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北航蔡軍研究員課題組《ACS AMI》:基于金/石墨烯多級(jí)裂紋結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的高靈敏度、寬線性量程應(yīng)變傳感器
2022-08-24  來(lái)源:高分子科技

  柔性智能皮膚/蒙皮作為可穿戴設(shè)備、仿生機(jī)器人、智能飛行器的感知部件,在生理信號(hào)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。為實(shí)現(xiàn)柔性智能皮膚/蒙皮的應(yīng)變監(jiān)測(cè),基于納米材料薄膜的可拉伸應(yīng)變傳感器在靈巧性和適應(yīng)性上具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì),受到國(guó)內(nèi)外研究廣泛關(guān)注。盡管近年來(lái)取得了不小發(fā)展,但實(shí)現(xiàn)同時(shí)捕捉小應(yīng)變和大應(yīng)變的寬量程線性監(jiān)測(cè)仍是一大挑戰(zhàn),難以實(shí)現(xiàn)智能傳感-反饋-控制系統(tǒng)所必需的集成化應(yīng)變監(jiān)測(cè)。


總體效果 多功能高性能金/石墨烯多級(jí)裂紋結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器


  近日,北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院蔡軍研究員課題組提出了一種基于金/石墨烯多級(jí)裂紋結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的可拉伸應(yīng)變傳感器,并驗(yàn)證了其卓越的應(yīng)變傳感性能及多功能應(yīng)用潛力。該課題組采用液面自組裝法制備石墨烯膜,通過提拉鍍膜機(jī)將其轉(zhuǎn)移至PDMS柔性基底,并磁控濺射復(fù)合納米金層,最后通過施加預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)趶?fù)合薄膜中引入多級(jí)裂紋結(jié)構(gòu);谏鲜鰪(fù)合薄膜(Au/Graphene Composite FilmAGCF)的可拉伸應(yīng)變傳感器在寬量程范圍(0-20%)內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度(GF~153)、良好的線性(R2~0.9975)、超低過沖(20%時(shí)約1.7%)、快速響應(yīng)(<42.5 ms)及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(1500次)。特別地,基于圖案化設(shè)計(jì)的可控制造工藝可進(jìn)一步提升AGCF應(yīng)變傳感器的靈敏度(GF~320)。在研究中,課題組深入探索了褶皺自組裝石墨烯作為中間層在形成多級(jí)裂紋中的主導(dǎo)作用,并揭示了多級(jí)裂紋分形結(jié)構(gòu)的線性傳感機(jī)理。通過將其應(yīng)用于人體和仿生機(jī)械鳥翼面,對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行了演示驗(yàn)證。受益于可拓展批量化制造工藝、高靈敏度寬量程的線性響應(yīng)特性以及多功能集成監(jiān)測(cè)能力,該應(yīng)變傳感器在構(gòu)建柔性智能皮膚/蒙皮感知系統(tǒng)方面展現(xiàn)出巨大潛力。

1 AGCF應(yīng)變傳感器的制備與表征


2 AGCF應(yīng)變傳感器壓阻傳感性能測(cè)試

3 AGCF多級(jí)裂紋微觀結(jié)構(gòu)的形成及應(yīng)變響應(yīng)特性分析


4 AGCF應(yīng)變傳感器可用于人體體表的多類不同程度應(yīng)變監(jiān)測(cè)


5 AGCF應(yīng)變傳感器陣列可用于仿生機(jī)械鳥翼的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)


  相關(guān)研究成果以High-Performance Strain Sensors Based on Au/Graphene Composite Films with Hierarchical Cracks for Wide Linear-Range Motion Monitoring為題發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文第一作者是北京航空航天大學(xué)博士生程翔,通訊作者是北京航空航天大學(xué)卓越百人博士后龔德。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目、北歌研究院項(xiàng)目等資助支持。


  該工作蔡軍研究員課題組關(guān)于飛機(jī)蒙皮智能感知技術(shù)研究的最新進(jìn)展之一。蔡軍研究員課題組主要從事生物加工成形、仿生微納制造、電磁功能材料、柔性智能傳感及微流控芯片等領(lǐng)域相關(guān)研究,致力于基于微生物模板的生物制造新方法,在輕質(zhì)高強(qiáng)電磁吸波材料、柔性導(dǎo)電屏蔽材料、磁性微納米機(jī)器人等領(lǐng)域做出了系列開創(chuàng)性工作。目前已發(fā)表包括Adv. Funct. Mater.、 SmallAdv. Optical Mater.、 ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊在內(nèi)的SCI論文近80篇,授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10226

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