《Applied Surface Science》：Interfacial engineering of biomimetic Euler spiral fiber toward high-performance flexible strain sensors
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基于CNT/石墨烯混合导电网络的螺旋涂层光纤应变传感器研究，采用核心-壳结构设计，实现0-200%工作应变范围（极限300%），响应时间200ms内，循环稳定超万次，通过界面工程设计可编程两阶段失效行为，适用于可穿戴电子和软传感系统。
张家成|王华兵|王先林|叶友邦|徐斌|张殿堂|金阳
教育部特种防护纺织品重点实验室，江南大学纺织科学与工程学院，中国无锡214122
摘要
具有高延展性和稳定电性能的纤维状应变传感器对于可穿戴和柔性电子应用来说非常理想。在这项工作中，我们开发了一种基于碳纳米管（CNT）/石墨烯混合导电网络的螺旋涂层纤维应变传感器，采用了核壳结构设计。得益于这种协同导电网络和界面工程，该传感器的工作应变范围为0-200%（极限应变可达300%），灵敏度约为9.0，响应时间约为200毫秒，恢复时间约为190毫秒，并且在10,000次拉伸循环后仍能保持稳定的传感性能。此外，通过界面设计实现了可编程的两阶段失效行为，使得传感器能够顺序出现电性能和机械性能的失效，而不是突然断裂。这些特性使得所提出的纤维传感器在可穿戴电子设备和柔性传感系统中具有广泛应用前景。
引言
可穿戴电子设备的快速发展得益于通信技术、物联网（IoT）和人工智能的进步，这推动了对具有柔韧性、延展性和透气性的纺织基设备的需求[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。其中，基于纤维的导电材料因其与传统纺织材料的兼容性以及易于集成到功能系统中而特别有前景[11]、[12]。特别是，一维（1D）纤维传感器相比二维（2D）薄膜传感器具有明显的优势，包括更好的柔韧性、更薄的厚度、更轻的重量、优异的透气性以及能够无缝编织到织物中，使其成为下一代智能可穿戴设备的理想选择[13]。然而，在变形条件下平衡机械弹性和电性能仍然是一个重大挑战。现有的导电纤维通常在重复应变下稳定性较差，延展性有限，且制造工艺复杂。此外，高导电性和大弹性变形之间存在持续的权衡，这限制了它们在智能可穿戴设备和人机界面等动态环境中的应用。
智能纤维增强复合材料作为一种有前景的材料，因其能够将传感、驱动和结构功能集成到单一材料系统中而受到关注。基于碳的纳米材料，如碳纳米管（CNT）和石墨烯[14]，已被广泛用于改善这些复合材料的电性能和机械性能[15]。它们的优异导电性、机械强度和柔韧性使其成为在聚合物基体中构建导电网络的理想选择。先前的研究已经证明了通过浸涂[16]、电泳沉积[17]和基体改性[18]等方法将CNT和石墨烯掺入复合材料中的有效性。在ESF（螺旋涂层纤维应变传感器）中，电荷传输不仅通过直接物理接触实现，还通过量子隧穿实现。即使在CNT或石墨烯片层之间没有直接物理接触的情况下，只要填料间距足够小，电子仍能以一定的概率穿过绝缘聚合物屏障。这种量子力学现象被称为“隧穿效应”，为电子传输提供了额外的路径，尤其是在尚未完全形成完美连续导电网络的渗透阈值附近[19]。它可以被视为主要导电路径的有效补充（见图S1）。这些方法使得多功能复合材料具备了结构健康监测、除冰和能量存储等功能。
受到自然螺旋结构的启发——从分子DNA超螺旋[20]到宏观植物卷须[21]和肌肉水静力器[22]——这些结构作为驱动和传感的基本构建块，为开发合成执行器和传感器带来了重大进展。然而，仍存在两个主要障碍。首先，将这种特定的仿生螺旋结构集成到基于纤维的传感器中尚未得到充分探索。其次，更重要的是，在循环载荷下实现高延展性和稳定信号输出之间的平衡在可穿戴传感器中极具挑战性[23]、[24]。为了克服这些限制，我们从这些自然螺旋结构和界面耦合原理中获得灵感，设计了一种具有仿生欧拉螺旋涂层的同轴湿法纺丝三层纤维[25]。该结构包括一个导电的CNT/石墨烯-TPU核心[26]、一个同轴的TPU/电解质离子壳层，以及一个外层螺旋导电路径，该路径能够对应变能量进行对数分布，并实现界面电阻的应变敏感调制[27]。
人类皮肤是最大的感觉器官，它通过局部的离子和电调制来感知机械刺激——这一原理启发了我们基于纤维的应变传感器的结构设计（见图1a）。受自然界优化结构的启发，该设计采用了源自藤本的螺旋拓扑结构，这种结构可以対应力进行对数分布，从而防止断裂（类似于攀缘藤本植物通过螺旋生长来承受扭转[28]，以及受丝瓜海绵启发的分层孔隙结构，这种结构可以将应变局部化在孔隙边缘，从而提高灵敏度[29]、[30]、[31]、[32]（模仿了丝瓜海绵的多尺度吸能细胞）（见图1b）。将这些生物蓝图转化为合成形式，可以实现卓越的性能：类似藤本的螺旋结构通过将轴向张力转化为良性剪切力来提供延展性，而模仿丝瓜海绵的孔隙结构通过几何应力集中放大ESF（螺旋涂层纤维应变传感器）的响应，并增强界面机电耦合[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。这种双重仿生设计实现了与皮肤兼容的传感效果，并具有与神经系统相当的响应延迟，为无缝的人机集成开辟了新的范式。为了更定量地理解这一过程，我们使用了COMSOL Multiphysics软件和静电模块来模拟各种组分的电场分布（见图1c）。
本研究将几何拓扑工程与多材料加工相结合，克服了经典的延展性与导电性之间的权衡问题，为可穿戴技术和人机交互系统中的抗疲劳柔性传感器提供了一种通用策略[38]。
材料
材料：热塑性聚氨酯（TPU）购自广源塑化公司；1-乙基-3-甲基咪唑ium双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺（EMITFSI）购自上海成洁化工公司；N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）购自安格化工公司；多壁碳纳米管（CNTs）购自仙峰纳米公司；石墨烯购自成都佳彩科技有限公司；N-甲基吡咯烷酮（NMP）购自...
结果与讨论
根据图S3所示的实验设置，我们使用三种不同的核心层注射速率（0.2、0.4和0.6毫米/分钟）系统地制备了核壳纤维，同时保持壳层注射速率恒定为0.8毫米/分钟。形态分析清楚地显示了不同注射条件下核心尺寸的变化，这促使我们对注射速率与所得壳层与核心直径比之间的关系进行了定量研究。
结论
总之，成功制备了一种基于CNT/石墨烯混合导电网络的螺旋涂层纤维应变传感器。该传感器表现出高延展性、增强的灵敏度以及在循环变形下的稳定机电性能。通过控制螺旋导电涂层和电解质壳层之间的界面设计，实现了可编程的两阶段失效行为，在涂层失效之前传感器不会发生灾难性断裂。
CRediT作者贡献声明
张家成：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、概念化。王华兵：监督、软件。王先林：可视化、软件。叶友邦：软件、方法论。徐斌：可视化、监督。张殿堂：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。金阳：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中央高校基本科研业务费（JUSRP202504014、JUSRP122001、JUSRP622036）、国家自然科学基金（52103140、12072131）、研究支持项目（JPPT-2022-0181）和中国博士后科学基金（2025M770662）以及国家科技重大专项（2025ZD0612801）的支持。
