北航蔡军研究员课题组《ACS AMI》：基于金/石墨烯多级裂纹结构复合薄膜的高灵敏度、宽线性量程应变传感器

2022-08-24 来源：高分子科技

柔性智能皮肤/蒙皮作为可穿戴设备、仿生机器人、智能飞行器的感知部件，在生理信号及运动状态监测中发挥关键作用。为实现柔性智能皮肤/蒙皮的应变监测，基于纳米材料薄膜的可拉伸应变传感器在灵巧性和适应性上具备独特优势，受到国内外研究广泛关注。尽管近年来取得了不小发展，但实现同时捕捉小应变和大应变的宽量程线性监测仍是一大挑战，难以实现智能传感-反馈-控制系统所必需的集成化应变监测。

总体效果图多功能高性能金/石墨烯多级裂纹结构应变传感器

近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院蔡军研究员课题组提出了一种基于金/石墨烯多级裂纹结构复合薄膜的可拉伸应变传感器，并验证了其卓越的应变传感性能及多功能应用潜力。该课题组采用液面自组装法制备石墨烯膜，通过提拉镀膜机将其转移至PDMS柔性基底，并磁控溅射复合纳米金层，最后通过施加预拉伸应变在复合薄膜中引入多级裂纹结构。基于上述复合薄膜（Au/Graphene Composite Film，AGCF）的可拉伸应变传感器在宽量程范围（0-20%）内表现出高灵敏度（GF~153）、良好的线性（R²~0.9975）、超低过冲（20%时约1.7%）、快速响应（<42.5 ms）及优异的循环稳定性（1500次）。特别地，基于图案化设计的可控制造工艺可进一步提升AGCF应变传感器的灵敏度（GF~320）。在研究中，课题组深入探索了褶皱型自组装石墨烯作为中间层在形成多级裂纹中的主导作用，并揭示了多级裂纹分形结构的线性传感机理。通过将其应用于人体和仿生机械鸟翼面，对其在实际应用中的应变监测效果进行了演示验证。受益于可拓展批量化制造工艺、高灵敏度宽量程的线性响应特性以及多功能集成监测能力，该应变传感器在构建柔性智能皮肤/蒙皮感知系统方面展现出巨大潜力。

图1 AGCF应变传感器的制备与表征

图2 AGCF应变传感器压阻传感性能测试

图3 AGCF多级裂纹微观结构的形成及应变响应特性分析

图4 AGCF应变传感器可用于人体体表的多类不同程度应变监测

图5 AGCF应变传感器阵列可用于仿生机械鸟翼的运动监测

相关研究成果以“High-Performance Strain Sensors Based on Au/Graphene Composite Films with Hierarchical Cracks for Wide Linear-Range Motion Monitoring”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。论文第一作者是北京航空航天大学博士生程翔，通讯作者是北京航空航天大学卓越百人博士后龚德。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、北歌研究院项目等资助支持。

该工作是蔡军研究员课题组关于飞机蒙皮智能感知技术研究的最新进展之一。蔡军研究员课题组主要从事生物加工成形、仿生微纳制造、电磁功能材料、柔性智能传感及微流控芯片等领域相关研究，致力于基于微生物模板的生物制造新方法，在轻质高强电磁吸波材料、柔性导电屏蔽材料、磁性微纳米机器人等领域做出了系列开创性工作。目前已发表包括Adv. Funct. Mater.、 Small、 Adv. Optical Mater.、 ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊在内的SCI论文近80篇，授权国家发明专利10余项。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10226

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（责任编辑：xu）

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