高性能织物基柔性压力传感器的研发与应用

一、设计目的与意义

在全球万物互联、万物智能的背景下，柔性传感技术已成为我国十四五国家重点战略发展方向。压阻式传感器因检测区间广、信号漂移小、性能稳定、加工成本低等优势，被视为下一代理想的压力传感器。然而，传统压阻式传感器在智能可穿戴领域的柔性失效、透气性差、人体共形性差等问题限制了其应用。本项目通过仿生结构设计，在电极材料表面构建类棘层微结构，实现了织物压力传感器的高灵敏度和宽检测区间的统一，为高性能柔性压力传感器的制备提供了理论基础和实验依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

二、原料与技术

2.1 原料组成

本项目主要原料包括：由杭州思进无纺布有限公司提供的黏胶非织造布（80g/m²）；由南京欣福纳米材料科技有限公司提供的银纳米线（直径≈50nm）；以及由吉林一一科技有限公司提供的Ti₃AlC₂（MAX相）。

2.2 工艺路线

本项目采用以下技术路线：首先通过原位HF蚀刻法和超声波法制备少层单分散的MXene纳米分散液，然后将其喷涂到非织造布表面。接着，将银纳米线分散液喷涂到MXene非织造布表面，制备MXene/AgNW基复合无纺布作为传感层。通过丝网印刷方法在非织造布表面构建MXene叉指电极作为电极层。最后，将传感层和电极层叠层组装为全织物基柔性压力传感器。

2.3 结构及性能

2.3.1 织物微观形貌、导电性和透气性

本项目所制备的MXene基非织造布叉指电极纹路清晰、无渗化现象，表明其优异的印刷质量。MXene纳米片和AgNW在传感电极表面形成交联网状结构，赋予其优异的导电性。此外，所制备的织物压力传感器具有优异的透气性，透气率高达607mm/s，远超透气服装的基本要求。

2.3.2 压力传感性能

本项目产品的压力传感机制在受压过程中不断完善导电网络，导致电阻减小和接触电阻降低，具有优异的压敏特性。器件的响应电流随压力增加而增加，且在低压力负载下具有线性电流响应。更重要的是，本项目产品具有超快的响应恢复速率（响应、恢复时间分别为70ms、81ms），远高于文献报道的其他织物基压力传感器。通过调控传感电极的层数，可以实现对传感器灵敏度的调控，最高灵敏度可达1434.89kPa⁻¹，并具有较宽的检测区间（0-100kPa），可实现对人体全尺度的运动和健康监测。此外，本项目产品具有优异的循环稳定性。

三、应用领域

本项目产品对各类微小重物均具有较好的感知能力，展现出超高的灵敏度。可应用于中医可视化（如脉搏监测）、血压监测等领域，通过分析脉搏波和血流信号对人体的健康状况进行检测。此外，本项目产品还可应用于人体运动监测，如智能鼠标、智能鞋垫等，能够明显区分和鉴别不同运动状态，并展现出优异的抗刺破性和抗极端条件的能力。

四、创新点

1. 通过仿皮肤组织结构设计，构筑了一种高透气、高柔性、高压力传感性能的织物基压力传感器。
2. 基于丝网印刷技术和表面修饰技术，规模化批量制备柔性压力传感器的传感电极和叉指电极。
3. 实现柔性条件下织物基压力传感器的高灵敏度和宽检测区间的统一。
4. 制备方式操作简便，参数可调控，适合规模化生产。
5. 产品可作为智能可穿戴器件展现多种用途，如实时脉搏监测、血压监测、人体运动检测等。

五、与大赛的联系

本次大赛的主题为“新工科·创新与可持续”，旨在体现非织造工业的创新性、多科学性和广泛可替代性。本项目作品融合了纺织技术、染整技术和传感技术，具有充分的多学科交叉融合特点。创新性地将仿生的概念应用于高附加值非织造产品的技术开发，产品具有广泛的用途，覆盖生物传感、运动传感等领域。因此，本项目作品充分契合大赛主题，展现了新工科的创新与可持续精神。