液態(tài)金屬彈性體(LME)是一種具有電、介電和熱性能的柔性材料,在柔性傳感器、智能座艙、軟體機器人、可穿戴設(shè)備和人機界面等多個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。LME存在兩個亟需解決的關(guān)鍵問題:1)液態(tài)金屬(LM)顆粒在彈性體固化之前沉降,降低了柔性電子器件的介電與導熱性能;2)液態(tài)金屬顆粒需要外力產(chǎn)生導電通路,降低了柔性電子器件的穩(wěn)定性。
圖1. 仿石榴果實的LMEP制備圖及其性能表征
(a)石榴果實光學照;(b)石榴果實結(jié)構(gòu)圖;(c)LME和LMEP制備流程圖;(d)ΦPPs=20%時,不同液態(tài)金屬體積分數(shù)下LMEP的電阻值;(e)LMEs和LMEPs的介電常數(shù)曲線圖;(f)ΦPPs=30%時,不同液態(tài)金屬體積分數(shù)下LMEP的熱導率
近期,太原理工大學機械與運載工程學院張東光團隊仿石榴果實結(jié)構(gòu)(圖1a、b),將聚二甲基硅氧烷顆粒(PPs)引入到液態(tài)金屬彈性體(LME)中,研制出一種無沉降、低成本、低密度的液態(tài)金屬彈性體(LMEP)(圖1c)。PPs與LM在LMEP內(nèi)部產(chǎn)生阻塞效應(yīng),避免了LM顆粒的沉降。同時,阻塞效應(yīng)會在LMEP鑄造過程打破LM顆粒之間的絕緣層,形成不需要“機械燒結(jié)”的LMEP導體。通過改變LM、PDMS和PPs的體積分數(shù),研究了不同配比LMEP的力電熱學特性(圖1d-f,圖2b、c、e、f)。基于此制備了柔性電容式(圖2a)、電阻式力學傳感器(圖2d)、柔性熱導體和柔性電路(圖3)。
圖2. 基于LMEP的傳感器
(a)LMEP電容式傳感器示意圖;(b)應(yīng)變-電容變化率圖像;(c)LMEP(ΦLM=ΦPPs=30%)在不同測速下的電容變化率圖像;(d)LMEP電阻式傳感器示意圖;(e)LMEP拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線;(f)不同應(yīng)變下的電阻變化率圖像
圖3. 不同襯底上的LMEP柔性電路
(a)PDMS襯底;(b)Ecoflex襯底;(c)特氟龍板和特氟龍膠帶
該工作以“Segregated and Non-settling Liquid Metal Elastomer via Jamming of Elastomeric Particles”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。太原理工大學張東光副教授、吳亞麗副教授、西安科技大學楊嘉怡副教授為論文共同通訊作者,太原理工大學研究生薛小婷為文章第一作者。該工作得到國家自然科學基金的支持。
在過去兩年中,團隊在柔性傳感器領(lǐng)域展開了一系列研究。針對電容式柔性壓力傳感器高靈敏度與大壓力測量極限之間的矛盾,在彈性空腔體中加入玻璃球研制了被動阻塞干擾的壓力傳感器(DOI:10.1002/admt.202100106),并探索了顆粒阻塞機理。制備了仿人體皮膚的雙層液態(tài)金屬彈性體泡沫,實現(xiàn)了柔性壓力傳感器的高動態(tài)范圍(DOI:10.1002/admt.202101074)。受捕蠅草感官毛出色的應(yīng)力響應(yīng)啟發(fā),設(shè)計了一種基于微結(jié)構(gòu)和柔性填料的電容式壓力傳感器,提高了傳感器的靈敏度(DOI:10.1016/j.compscitech.2021.109066)。針對應(yīng)變傳感器通常無法識別法向與壓向應(yīng)力,設(shè)計了一種法向壓力不敏感的液態(tài)金屬叉指電容傳感器(DOI:10.1002/aisy.202100201)。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210553
下載:Segregated and Non-settling Liquid Metal Elastomer via Jamming of Elastomeric Particles
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