宁波材料所在柔性压阻应变传感器方面取得进展
来源：MEMS
发布时间：2025-07-08
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导电弹性体复合泡沫材料压阻传感器凭借质轻、良好的可压缩性和高响应稳定性等优点，在运动监测、健康监测、人机交互、智能机器人等领域具有广阔的应用前景。当前，除了追求简单和环境友好的制备方法，研究人员也在致力于提高泡沫传感器的传感范围和灵敏度。超临界二氧化碳（scCO2）发泡是一种新的制备多孔压阻材料的方法，具有制备简单、环境友好等特点。但由于过高的熔体强度，利用scCO2发泡法制备的导电弹性体复合泡沫压阻传感器，其压缩应变传感范围较低（< 60%应变）。为了适用于更多的应用场景，研究人员在努力不断发展可拉伸的导电弹性体复合泡沫传感器，拓宽传感器的拉伸应变传感范围。但是，导电弹性体复合泡沫材料的导电性和拉伸性之间存在难以调和的矛盾，难以实现具有超宽应变范围的压阻泡沫传感器。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所汪龙研究员等长期致力于热塑性弹性体泡沫功能化的相关科研工作 。为了实现具有超宽压缩应变传感范围的压阻泡沫传感器，团队采用scCO2发泡技术，设计并制备了一种宏观隔离结构聚烯烃弹性体（POE）/碳纳米结构（CNS）复合泡沫材料，该材料有效解决了高发泡倍率与压阻效应间的矛盾，发泡倍率高（约9倍）、导电性和防水性良好（水接触角为140.8°）。如图1所示，制备的压阻泡沫传感器展现了超宽的应变范围（从0.5%到90%压缩应变/0.5到3800 kPa），可以作为一种功能鞋底材料，监测不同的人体运动。
图1 宏观隔离结构POE/CNS复合泡沫材料传感器的制备及应用
具有宽拉伸应变范围的多孔导电材料是理想的柔性电子材料，然而，由于拉伸过程中的导电或机械失效，多孔导电弹性体复合材料难以实现超宽应变传感范围。研究人员通过调节界面导电网络，设计并制备了一种由单层CNS@POE粒子（平均直径约350 µm）组装的隔离结构POE/CNS复合泡沫材料。该材料具有高拉伸性（952.5%应变）、良好的弹性（13.8%残余应变）和导电性（约50 kΩ）。而且，在热成型过程中，POE分子链向导电层扩散，改善了导电层的柔性，在拉伸过程中，阻碍了导电层裂纹的快速扩展，扩大了泡沫传感器的应变响应范围。如图2所示，单层隔离结构POE/CNS复合泡沫传感器实现了超宽的应变响应范围（从0.5%到762%拉伸应变），远远超过随机分布结构POE/CNS复合泡沫传感器（0至153.5%应变）；制备的传感器可以应用于全范围的人体运动监测、健康监测和工程装备。
图2 单层隔离结构POE/CNS复合泡沫传感器的制备、压阻性能和应用
综上所述，团队通过结构设计，并结合scCO2发泡技术，制备出一系列高性能泡沫压阻传感器，在可穿戴传感器领域具有广阔的应用前景。
以上工作得到国家自然科学基金（52003280）和宁波市科技创新2025重大专项（2021Z052）等的支持。
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