近年來(lái)，由柔性聚合物基質(zhì)和多功能填料組成的彈性複合材料在電子皮膚、個(gè)性化醫(yī)療系統(tǒng)和軟機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中，電阻隨載荷變化的導(dǎo)電複合材料因其在壓力傳感應(yīng)用中的潛力而備受關(guān)注。最近一些研究通過多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低複合材料的彈性模量，從而增加其在壓力下的變形，進(jìn)而提高壓力靈敏度。然而，即便最先進(jìn)的多孔複合材料也無(wú)法兼顧穩(wěn)定的高壓力靈敏度和寬檢測(cè)範(fàn)圍。

為解決這一難題，劍橋大學(xué)工程系Tawfique Hasan與貟國(guó)霖帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種兼具卓越壓力靈敏度和極寬動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的液態(tài)金屬多孔複合材料。這種材料基於圖1所示的尖刺鎳微粒和共晶鎵銦液態(tài)金屬微液滴組成的固-液混合顆粒網(wǎng)路，以及互聯(lián)的微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了壓力下顯著的電導(dǎo)率提升。

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圖1. 液態(tài)金屬多孔複合材料的製備過程

通過優(yōu)化材料組分和製備方法，該複合材料在寬壓力範(fàn)圍內(nèi)表現(xiàn)出了顯著提高的靈敏度。如圖2所示，與先前的無(wú)孔複合材料相比，這種優(yōu)化的多孔複合材料在1 MPa壓力下表現(xiàn)出了七個(gè)數(shù)量級(jí)的電導(dǎo)率增長(zhǎng)，並在高達(dá)8.9 MPa的大壓力範(fàn)圍內(nèi)保持了高度線性的回應(yīng)，線性度R2高達(dá)0.9992。除了高靈敏度、寬檢測(cè)範(fàn)圍和高度線性的壓力回應(yīng)，複合材料還在迴圈穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，傳感性能遠(yuǎn)優(yōu)於最先進(jìn)的商用產(chǎn)品和已發(fā)表工作。

圖2. 多孔複合材料的電導(dǎo)率-壓力曲線與週期測(cè)試結(jié)果

圖3的有限元數(shù)值類比結(jié)果顯示了相同壓力下多孔複合材料顯著的微觀結(jié)構(gòu)變形與導(dǎo)電網(wǎng)路增強(qiáng)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)資料相互印證，揭示了多孔材料卓越靈敏度的成因。

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圖3. 多孔複合材料的壓力感應(yīng)原理與模擬

為直觀展示該複合材料的傳感性能，研究人員基於其開發(fā)了壓力感測(cè)器陣列。該感測(cè)器陣列具有自校準(zhǔn)功能，在長(zhǎng)時(shí)間迴圈載荷後仍保持穩(wěn)定的傳感性能，優(yōu)於現(xiàn)有商用壓力感測(cè)器。

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圖4. 多孔複合材料在壓力感測(cè)器陣列中的應(yīng)用

（視頻展示了感測(cè)器陣列的自校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)回應(yīng)壓力分佈檢測(cè)。）這項(xiàng)研究為可穿戴設(shè)備、柔性電子產(chǎn)品和軟機(jī)器人中高靈敏度壓力感測(cè)器的應(yīng)用開闢了新的可能性。該多孔複合材料的卓越性能有望推動(dòng)柔性感測(cè)器領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)新。