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北航蔡軍研究員課題組《ACS AMI》:基于金/石墨烯多級裂紋結(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,在生理信號及運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測中發(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,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,受到國內(nèi)外研究廣泛關(guān)注。盡管近年來取得了不小發(fā)展,但實(shí)現(xiàn)同時捕捉小應(yīng)變和大應(yīng)變的寬量程線性監(jiān)測仍是一大挑戰(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。


總體效果 多功能高性能金/石墨烯多級裂紋結(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)變在復(fù)合薄膜中引入多級裂紋結(jié)構(gòu)。基于上述復(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裂紋中的主導(dǎo)作用,并揭示了多級裂紋分形結(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,對其在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)變監(jiān)測效果進(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試

3 AGCF多級裂紋微觀結(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


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


  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。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國博士后科學(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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