中山大學在金屬氣凝膠高穩定性柔性壓力傳感器應用方面獲進展

高性能柔性壓阻式壓力傳感器在可穿戴設備、電子皮膚和人機交等領域發揮著重要作用。然而，開發綜合性能優異的柔性壓阻式壓力傳感器仍然面臨著嚴峻挑戰，尤其是在實際應用中，柔性壓阻式壓力傳感器的長期耐用性和可重復性不足嚴重限制了其大規模應用。金屬氣凝膠是近年來發展起來的一類新興的三維金屬多孔材料，其獨特的特性，如大比表面積、高孔隙率和導電網絡骨架結構，賦予了金屬氣凝膠在壓力傳感領域高性能應用的極大可能。盡管如此，由于金屬氣凝膠機械性能比較差，難以承受較大變形和壓力，嚴重限制了其在柔性壓力傳感器領域的實際應用。

圖1. 金屬氣凝膠高穩定性柔性壓力傳感器應用示意圖。

有鑒于此，中山大學劉衛教授課題組發展了一種簡易的“界面鎖定策略”，結合課題組之前研發的“硅油限定法”，將Ag2Au3金屬氣凝膠原位生長在彈性多孔海綿上，進一步用超薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜對金屬氣凝膠進行界面增強，構建了具有優異的綜合性能，尤其是具有優異耐久性的金屬氣凝膠基柔性壓力傳感器（圖1，2a）。借助彈性多孔海綿的支撐和PDMS包覆膜層的界面增強作用，金屬氣凝膠保留了完整的三維多孔導電網絡結構（圖2d-d2），并能承受大的形變。所制備的柔性壓力傳感器表現出12 kPa-1的靈敏度、84 ms/80 ms的響應恢復時間和對振幅和頻率的穩定響應，在經過>23000次循環壓縮中保持很好的穩定性（圖3）。

圖2.（a）柔性壓力傳感器的制備流程示意圖。（b-b3）Ag2Au3AG/MS，（c-c3）Ag2Au3 AG/MS/PDMSop的SEM圖和（d-d2）Ag2Au3 AG/MS/PDMSop破損位置的SEM圖。

圖3. Ag2Au3AG/MS/PDMSop柔性壓力傳感器的傳感性能。（a）柔性壓力傳感器靈敏度曲線。（b）壓力傳感器在快速加載/卸載下的響應和恢復時間。（c）-?R/R0在不同壓縮位移下的響應。（d）-?R/R0在不同壓縮頻率下的響應。（e）-?R/R0在10%應變下的穩定性超過23000次循環。

為了測試所制備的柔性壓力傳感器的實際應用性能，將其應用于人體監測，如手指運動狀態和脈搏監測，并且可以制作成二維陣列和三維力器件，在這些應用方面表現出良好的性能（圖4），證明了其在可穿戴設備、電子皮膚和人機交互等領域的應用前景。

圖4柔性壓力傳感器在（a）手指彎曲監測，（b）脈搏監測，（c）4×4陣列器件和（d）位置識別圖以及三維力器件（e，f）中的應用。三維力器件(e)的示意圖和四個傳感單元的電阻與力的角度的函數曲線（f）。

本研究所發展的“界面鎖定策略”進一步突破了金屬氣凝膠固有的較差機械性能的瓶頸，將金屬氣凝膠的高性能應用領域從電化學能源轉換擴大至可穿戴設備、電子皮膚和人機交互等傳感領域。這項工作也為開發具有高靈敏度和長期耐用性的壓阻式傳感器開辟了一條新途徑。相關研究成果以“Interfacially Locked Metal Aerogel Inside Porous Polymer Composite for Sensitive and Durable Flexible Piezoresistive Sensors”為題發表在國際期刊Advanced Science上。該研究成果為中山大學與深圳大學合作共同獲得。中山大學材料科學與工程學院為文章的第一單位，文章的共同第一作者（排名第一）為碩士研究生李健，劉衛教授、中山大學化學學院教授鄭治坤和深圳大學物理與光電學院彭爭春教授為該論文的通訊作者。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、粵港科技創新聯合基金、深圳市基礎研究重點項目、中山大學“百人計劃”啟動經費等的大力支持。

論文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201912

文章來源 | 中山大學