【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫材料壓阻傳感器憑借質(zhì)輕、良好的可壓縮性和高響應(yīng)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、健康監(jiān)測、人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，除了追求簡單和環(huán)境友好的制備方法，研究人員也在致力于提高泡沫傳感器的傳感范圍和靈敏度。超臨界二氧化碳(scCO2)發(fā)泡是一種新的制備多孔壓阻材料的方法，具有制備簡單、環(huán)境友好等特點(diǎn)。但由于過高的熔體強(qiáng)度，利用scCO2發(fā)泡法制備的導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫壓阻傳感器，其壓縮應(yīng)變傳感范圍較低(< 60%應(yīng)變)。為了適用于更多的應(yīng)用場景，研究人員在努力不斷發(fā)展可拉伸的導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫傳感器，拓寬傳感器的拉伸應(yīng)變傳感范圍。但是，導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫材料的導(dǎo)電性和拉伸性之間存在難以調(diào)和的矛盾，難以實(shí)現(xiàn)具有超寬應(yīng)變范圍的壓阻泡沫傳感器。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所汪龍研究員等長期致力于熱塑性彈性體泡沫功能化的相關(guān)科研工作(Chem. Eng. J., 2023, 455, 140860；Compos. Commun. 2023, 40, 101628; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 57613-57625；Composites, Part B, 2024, 277, 111412；ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6:12071-12080; Mater. Today Phys. 2025, 55, 101741)。
為了實(shí)現(xiàn)具有超寬壓縮應(yīng)變傳感范圍的壓阻泡沫傳感器，團(tuán)隊(duì)采用scCO2發(fā)泡技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一種宏觀隔離結(jié)構(gòu)聚烯烴彈性體(POE)/碳納米結(jié)構(gòu)(CNS)復(fù)合泡沫材料，該材料有效解決了高發(fā)泡倍率與壓阻效應(yīng)間的矛盾，發(fā)泡倍率高(約9倍)、導(dǎo)電性和防水性良好(水接觸角為140.8°)。如圖1所示，制備的壓阻泡沫傳感器展現(xiàn)了超寬的應(yīng)變范圍(從0.5%到90%壓縮應(yīng)變/0.5到3800 kPa)(Composites, Part B，2024，277，111412)，可以作為一種功能鞋底材料，監(jiān)測不同的人體運(yùn)動(dòng)。
具有寬拉伸應(yīng)變范圍的多孔導(dǎo)電材料是理想的柔性電子材料，然而，由于拉伸過程中的導(dǎo)電或機(jī)械失效，多孔導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料難以實(shí)現(xiàn)超寬應(yīng)變傳感范圍。研究人員通過調(diào)節(jié)界面導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并制備了一種由單層CNS@POE粒子(平均直徑約350 µm)組裝的隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫材料。該材料具有高拉伸性(952.5%應(yīng)變)、良好的彈性(13.8%殘余應(yīng)變)和導(dǎo)電性(約50 kΩ)。而且，在熱成型過程中，POE分子鏈向?qū)щ妼訑U(kuò)散，改善了導(dǎo)電層的柔性，在拉伸過程中，阻礙了導(dǎo)電層裂紋的快速擴(kuò)展，擴(kuò)大了泡沫傳感器的應(yīng)變響應(yīng)范圍。如圖2所示，單層隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫傳感器實(shí)現(xiàn)了超寬的應(yīng)變響應(yīng)范圍(從0.5%到762%拉伸應(yīng)變)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫傳感器(0至153.5%應(yīng)變)；制備的傳感器可以應(yīng)用于全范圍的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、健康監(jiān)測和工程裝備(Mater. Today Phys. 2025, 55, 101741)。
綜上所述，團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合scCO2發(fā)泡技術(shù)，制備出一系列高性能泡沫壓阻傳感器，在可穿戴傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
以上工作得到國家自然科學(xué)基金(52003280)和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)(2021Z052)等的支持。
圖1 宏觀隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫材料傳感器的制備及應(yīng)用
圖2 單層隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫傳感器的制備、壓阻性能和應(yīng)用
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