液态金属弹性体(LME)是一种具有电、介电和热性能的柔性材料,在柔性传感器、智能座舱、软体机器人、可穿戴设备和人机界面等多个领域具有广泛应用。LME存在两个亟需解决的关键问题:1)液态金属(LM)颗粒在弹性体固化之前沉降,降低了柔性电子器件的介电与导热性能;2)液态金属颗粒需要外力产生导电通路,降低了柔性电子器件的稳定性。
图1. 仿石榴果实的LMEP制备图及其性能表征
(a)石榴果实光学照;(b)石榴果实结构图;(c)LME和LMEP制备流程图;(d)ΦPPs=20%时,不同液态金属体积分数下LMEP的电阻值;(e)LMEs和LMEPs的介电常数曲线图;(f)ΦPPs=30%时,不同液态金属体积分数下LMEP的热导率
近期,太原理工大学机械与运载工程学院张东光团队仿石榴果实结构(图1a、b),将聚二甲基硅氧烷颗粒(PPs)引入到液态金属弹性体(LME)中,研制出一种无沉降、低成本、低密度的液态金属弹性体(LMEP)(图1c)。PPs与LM在LMEP内部产生阻塞效应,避免了LM颗粒的沉降。同时,阻塞效应会在LMEP铸造过程打破LM颗粒之间的绝缘层,形成不需要“机械烧结”的LMEP导体。通过改变LM、PDMS和PPs的体积分数,研究了不同配比LMEP的力电热学特性(图1d-f,图2b、c、e、f)。基于此制备了柔性电容式(图2a)、电阻式力学传感器(图2d)、柔性热导体和柔性电路(图3)。
图2. 基于LMEP的传感器
(a)LMEP电容式传感器示意图;(b)应变-电容变化率图像;(c)LMEP(ΦLM=ΦPPs=30%)在不同测速下的电容变化率图像;(d)LMEP电阻式传感器示意图;(e)LMEP拉伸应力应变曲线;(f)不同应变下的电阻变化率图像
图3. 不同衬底上的LMEP柔性电路
(a)PDMS衬底;(b)Ecoflex衬底;(c)特氟龙板和特氟龙胶带
该工作以“Segregated and Non-settling Liquid Metal Elastomer via Jamming of Elastomeric Particles”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。太原理工大学张东光副教授、吴亚丽副教授、西安科技大学杨嘉怡副教授为论文共同通讯作者,太原理工大学研究生薛小婷为文章第一作者。该工作得到国家自然科学基金的支持。
在过去两年中,团队在柔性传感器领域展开了一系列研究。针对电容式柔性压力传感器高灵敏度与大压力测量极限之间的矛盾,在弹性空腔体中加入玻璃球研制了被动阻塞干扰的压力传感器(DOI:10.1002/admt.202100106),并探索了颗粒阻塞机理。制备了仿人体皮肤的双层液态金属弹性体泡沫,实现了柔性压力传感器的高动态范围(DOI:10.1002/admt.202101074)。受捕蝇草感官毛出色的应力响应启发,设计了一种基于微结构和柔性填料的电容式压力传感器,提高了传感器的灵敏度(DOI:10.1016/j.compscitech.2021.109066)。针对应变传感器通常无法识别法向与压向应力,设计了一种法向压力不敏感的液态金属叉指电容传感器(DOI:10.1002/aisy.202100201)。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210553
下载:Segregated and Non-settling Liquid Metal Elastomer via Jamming of Elastomeric Particles
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