基于界面点击化学反应构建超耐久性柔性应变传感器

研究背景

作为可穿戴电子设备的重要组成部分，柔性应变传感器已在电子皮肤、医疗监测和人机交互等领域展现出极大的应用前景。然而导电层与弹性基底之间弱的界面结合会导致应变传感器的耐久性差，难以满足实际使用的需要。因此，如何通过合理的材料和界面设计使得传感器在长期使用中保持稳定（耐久性，Durability）是柔性应变领域需要解决的关键性问题。目前，柔性应变传感器的耐久性主要通过导电层的材料设计来实现，例如通过导电层的增强增韧、自修复等性质来提高应变传感器的耐久性。

文章简读

近日，国科温州研究院陈强研究员与南京工业大学孙庚志教授合作在Advanced Functional Materials期刊上发表题为“Interfacial Click Chemistry Enabled Strong Adhesion Toward Ultra-Durable Crack-Based Flexible Strain Sensors”的研究论文。作者提出了一种基于界面“点击化学”反应构建导电层与基底间强界面黏附的通用策略，并研究了这种强界面黏附对于柔性应变传感器耐久性的影响。文中提出了耐久性的定量参数（number of stable cycles, Cn），发现了界面黏附强度（τ）与耐久性参数（Cn）之间的线性关系，并基于此关系推导出二者之间的转换因子"durability-adhesion coefficient (CDA)”。该发现为优化柔性应变传感器的界面设计、进一步提升器件的耐久性提供了新的思路。国科温州研究院史鑫磊助理研究员是论文的第一作者。

图1 基于界面“点击化学”反应，构建超耐久性裂纹式柔性应变传感器的新策略

图文简介

图2 基于“点击化学”构建导电层与基底间强界面黏附推动传感器具有高耐久性

如图2所示，柔性应变传感器通过刮涂的方式直接构建，其中导电胶体油墨和基底表面分别处理带有反应性基团，在印刷过程中发生的“点击化学”反应为界面提供强界面黏附。这是一种通用性的策略，文章中分别采用了不同的导电纳米材料，多功能交联剂，基底和表面处理材料，发现只要导电层与基底修饰的反应性基团之间存在“配对”，就可以通过“点击化学”增强界面黏附强度，从而提高耐久性。

图3 界面黏附强度与耐久性之间的线性关系

基于“点击化学”制备的柔性应变传感器具有可控的界面黏附强度，作者仔细的研究了界面黏附强度与耐久性之间的关系。首先，作者提出了用于表征耐久性的参数：稳定循环次数Cn，该参数表示传感器在固定应变下能够稳定输出电阻信号的次数。

通过调控界面交联密度得到了除界面黏附强度外其他因素皆相同的传感器，并探索了黏附强度与稳定循环次数之间的关系。如图3所示，随着界面黏附强度的增加，稳定循环次数随之线性增加，并且该线性关系的斜率与应变大小，界面类型等因素都有关，作者推导出二者之间的转换因子"durability-adhesion coefficient (CDA)”。

图4 界面黏附影响耐久性的机理解析

为解释界面黏附强度影响传感器耐久性的工作机理，作者针对具有不同界面黏附的传感器的导电层进行了扫描电镜表征和分析。图4表明，随着界面黏附强度的提升，导电层在固定应变下产生的裂痕大小（长度和宽度）减小，但是数目明显增多。这种现象是传感器在保持较高拉伸性的前提下大幅提升拉伸性的原因。在1000次的循环测试之后，具有较弱界面黏附的传感器产生了明显的导电层剥落，而强界面黏附展示了稳定的导电层与裂痕维持能力，这是传感器耐久性提升的根本原因。

总结

柔性应变传感器的耐久性是关系器件稳定使用及性能维持等诸多问题的关键，本文作者发现了导电层和基底之间的界面黏附强度可以影响导电层在使用中的稳定性，进而影响器件的耐久性。并以此为基础，设计了一种基于“点击化学”反应提升柔性应变传感器界面黏附的通用策略，提出耐久性的新参数并研究了界面黏附强度与耐久性参数之间的线性关系，为解决柔性应变传感器的低耐久性问题提供了新的思路。

审核编辑：刘清