港中深朱世平和张祺团队 Adv. Mater.：用于宽范围、自阻尼压力传感的微相分离介电凝胶

2023-12-05 来源：高分子科技

柔性压力传感器具有灵敏度高、稳定性强、界面兼容性好等诸多优势，在电子皮肤、生物医学设备、人机交互、人工智能等众多领域有巨大的应用价值。然而，当前柔性压力传感易受环境干扰，物体表面的振动常常会在输出信号中产生不规则的噪声，且会缩短器件使用寿命，已成为传感器领域的一大难题。目前常用的解决方法是结合辅助阻尼元件（例如滤波电路）来削弱振动造成的影响。然而这种方案不仅增加了设备的复杂性和成本，在某些情况下可能使信号波形失真，甚至导致信息丢失。因此，开发具有良好减振性能、能够简化设备并在复杂环境下实现高精度压力传感的传感材料具有很大的挑战性。

近日，香港中文大学（深圳）理工学院朱世平和张祺团队报道了一种具有微相分离的介电凝胶，该凝胶具有介电常数大、压缩强度高、力学迟滞低、阻尼效果好等优点，使其可以用于开发同时具有宽检测范围和自阻尼效果的柔性压力传感器。这种材料的设计思路是在传统的介电凝胶中引入微相分离并控制相分离的程度，使其压缩强度和阻尼效果提升的同时，维持较低的力学迟滞。使用具有高介电常数的氟代碳酸乙烯酯（FEC）作为溶剂，将疏溶剂单体（丙烯酰胺）和亲溶剂单体（丙烯酰吗啉）在溶剂中共聚即可将微相分离原位引入介电凝胶中，通过调节丙烯酰胺的质量分数可以实现对相分离程度的控制（图1）。

图1 微相分离介电凝胶的制备和表征

随着引入丙烯酰胺质量分数的增加，凝胶的压缩强度不断提升，但随之而来的是力学迟滞的增大与介电常数的下降。因此，引入较低质量分数（6 wt%）的丙烯酰胺既可以提高凝胶的压缩强度，同时也可以保持较低的力学迟滞以及较高的介电常数（图2）。

图2 微相分离介电凝胶的力学和介电性质

相比于传统的介电凝胶，微相分离可以使得聚合物链之间的缠结更紧密，链间摩擦更激烈，因此微相分离的引入可以使材料更好地损耗能量，凝胶的阻尼性能也得到了极大的提升（图3）。

图3 微相分离介电凝胶的阻尼性能

基于制备得到的介电凝胶，进一步成功开发出了具有宽检测范围和自阻尼效果的柔性压力传感器（图4、图5）。该柔性压力传感器的检测下限低于1kPa，同时可检测超过1MPa的应力，在不同温度下均展现出良好的响应性能。相比基于传统介电凝胶的器件，基于微相分离凝胶的压力传感器可以在不同的振动表面上均展现出高信噪比，具有很高的实用价值。

图4 基于微相分离介电凝胶的柔性压力传感器对不同应力的响应曲线

图5 基于微相分离介电凝胶的柔性压力传感器的自阻尼效果展示

研究表明，利用组分之间的混溶性差异，微相分离被原位引入介电凝胶中，使得制备出的凝胶同时具有高介电常数、高压缩强度和优越的阻尼性能。基于微相分离介电凝胶的压力传感器具有低检测下限、宽检测范围和稳定的传感性能，并且能够有效地抑制实际场景中的振动对传感器的影响。该研究为柔性电子、生物医学设备和智能传感器等领域的研究提供了新的思路。

这一成果以“Dielectric gels with microphase separation for wide-range and self-damping pressure sensing” 为题发表于Advanced Materials期刊，该论文的第一作者为香港中文大学（深圳）理工学院的博士生张长庚，共同作者为王镇武博士和朱贺助理教授，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院的朱世平教授和张祺助理教授。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308520

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（责任编辑：xu）

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