MXene因其優(yōu)異的力學(xué)性能、金屬導(dǎo)電性等物理化學(xué)性能而受到廣泛關(guān)注。然而，其優(yōu)異的機械性能通常表現(xiàn)在納米級單層MXene片材中。由于MXene在成型過程中各層之間的范德華相互作用較差，MXene薄膜在宏觀尺度上往往表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能，如脆性，甚至斷裂。因此，當(dāng)具有優(yōu)異電子性能的MXenes用于器件時，其抵抗外界損傷的能力往往較差，使得器件性能容易退化甚至失效。這里使用一維芳綸納米纖維通過層間氫鍵作用構(gòu)建了具有高機械強度的MXene納米片。MXene膜片用于自修復(fù)柔性壓力傳感器，具有高靈敏度（208.7 kPa
−1）、快速響應(yīng)時間（10 ms）和恢復(fù)時間（33 ms）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（45000次循環(huán)）和優(yōu)異的自修復(fù)性能。使用了高強度MXene片材的壓力傳感器顯示出優(yōu)異的拉伸強度（65.5 MPa）和韌性（210.9 MJ/m
3），分別為純MXene的約712%和約3347%。基于MXene/ANF的壓力傳感器由于具有自愈性的外殼和堅固的MXene敏感層的共同作用，實現(xiàn)了對復(fù)雜外部損傷的良好抵抗，滿足了未來智能穿戴電子設(shè)備的發(fā)展需求。
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Figure 1. 介紹了高強度MXene膜片的制作工藝及壓力傳感器的組裝。(A)高強度MXene/ANF復(fù)合膜的合成(B)MXene片層和插入ANFs的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及氫鍵形成的原子示意圖。(C)MXene、MXene/ANF和ANF的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。(D)MXene/ANF薄膜的橫截面SEM圖像。(E)具有自愈性能的高強度柔性壓力傳感器的裝配過程示意圖。
Figure 2. MAX相、MXene納米片和MXene/ANF薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)及成分表征。(A) MAX 相微團簇的 SEM 圖像。 (B) MXene 納米片的 SEM 圖像和相應(yīng)的片尺寸分布。 (C) MXene 納米片的 TEM 圖像。插圖是相應(yīng)的 SAED 圖案。 (D) MXene 納米片的 AFM 圖像。插圖輪廓表示 ~1.49 nm 的板材厚度。 (E) MXene/ANF 復(fù)合薄膜的橫截面 SEM 圖像和相應(yīng)的 C、Ti、O 和 F 元素的 EDS 元素圖。 (F) 具有不同質(zhì)量比的 ANF 的 MXene 薄膜的 XRD 圖，以及相應(yīng)的 MXene 層間距。 (G) ANF 的 TEM 圖像。 (H) 靜電紡絲制成的 PEI 絕緣層。 (I) MXene 紙基叉指電極 (J) MXene 和 MXene/ANF 薄膜的 XPS 光譜。
Figure 3. 增強的 MXene 片材的機械性能和自愈壓力傳感器的機制。 (A) 應(yīng)力-應(yīng)變、(B) 拉伸強度和 (C) 韌性 (D) 具有不同質(zhì)量比的 ANF 的 MXene 片材的楊氏模量。 (E) 經(jīng)過多次折疊處理的純 MXene 和 MXene/ANF 復(fù)合片材的照片，用于比較。 (F) 通過 FIB/SEM 原位觀察到的 MXene 片材在壓合和釋放過程中的層間結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)施加壓力時，層間結(jié)構(gòu)收縮，而當(dāng)壓力釋放時，層間結(jié)構(gòu)恢復(fù)。 (G) 解釋壓力傳感過程機制的等效電路示意圖。 (H) PU 的自愈機制，以及顯示 PU 自愈過程的照片。
Figure 4. 高強度 MXene 傳感器的傳感性能。 (A) 高精度電信號測試系統(tǒng)示意圖。 (B) I - V 傳感器的曲線，包括 30% 的 ANF。在不同壓力下電壓對電流的線性依賴性驗證了 MXene 和叉指電極之間的歐姆接觸。 (C) 具有 ANF 系列質(zhì)量比（從 0% 到 50%）的壓阻傳感器的靈敏度。對應(yīng)于 30% ANF 的那個在兩個壓力分布區(qū)域內(nèi)分別表現(xiàn)出 208.7 kPa
-1 和 36.6 kPa
-1 的超高靈敏度。 (D) 在低于 30 kPa 的連續(xù)壓力下，具有 30% ANF 的傳感器的 I - T 曲線。 (E) 傳感器在 12.52 kPa 下的不同速度下表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能均勻性。 (F) 傳感器在 1.81 kPa 下的響應(yīng)和恢復(fù)時間。 (G) I - T 和 P - T 曲線在 10.51 kPa 下的周期性加載和卸載條件下的響應(yīng)。 (H) 器件在 21.56 kPa 壓力下經(jīng)過 45,000 次壓力循環(huán)后具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。右軸表示保留百分比。 (I) 張力測試系統(tǒng)示意圖。 (J) 在 10° 到 60° 的連續(xù)彎曲角度下，使用 30% ANF 的傳感器的 I − T 曲線。 (K) 顯示設(shè)備自我修復(fù)過程的照片。 (L) 設(shè)備在 1.84 kPa 下經(jīng)過多次自愈過程循環(huán)后的靈敏度。
Figure 5. .高強度MXene壓力傳感器在實時監(jiān)測人體活動和檢測微小物理信號方面的應(yīng)用（第一組）。電流變化形式的信號響應(yīng)來自（A）手指彎曲，（B）手腕彎曲，（C）肘部擺動，（D）膝蓋彎曲，（E）腳踝彎曲，（F）手腕脈搏（放大圖是脈沖振動波形的放大圖），（G）水滴（9.8Pa），（H）氣球放氣，（I）防水性能。
Figure 6. 高強度 MXene 壓力傳感器的應(yīng)用（第 II 組）。 (A) 壓力信號通過傳感器控制 LED 的亮度。 (B) 電路中壓力信號的遠程監(jiān)控。 (C) 壓力陣列識別。 (D) 檢測機器人的運動。 (E) 傳感器經(jīng)過自愈處理后仍然可以控制LED的亮度。
相關(guān)研究工作由華中科技大學(xué)Luying Li課題組和安徽大學(xué)Yang Yue 課題組于2022年聯(lián)合發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》期刊上，原文：High-Strength MXene Sheets through Interlayer Hydrogen Bonding for Self-Healing Flexible Pressure Sensor。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
