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北航蔡軍研究員課題組《ACS AMI》:基于金/石墨烯多級裂紋結構復合薄膜的高靈敏度、寬線性量程應變傳感器
2022-08-24  來源:高分子科技

  柔性智能皮膚/蒙皮作為可穿戴設備、仿生機器人、智能飛行器的感知部件,在生理信號及運動狀態監測中發揮關鍵作用。為實現柔性智能皮膚/蒙皮的應變監測,基于納米材料薄膜的可拉伸應變傳感器在靈巧性和適應性上具備獨特優勢,受到國內外研究廣泛關注。盡管近年來取得了不小發展,但實現同時捕捉小應變和大應變的寬量程線性監測仍是一大挑戰,難以實現智能傳感-反饋-控制系統所必需的集成化應變監測。


總體效果 多功能高性能金/石墨烯多級裂紋結構應變傳感器


  近日,北京航空航天大學機械工程及自動化學院蔡軍研究員課題組提出了一種基于金/石墨烯多級裂紋結構復合薄膜的可拉伸應變傳感器,并驗證了其卓越的應變傳感性能及多功能應用潛力。該課題組采用液面自組裝法制備石墨烯膜,通過提拉鍍膜機將其轉移至PDMS柔性基底,并磁控濺射復合納米金層,最后通過施加預拉伸應變在復合薄膜中引入多級裂紋結構。基于上述復合薄膜(Au/Graphene Composite FilmAGCF)的可拉伸應變傳感器在寬量程范圍(0-20%)內表現出高靈敏度(GF~153)、良好的線性(R2~0.9975)、超低過沖(20%時約1.7%)、快速響應(<42.5 ms)及優異的循環穩定性(1500次)。特別地,基于圖案化設計的可控制造工藝可進一步提升AGCF應變傳感器的靈敏度(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作用,并揭示了多級裂紋分形結構的線性傳感機理。通過將其應用于人體和仿生機械鳥翼面,對其在實際應用中的應變監測效果進行了演示驗證。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特性以及多功能集成監測能力,該應變傳感器在構建柔性智能皮膚/蒙皮感知系統方面展現出巨大潛力。

1 AGCF應變傳感器的制備與表征


2 AGCF應變傳感器壓阻傳感性能測試

3 AGCF多級裂紋微觀結構的形成及應變響應特性分析


4 AGCF應變傳感器可用于人體體表的多類不同程度應變監測


5 AGCF應變傳感器陣列可用于仿生機械鳥翼的運動監測


  相關研究成果以High-Performance Strain Sensors Based on Au/Graphene Composite Films with Hierarchical Cracks for Wide Linear-Range Motion Monitoring為題發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文第一作者是北京航空航天大學博士生程翔,通訊作者是北京航空航天大學卓越百人博士后龔德。該研究得到了國家自然科學基金項目、中國博士后科學基金項目、北歌研究院項目等資助支持。


  該工作蔡軍研究員課題組關于飛機蒙皮智能感知技術研究的最新進展之一。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域相關研究,致力于基于微生物模板的生物制造新方法,在輕質高強電磁吸波材料、柔性導電屏蔽材料、磁性微納米機器人等領域做出了系列開創性工作。目前已發表包括Adv. Funct. Mater.SmallAdv. Optical Mater.ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊在內的SCI論文近80篇,授權國家發明專利10余項。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10226

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(責任編輯:xu)
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