Z柔性复合材料的压力传感器在ȝ健康监测QY体机器h和可I戴讑֤中具有广泛的用途。然而目前报道的柔性压力传感器往往h较低的压力灵敏度或较H的压力感应范围。近q来一些柔性压力传感器通过设计Ҏ(gu)的表面宏观结构，例如微球状突P来提高灵敏度。然而，q些传感器的压力灉|度在高压下急剧下降。这也是大多数借助表面l构提高灉|度的压力传感器的主要~陷?/span>
澛_利亚伍u贡大学李卫华教授Nl，英国伯明大学唐诗杨博士Nl，国北卡|莱U_立大学Michael D. Dickey教授以及中国U学技术大学张世武教授Nl?/span>创新性地复合材料的微观填料|络与宏观几何结构设计相l合Q通过较ؓ(f)单的加工E序成功开发出一U基于Ecoflex的液态金属磁变Ҏ(gu)体Q?/span>E-LMMREQ高灉|度压力传感材料?/span>Zq种复合材料的压力传感器在低压力(~2 PaQ?/span>4.31 kPa-1)和高压力(>3 kPaQ?/span>2.28 kPa-1)下都h极高的灵敏度Q?/span>传感性能显著越L柔性传感器?/span>本工作以?/span>Liquid Metal Hybrid Composites with High-Sensitivity and Large Dynamic Range Enabled by Micro- and Macrostructure Engineering”ؓ(f)标题Q发表在ACS Applied Polymer MaterialsQDOIQ?/span>10.1021/acsapm.1c01111Q?/span>
图一 E-LMMRE的空间结构及?sh)镜和元素分布?/span>
E-LMMRE是一U以Ecoflex橡胶ؓ(f)Q填充尖刺Ş镍微c颗_和液态金属微液滴混合填料的导?sh)弹性体。此处用的液态金属ؓ(f)镓铟合金QEGaInQ?5% Ga, 25% InQ。相比于球Ş颗粒Q不规则镍颗_表面的刺Hv使其更容易在复合材料变Ş时与周围的导?sh)填料相接触。镍颗粒-液态金属液滴Ş成的?/span>-液合填料网l材料的电(sh)导率h极高的应变灵敏度?/span>Ecoflex的低Ҏ(gu)模量进一步增ZE-LMMRE的压力灵敏度?br />
图二 分别?/span>Ecoflex和PDMS为基质的LMMRE的电(sh)导率-应力曲线Ҏ(gu)
图二昄?/span>E-LMMRE的高压力灉|度。ؓ(f)q行比较Q我们制备了ZPDMS?/span>LMMREQ?/span>P-LMMREQ。当应力?/span>0增加?20 kPaӞE-LMMRE的电(sh)导率急剧增加?/span>过一亿?/span>Q显C出过几乎所有已报道导电(sh)复合材料的高灉|度。相比之下，P-LMMRE的电(sh)导率仅增加了20倍。这主要是由于二者显著的Ҏ(gu)模量差异。在相同配比下，E-LMMRE的弹性模量仅?/span>P-LMMRE的六分之一。此外图二还昄LMMRE即在拉伸时?sh)导率依然急剧增加。这U反常的应力应变响应解决了先前的l大多数复合材料在拉伸应变下?sh)导率显著下降的问题Q拓展了LMMRE的应用范围?br />
图三 h不同表面l构?/span>E-LMMRE膜的?sh)阻和应力应变分布对?/span>
?/span>E-LMMRE的基上，我们通过表面宏观l构设计开发了h更高压力灉|度的E-LMMRE膜，q应用在压感加热装置和柔性压力传感器中。我们在此尝试了两种表面l构Q锯齿Şl构和金字塔形凸L(fng)构。图三CҎ(gu)了^?锯/金字塔Ş膜的?sh)?压力曲线Q可以看出金字塔形膜h最高的?sh)导率与压力灉|度。我们通过模拟单个锯形或金字塔ŞH触在压力下的应力应变分布解释了q一现象。ؓ(f)使复合材料膜产生10%的压~应变，对于q面膜自焉?0%的LMMREҎ(gu)模量。而对于锯齿Ş或金字塔?/span>LMMRE膜，所需压强分别仅ؓ(f)3%?%Ҏ(gu)模量。我们的研究表明LMMRE的电(sh)导率仅与其应变有兟뀂因此，金字塔膜只需q面?/span>1/10的压强即可生相同的?sh)阻变化Q换a之金字塔膜的压力灉|度ؓ(f)q面膜的10倍?/span>
囑֛ Z双层E-LMMRE锯膜的高灵敏度宽检范围压力传感器
ZhҎ(gu)表面l构?/span>E-LMMRE膜，我们开发了h高压力灵敏度和分辨率的柔性压力传感器。传感器的结构如囑֛所C。我们将两个E-LMMRE锯形薄膜面寚w攄Q锯齿结构彼此垂直。在压羃q程中，应力集中在锯齿结构尖端的接触点上以放大传感器的表面压力，D更显著的变Ş和更高的灉|度。根据图四C的传感器?-10 kPa的压Z的相对电(sh)?压强曲线。压力传感器在低压下h高达4.31 kPa-1的灵敏度。一些先前报道的压力传感器也hcM的高灉|度，然而它们的灉|度往往在高压强Q?/span>>3 kPaQ下q速下降至不0.1 kPa-1。与它们相比Q?/span>E-LMMRE传感器在3 kPa时的灉|度仍焉?/span>2.28 kPa-1。此?/span>E-LMMRE传感器还h极高的压强分辨率(2 Pa)和低限(2 Pa)。该传感器不仅可在较宽的压力范围内l持极高的压力灵敏度Q而且刉成本低加工E序单，可以由在3D打印模具中固化的E-LMMRE薄膜Ll装而成。因而具有大规模刉的可行性和更广阔的的应用前景?/span>
中国U学技术大学博士后贠国霖ؓ(f)论文W一作者，英国伯明大学唐诗杨博士Q澳大利亚伍伦A(ch)大学李卫华教授，国北卡|莱U_立大?/span>Michael D. Dickey教授为共同通讯作者?/span>
作者简?/strong>
本文W一作者贠国霖?span style="font-family:;">2017q毕业于中国U学技术大学（USTCQ，L(fng)学学士学位。于2021q在李卫华教授指g毕业于澳大利亚伍伦A(ch)大学Q?span style="font-family:;">UOWQ，获博士学位。目前在中国U学技术大学工E科学学院的仿生机器人实验室d士后研究员，导师为张世武教授。其研究方向主要包括液态金属，可拉伸导?sh)复合材料及其在柔性传感器和可拉?sh)子产品中的应用?/span>
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https://doi.org/10.1021/acsapm.1c01111
