Ti3C2多维杂化导电网络及其应变感应机理研究

Flexible strain sensor is the core device of wearable electronics, and would have broad applications in national key construction areas including health care, artificial intelligence（AI）, advanced combat and so on. Based on current research, it is still a challenge to integrate high sensitivity and wide sensing range into one single strain sensor, due to the influence of the structure of sensing element and sensing network. In this proposal, we plan to address this issue by constructing multi-dimensional hybrid conductive networks based on Ti3C2 with different dimensions. We will develop novel and facial methods to fabricate Ti3C2 with tunable structure and size, as well as methods to construct multi-dimensional hybrid conductive networks. Based on exploring the influence of the structure, size, surface element and stacking ways of Ti3C2 on the strain sensitive behavior, we will develop the microstructure-stimulate-response model and illuminate the electron transport and strain sensitive mechanism. Through these efforts, we hope to develop and provide a scientific basis for discovering novel strain sensitive materials and for designing high performance strain sensitive networks.

柔性应变传感器是可穿戴电子设备的核心器件，在健康医疗、人工智能、先进作战等国家重点部署领域具有广阔的应用前景。研究表明，柔性应变传感器的响应灵敏度和响应范围受敏感基元与敏感网络的结构特征影响而相互制约、难以兼顾。本项目拟采用不同维度的Ti3C2柔性导电材料作为新型敏感基元，采用“多维杂化-协同优化”的敏感网络结构设计新思路解决这一难题。具体地，将发展不同维度Ti3C2柔性导电材料的制备方法，其结构与尺寸的精准调控方法，以及多维杂化导电网络构筑方法；探索Ti3C2导电基元的结构、尺寸与表面基团对应变感应行为的影响规律，以及杂化网络的堆垛结构对应变感应行为的影响规律，构建多维杂化导电网络的微观结构-刺激-响应关系模型，揭示其电子传输机制及其在应力场作用下的协同响应机理。本项目的开展将为新型敏感材料的甄选以及高性能敏感网络的结构设计提供一定的理论基础。

柔性应变传感器是可穿戴电子设备的核心器件，在健康医疗、人工智能、先进作战等国家重点部署领域具有广阔的应用前景。研究表明，柔性应变传感器的响应灵敏度和响应范围受敏感基元与敏感网络的结构特征影响而相互制约、难以兼顾。本项目采用Ti3C2柔性导电材料作为新型敏感基元，采用“多维杂化-协同优化”的敏感网络结构设计新思路解决这一难题。研究了Ti3C2 MXene 材料的结构与性质调控方法，以Ti3C2 MXene为结构单元构建了系列多维杂化导电网络，系统研究了 MXene 形貌、尺寸和表面官能团对杂化网络电子传输特性以及应变响应行为的影响规律。对导电网络在不同应变下的微结构变化进行了深入分析。通过将材料性能与微结构、受力分布进行关联揭示了多维杂化导电网络的协同响应机制。基于多维杂化导电网络研制了系列柔性应变传感器，对其应变感应性能进行了系统评测。最后探索了柔性应变传感器在人体生理指标监测、手势识别、动作捕捉等方面的应用。取得的创新成果包括：.（1）通过刻蚀剂与剥离工艺优化，实现了Ti3C2 MXene形貌、尺寸和表面官能团的调控；通过低温热处理工艺实现了MXene材料稳定性和导电性的提高。.（2）揭示了溶剂对MXene构相的影响规律，实现了MXene材料从平铺薄片到褶皱、折叠、卷曲的构相调控；构筑了具有不同微结构的MXene导电网络，展现出独特的负电阻-应变响应现象和应变调制行为，提出了新颖的挤压机制。.（3）构建了MXene纳米颗粒-纳米片杂化导电网络，揭示了滑移-裂纹协同响应机制，研制了兼具高灵敏度和宽感应范围的柔性应变传感器。.（4）构建了MXene-石墨烯复合导电网络，实现了成分和结构的梯度构筑，在保证高灵敏度和宽感应范围的同时，显著改善了器件的线性和响应重复性。.发表标注本项目资助的论文15篇，授权中国发明专利5项，负责人获得国家自然科学基金优秀青年基金支持，培养博士研究生4人，硕士研究生3人。