西安工程大学刘呈坤教授团队 ACS Materials Lett.：静电纺丝技术在物理传感器领域的研究进展

近日，西安工程大学刘呈坤教授团队结合其前期工作基础在ACS Materials Letters上发表综述，系统地总结了近年来基于静电纺丝技术制备具有良好性能的物理传感器的研究进展，并对这一领域未来面临的挑战和发展的趋势提出了自己的观点。

首先，论文从物理效应和转换原理的角度对物理传感器进行了分类，主要包括压电式、压阻式、电容式和摩擦电式传感器。同时讨论了物理传感器的关键参数如灵敏度、响应时间和循环稳定性，并对各类传感器的工作原理及具体优缺点进行了比较。压电传感器为特定应用提供了灵敏度、稳定性和可靠性方面的特定优势，可以实现高灵敏度和自供电，但不能检测静态压力。压阻式传感器具有生产可行、成本低、信号分析简单等优点，但传感材料易受环境因素的影响且难以在保证高灵敏度的情况下同时拥有大测量量程。电容式传感器具有电灵敏度高、功耗低、结构简单的优势，但无法自供电。而摩擦电式传感器具有良好的迟滞性，且可自供电，但其分辨率及结构的小型化程度有待提高。

图1. 压电、压阻、电容和摩擦电传感器的优缺点比较

重点回顾了基于静电纺丝技术的各种物理传感器的最新应用实例，包括压力、应变、温湿度及其他类型传感器。在压力传感器中，作者根据工作原理的不同将其分为压电、压阻和电容式传感器。重点关注了压力传感器的材料使用，如压电传感器中目前常见的压电材料包括无机材料和有机材料两类，其中无机材料主要包括ZnO、BaTiO₃和PZT等，而有机材料主要以PVDF和PVDF共聚物为主。无机压电材料存在取向极化温度高、制备成本高、柔韧性差等缺点，而有机压电聚合物材料则具有优良的机械柔韧性、出色的压电性能、多技术兼容性、生物相容性和较低的成本。压阻传感器主要是选用填充导电材料（如石墨烯纳米片（GNPs）、碳纳米管（CNTs）、MXene等）的导电聚合物膜作为敏感材料。通过静电纺丝制备的特殊生物材料膜（如丝素蛋白纳米纤维膜等）的压阻式传感器具有良好的综合性能，在人体健康检测和智能穿戴领域具有广阔的应用前景。而电容式传感器中，离子材料可以增强由于产生的电子而产生的电容信号的幅度，提高电容型压力传感器的灵敏度而被研究人员广泛使用。目前，常见的离子材料主要包括离子液体、离子凝胶和离子盐。离子盐与其他离子材料相比不含水分，能够在提高电容式传感器灵敏度的同时，保证电容式传感器的长期稳定使用。在此基础上，作者对压力传感器中天然生物材料的使用及传感器在特殊环境（如强酸、强碱）中的应用也进行了关注。

图2. 压电传感器的材料选择、形貌分析和性能测试

图3. 压阻传感器的材料选择、形貌分析和性能测试

图4. 电容传感器的材料选择、形貌分析和性能测试

制造同时具有大应变范围和高灵敏度的应变传感器一直是这一领域的研究重点。作者介绍了基于静电纺丝技术制备高灵敏度、大应变范围的应变传感器的最新进展。通过将静电纺丝与其他技术（如化学沉积和原位聚合）相结合，可以使碳材料或金属纳米颗粒等导电材料负载于纳米纤维表面，并结合结构设计使制备的物理传感器在性能上得到提升。如采用真空过滤-旋转涂层制备的自成型夹层结构AgNWs/TPU/PDMS柔性应变传感器不仅具有良好的性能，而且还解决了纳米银容易被氧化的问题。同时相较于传统利用金属或半导体制备的传感器而言还具有较好的柔性。

图5. 应变传感器的制备流程、形貌分析和性能测试

在温度传感器中，传统的基于半导体的热敏电阻或基于金属的热电偶等，具有成型消耗大、柔性小的缺点。而利用静电纺丝技术制备的温度传感器，不仅解决了上述问题，同时能实现对温度的实时以及非接触式监测。湿度传感器中，基于电纺薄膜的电子湿度传感器比光学和声学湿度传感器具有低功耗、高灵敏度、良好的稳定性和优良的响应或恢复时间等优势。然而相较于压力和应变传感器，目前利用静电纺纳米纤维膜制备温湿度传感器的研究还相对较少。

图6. 温湿度传感器的制备流程、形貌分析和性能测试

目前静电纺丝技术应用于制备物理传感器的研究不仅仅局限于大家熟知的压力、应变传感器等，在这些常见物理传感器的基础上，人们也研究了静电纺丝技术在振动、流量、声、光、热等传感器上的应用。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有小尺度、大比表面积、高孔隙率、易于掺杂功能改性和结构可控等多种优点，可以同时能够从原料选择、结构设计等多方面入手不断提高这些物理传感器的灵敏度、响应时间、耐久性等性能指标。特别是在结构设计方面，可以更多利用各种仿生结构进行设计，如通过模仿鱼的生物纤毛制备流量传感器，模仿人耳的鼓膜制备人工声学传感器等。

图7. 其他类型传感器的制备流程、形貌分析和性能测试

该综述系统回顾了静电纺丝技术在物理传感器领域的研究进展，通过协同优化基于静电纺丝技术的物理传感器的材料选择和结构设计来提高传感性能是当前主要的研究方向。静电纺纳米纤维兼具纳米材料和纤维材料的优点，特别是通过细化纤维直径以及设计特殊结构，可以进一步提升物理传感器的性能，但在使用它制造物理传感器方面也存在一些挑战。首先，基于静电纺技术获得的碳纳米纤维或金属氧化物纳米纤维的机械柔性普遍较差，从而对用其制备的物理传感器的传感性能和循环使用性能产生影响。其次，制备物理传感器常采用的导电材料如银纳米线、石墨烯、MXene等材料的制备工艺普遍较为复杂，且成本较高。最后，基于静电纺纳米纤维的物理传感器由于加工工艺以及外界环境等影响，在长期使用过程中稳定性较差，维护成本较高。因此，基于静电纺丝技术制备稳定耐用的物理传感器仍然存在诸多困难，亟待研究人员进一步深入探讨，以求其更广泛的应用。相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，西安工程大学大学研究生曹涵琳为文章第一作者，刘呈坤教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00144