南洋理工大學(xué)：研究通過 4D 打印開發(fā)增強(qiáng)對應(yīng)變、溫度和磁場的靈敏度的超柔性傳感器

近日，南洋理工大學(xué)周琨教授團(tuán)隊(duì)討論了應(yīng)變傳感器靈敏度和傳感范圍之間的權(quán)衡，同時(shí)通過創(chuàng)新的 4D 打印方法引入了附加功能。由此產(chǎn)生的超柔性傳感器將碳納米管/液態(tài)金屬混合物和鐵粉集成在生態(tài)彈性體矩陣中。通過對該成分進(jìn)行優(yōu)化，可以制造出非常適合直接墨水寫入 (DIW) 的未固化樹脂以及具有卓越機(jī)電、熱和磁性能的固化傳感器。值得注意的是，該傳感器實(shí)現(xiàn)了 350% 的寬線性應(yīng)變范圍，并保持穩(wěn)定的19.8 應(yīng)變系數(shù)，提供 0.1% 應(yīng)變的超低檢測限和 83 毫秒的快速響應(yīng)時(shí)間。除了卓越的應(yīng)變傳感能力之外，該傳感器還具有出色的耐熱性（可耐受超過 300 °C 的溫度）、增強(qiáng)的導(dǎo)熱性以及一致的電阻-溫度關(guān)系，非常適合高溫應(yīng)用。此外，鐵顆粒的包含提供了磁響應(yīng)性，從而能夠在位置和速度檢測中協(xié)同應(yīng)用，特別是在家庭護(hù)理中。利用 DIW 有助于使用多種功能材料創(chuàng)建復(fù)雜形狀的傳感器，從而顯著拓寬傳感器的功能。增材制造和多功能材料的融合標(biāo)志著跨不同領(lǐng)域提升下一代傳感器性能的變革性一步。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202411584

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圖1. LM@CNTs 混合物的表征。a) 4D 打印傳感器的多功能性。b) LM 和 CNT 之間相互作用的示意圖。c) SEM和d) LM@CNTs混合物的TEM圖像（LM:CNTs = 80:1重量比，下同）。e) 單個(gè) LM 粒子的 TEM 圖像。f) LM@CNTs 混合物的 EDS 圖。g) CNT和LM@CNT的XRD譜。h) XPS 譜和 i) 高分辨率 Ga 2p 和 j) O 1s。

圖2. LM@CNTs/Fe/Ecoflex 油墨固化前后的基本特性。a) 不同組合物中樹脂的成型能力和固化能力。b) 未固化的 Ecoflex 和 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 墨水的粘彈性行為。c) DIW 擠壓 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 樣品和長絲的結(jié)構(gòu)示意圖。d) LM@CNTs/Fe/Ecoflex 樣品低溫破裂表面的 SEM 圖像和 (e-e3) EDS 圖。f) Ecoflex 和 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 樣品的拉伸曲線。g) LM@CNTs/Fe/Ecoflex 在 50% 至 200% 各種應(yīng)變下的第一個(gè)應(yīng)變-應(yīng)力循環(huán)。h) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 樣品在 50% 應(yīng)變下進(jìn)行 1000 次拉伸和釋放循環(huán)的長期力曲線。i) LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 在第 1、5、10、50、100 和 1000 次拉伸和釋放循環(huán)中的力-應(yīng)變循環(huán)。

圖3. LM@CNTs/Fe/Ecoflex 傳感器的傳感特性。a) 不同CNT含量的傳感器的電阻率。b) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器的相對電阻-應(yīng)變曲線。c）LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex傳感器在各種應(yīng)變從10%到200%、應(yīng)變率為2 mm·min?1的循環(huán)拉伸下的相對電阻響應(yīng)。d) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器在 2 至 16 mm·min?1 不同應(yīng)變率下 100% 循環(huán)拉伸下的相對電阻響應(yīng)。e) 拉伸的響應(yīng)時(shí)間。f) 微小應(yīng)變循環(huán)拉伸下的相對電阻變化范圍為 0.1% 至 0.5%。g) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex傳感器在50%應(yīng)變下進(jìn)行2500次拉伸和釋放循環(huán)的長期耐久性測試。插入圖顯示了 1500-1510 個(gè)周期的詳細(xì)信息。h) GF 在最寬的線性應(yīng)變范圍內(nèi)與最近報(bào)道的 15 個(gè)應(yīng)變傳感器的比較。i) 不同手勢的反應(yīng)和 j) 不同喉嚨運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。k) 肘部彎曲不同角度的響應(yīng)。l) 膝關(guān)節(jié)在不同動(dòng)作下的反應(yīng)。

圖4. LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器的熱性能。a) Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 從 50 到 800 °C 的 TGA 曲線。b）Ecoflex和LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex從-70°C到70°C的DSC曲線。c) Ecoflex、LM/Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的導(dǎo)熱率。d) Ecoflex 薄板 (106 × 106 × 21 μm)、e) LM/Ecoflex 和 f) LM@CNTs/Ecoflex 在 120 °C 加熱臺(tái)上的模擬熱平衡。g) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 在 36 和 175 V 電壓下的溫度-時(shí)間曲線。h) LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 的相對電阻-溫度曲線。i) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的熱耐久性測試，在-20°C 至室溫 (RT) 之間進(jìn)行 30 個(gè)循環(huán)。j) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的熱耐久性測試，在 RT 至 120 °C 之間進(jìn)行 30 個(gè)循環(huán)。k) Ecoflex、LM@Ecoflex 和 LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 的 HRR 曲線。l) Ecoflex、LM@Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的 THR 比較。

圖5. LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器的磁性能。a）“爬行毛毛蟲”場景，b）專門設(shè)計(jì)的樣品在磁場引導(dǎo)下像毛毛蟲一樣移動(dòng)。c）“游動(dòng)的魚”場景，攜帶電線的多材料打印魚在磁場引導(dǎo)下“游動(dòng)”（d1）向前、（d2）向后、（d3）向左和（d4）向右水和(e)形成回路。f) “球通過迷宮”場景，其中攜帶電線的樣品球在磁場的引導(dǎo)下穿過迷宮，形成電路。g) 基于磁性的汽車定位和速度檢測的示意場景。h) 不同速度下汽車的電響應(yīng)。i) 弱勢老人和兒童家庭監(jiān)測應(yīng)用示意圖。

結(jié)論

總之，這項(xiàng)工作通過將 CNT、LM 和鐵粉合并到 Ecoflex 基質(zhì)中，提出了一種柔性應(yīng)變傳感器 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex。通過仔細(xì)控制成分，制備了適合 DIW 的具有強(qiáng)剪切稀化行為的未固化樹脂，以及具有優(yōu)異機(jī)電、熱和磁性能的固化傳感器。實(shí)現(xiàn)了 350% 的寬線性應(yīng)變范圍和 19.8 的穩(wěn)定高 GF，以及 0.1% 應(yīng)變的超低檢測限和 83 ms 的低響應(yīng)時(shí)間。此外，該材料還表現(xiàn)出引人注目的熱性能，表現(xiàn)出耐高溫（>300°C）、改進(jìn)的導(dǎo)熱性和線性電阻-溫度關(guān)系。這些特性使 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器成為高溫應(yīng)用的有希望的候選者。最后，鐵顆粒的添加賦予材料很強(qiáng)的磁響應(yīng)性。磁性和應(yīng)變傳感的協(xié)同組合使該傳感器適用于位置和速度檢測，這表明其在家庭護(hù)理中的潛在應(yīng)用。此外，借助DIW，可以制造具有復(fù)雜形狀和多種功能材料的傳感器，從而顯著擴(kuò)展傳感器的功能和潛在應(yīng)用?？傮w而言，傳感器對溫度和磁場的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)響應(yīng)確保了在不同環(huán)境條件和應(yīng)用中的可靠性能，展示了 4D 打印的優(yōu)越性。因此，我們預(yù)計(jì)增材制造技術(shù)與多功能材料的結(jié)合將大大提高下一代傳感器的性能。

審核編輯 黃宇