中山大学在金属气凝胶高稳定性柔性压力传感器应用方面获进展

高性能柔性压阻式压力传感器在可穿戴设备、电子皮肤和人机交等领域发挥着重要作用。然而，开发综合性能优异的柔性压阻式压力传感器仍然面临着严峻挑战，尤其是在实际应用中，柔性压阻式压力传感器的长期耐用性和可重复性不足严重限制了其大规模应用。金属气凝胶是近年来发展起来的一类新兴的三维金属多孔材料，其独特的特性，如大比表面积、高孔隙率和导电网络骨架结构，赋予了金属气凝胶在压力传感领域高性能应用的极大可能。尽管如此，由于金属气凝胶机械性能比较差，难以承受较大变形和压力，严重限制了其在柔性压力传感器领域的实际应用。

图1. 金属气凝胶高稳定性柔性压力传感器应用示意图。

有鉴于此，中山大学刘卫教授课题组发展了一种简易的“界面锁定策略”，结合课题组之前研发的“硅油限定法”，将Ag2Au3金属气凝胶原位生长在弹性多孔海绵上，进一步用超薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜对金属气凝胶进行界面增强，构建了具有优异的综合性能，尤其是具有优异耐久性的金属气凝胶基柔性压力传感器（图1，2a）。借助弹性多孔海绵的支撑和PDMS包覆膜层的界面增强作用，金属气凝胶保留了完整的三维多孔导电网络结构（图2d-d2），并能承受大的形变。所制备的柔性压力传感器表现出12 kPa-1的灵敏度、84 ms/80 ms的响应恢复时间和对振幅和频率的稳定响应，在经过>23000次循环压缩中保持很好的稳定性（图3）。

图2.（a）柔性压力传感器的制备流程示意图。（b-b3）Ag2Au3AG/MS，（c-c3）Ag2Au3 AG/MS/PDMSop的SEM图和（d-d2）Ag2Au3 AG/MS/PDMSop破损位置的SEM图。

图3. Ag2Au3AG/MS/PDMSop柔性压力传感器的传感性能。（a）柔性压力传感器灵敏度曲线。（b）压力传感器在快速加载/卸载下的响应和恢复时间。（c）-∆R/R0在不同压缩位移下的响应。（d）-∆R/R0在不同压缩频率下的响应。（e）-∆R/R0在10%应变下的稳定性超过23000次循环。

为了测试所制备的柔性压力传感器的实际应用性能，将其应用于人体监测，如手指运动状态和脉搏监测，并且可以制作成二维阵列和三维力器件，在这些应用方面表现出良好的性能（图4），证明了其在可穿戴设备、电子皮肤和人机交互等领域的应用前景。

图4柔性压力传感器在（a）手指弯曲监测，（b）脉搏监测，（c）4×4阵列器件和（d）位置识别图以及三维力器件（e，f）中的应用。三维力器件(e)的示意图和四个传感单元的电阻与力的角度的函数曲线（f）。

本研究所发展的“界面锁定策略”进一步突破了金属气凝胶固有的较差机械性能的瓶颈，将金属气凝胶的高性能应用领域从电化学能源转换扩大至可穿戴设备、电子皮肤和人机交互等传感领域。这项工作也为开发具有高灵敏度和长期耐用性的压阻式传感器开辟了一条新途径。相关研究成果以“Interfacially Locked Metal Aerogel Inside Porous Polymer Composite for Sensitive and Durable Flexible Piezoresistive Sensors”为题发表在国际期刊Advanced Science上。该研究成果为中山大学与深圳大学合作共同获得。中山大学材料科学与工程学院为文章的第一单位，文章的共同第一作者（排名第一）为硕士研究生李健，刘卫教授、中山大学化学学院教授郑治坤和深圳大学物理与光电学院彭争春教授为该论文的通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、粤港科技创新联合基金、深圳市基础研究重点项目、中山大学“百人计划”启动经费等的大力支持。

论文链接

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

文章来源 | 中山大学