性、可视化多功能湿度-应变传感器。传感器的核心由钙钛矿/热塑性聚氨酯（TPU）组成，而外层则由碳纳米管/聚丙烯酸钠（PAAS）构成。具体步骤如下：
湿纺过程：将钙钛矿前驱体溶液与TPU混合，通过湿纺技术快速形成纤维。在此过程中，溶剂分子被水凝固浴迅速提取，从而实现了TPU纤维的快速形成和钙钛矿纳米晶体的均匀结晶。
浸涂过程：将湿纺得到的钙钛矿/TPU纤维浸入碳纳米管/PAAS溶液中，形成均匀的导电外层。通过热退火处理，去除残留溶剂，最终得到具有同轴结构的传感器纤维。
2. 物理性能表征研究人员对制备的传感器纤维进行了详细的物理性能表征，包括表面形貌、元素分布、机械性能等。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，证实了纤维表面的碳纳米管/PAAS层均匀覆盖，且钙钛矿纳米晶体在TPU基体中分布均匀。此外，机械性能测试表明，传感器纤维具有高弹性（应变可达800%），完全满足可穿戴电子设备的需求。
3. 发光性能测试通过调整钙钛矿的组成，研究团队成功实现了传感器纤维在紫外光照射下的绿、红、蓝三色发光。光致发光（PL）光谱和CIE色度坐标测试表明，传感器纤维具有高亮度、宽色域和良好的颜色可调性。此外，即使在200%的拉伸变形下，纤维仍能保持均匀和明亮的发光，显示了其在柔性显示领域的巨大潜力。
4. 湿度传感性能测试传感器纤维在湿度传感方面表现出色，相对湿度（RH）为95%时，电阻变化可达130%。响应和恢复时间分别为3.2秒和4.0秒，滞后性仅为3.5%。此外，传感器纤维在高温环境下仍能保持稳定的湿度响应，显示出了优异的抗温度干扰能力。通过动态湿度循环测试和摩擦测试，研究人员进一步验证了传感器纤维的耐久性和稳定性。
5. 应变传感性能测试在应变传感方面，传感器纤维在0-95%和95-200%的应变范围内分别表现出2.9和27.0的应变系数（GF）。响应和恢复时间分别为0.2秒和0.3秒，完全满足实时监测人体快速运动的需求。此外，传感器纤维在高温环境下仍能保持稳定的应变响应，显示出了优异的抗温度干扰能力。
6. 多功能应用展示研究团队展示了传感器纤维在信息加密、生理活动监测和危险预警等方面的多功能应用。通过将不同颜色的传感器纤维编织到织物中，研究人员实现了信息的隐藏和加密。此外，传感器纤维还可用于监测人体皮肤湿度、呼吸频率和关节运动，展示了其在可穿戴电子设备中的广泛应用前景。
研究结论本研究成功开发了一种基于超稳定钙钛矿发光纤维的柔性、可视化多功能湿度-应变传感器。通过创新的材料和结构设计，传感器纤维在湿度传感、应变传感和信息加密等方面表现出色，具有高灵敏度、快速响应、低滞后性和优异的耐久性。此外，传感器纤维的制备方法环保、成本低，易于大规模生产，为其在智能服装、电子皮肤和生理监测等领域的应用提供了新的可能性。
研究亮点创新材料设计：通过将钙钛矿纳米晶体与TPU结合，实现了高稳定性和高亮度的发光性能。
同轴结构设计：外层碳纳米管/PAAS层负责湿度传感，核心钙钛矿/TPU层负责应变传感，实现了多功能集成。
优异的传感性能：传感器纤维在湿度和应变传感方面表现出高灵敏度、快速响应和低滞后性。
广泛的应用前景：传感器纤维在信息加密、生理监测和危险预警等领域展示了巨大的应用潜力。
其他有价值的信息研究团队还展示了传感器纤维在煤矿安全预警和夜间运动服中的应用。通过将传感器纤维集成到安全头盔和工作服中，研究人员实现了实时湿度监测和危险预警。此外，传感器纤维还可用于监测运动时的皮肤湿度和关节运动，为运动健康管理提供了新的工具。
本研究不仅为柔性多功能传感器的开发提供了新的思路，也为钙钛矿材料在可穿戴电子设备中的应用开辟了新的方向。