南洋理工大学：研究通过 4D 打印开发增强对应变、温度和磁场的灵敏度的超柔性传感器

近日，南洋理工大学周琨教授团队讨论了应变传感器灵敏度和传感范围之间的权衡，同时通过创新的 4D 打印方法引入了附加功能。由此产生的超柔性传感器将碳纳米管/液态金属混合物和铁粉集成在生态弹性体矩阵中。通过对该成分进行优化，可以制造出非常适合直接墨水写入 (DIW) 的未固化树脂以及具有卓越机电、热和磁性能的固化传感器。值得注意的是，该传感器实现了 350% 的宽线性应变范围，并保持稳定的19.8 应变系数，提供 0.1% 应变的超低检测限和 83 毫秒的快速响应时间。除了卓越的应变传感能力之外，该传感器还具有出色的耐热性（可耐受超过 300 °C 的温度）、增强的导热性以及一致的电阻-温度关系，非常适合高温应用。此外，铁颗粒的包含提供了磁响应性，从而能够在位置和速度检测中协同应用，特别是在家庭护理中。利用 DIW 有助于使用多种功能材料创建复杂形状的传感器，从而显著拓宽传感器的功能。增材制造和多功能材料的融合标志着跨不同领域提升下一代传感器性能的变革性一步。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202411584

图文速递

图1. LM@CNTs 混合物的表征。a) 4D 打印传感器的多功能性。b) LM 和 CNT 之间相互作用的示意图。c) SEM和d) LM@CNTs混合物的TEM图像（LM:CNTs = 80:1重量比，下同）。e) 单个 LM 粒子的 TEM 图像。f) LM@CNTs 混合物的 EDS 图。g) CNT和LM@CNT的XRD谱。h) XPS 谱和 i) 高分辨率 Ga 2p 和 j) O 1s。

图2. LM@CNTs/Fe/Ecoflex 油墨固化前后的基本特性。a) 不同组合物中树脂的成型能力和固化能力。b) 未固化的 Ecoflex 和 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 墨水的粘弹性行为。c) DIW 挤压 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 样品和长丝的结构示意图。d) LM@CNTs/Fe/Ecoflex 样品低温破裂表面的 SEM 图像和 (e-e3) EDS 图。f) Ecoflex 和 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 样品的拉伸曲线。g) LM@CNTs/Fe/Ecoflex 在 50% 至 200% 各种应变下的第一个应变-应力循环。h) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 样品在 50% 应变下进行 1000 次拉伸和释放循环的长期力曲线。i) LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 在第 1、5、10、50、100 和 1000 次拉伸和释放循环中的力-应变循环。

图3. LM@CNTs/Fe/Ecoflex 传感器的传感特性。a) 不同CNT含量的传感器的电阻率。b) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 传感器的相对电阻-应变曲线。c）LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex传感器在各种应变从10%到200%、应变率为2 mm·min?1的循环拉伸下的相对电阻响应。d) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 传感器在 2 至 16 mm·min?1 不同应变率下 100% 循环拉伸下的相对电阻响应。e) 拉伸的响应时间。f) 微小应变循环拉伸下的相对电阻变化范围为 0.1% 至 0.5%。g) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex传感器在50%应变下进行2500次拉伸和释放循环的长期耐久性测试。插入图显示了 1500-1510 个周期的详细信息。h) GF 在最宽的线性应变范围内与最近报道的 15 个应变传感器的比较。i) 不同手势的反应和 j) 不同喉咙运动的反应。k) 肘部弯曲不同角度的响应。l) 膝关节在不同动作下的反应。

图4. LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 传感器的热性能。a) Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 从 50 到 800 °C 的 TGA 曲线。b）Ecoflex和LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex从-70°C到70°C的DSC曲线。c) Ecoflex、LM/Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的导热率。d) Ecoflex 薄板 (106 × 106 × 21 μm)、e) LM/Ecoflex 和 f) LM@CNTs/Ecoflex 在 120 °C 加热台上的模拟热平衡。g) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 在 36 和 175 V 电压下的温度-时间曲线。h) LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 的相对电阻-温度曲线。i) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的热耐久性测试，在-20°C 至室温 (RT) 之间进行 30 个循环。j) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的热耐久性测试，在 RT 至 120 °C 之间进行 30 个循环。k) Ecoflex、LM@Ecoflex 和 LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 的 HRR 曲线。l) Ecoflex、LM@Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的 THR 比较。

图5. LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 传感器的磁性能。a）“爬行毛毛虫”场景，b）专门设计的样品在磁场引导下像毛毛虫一样移动。c）“游动的鱼”场景，携带电线的多材料打印鱼在磁场引导下“游动”（d1）向前、（d2）向后、（d3）向左和（d4）向右水和(e)形成回路。f) “球通过迷宫”场景，其中携带电线的样品球在磁场的引导下穿过迷宫，形成电路。g) 基于磁性的汽车定位和速度检测的示意场景。h) 不同速度下汽车的电响应。i) 弱势老人和儿童家庭监测应用示意图。

结论

总之，这项工作通过将 CNT、LM 和铁粉合并到 Ecoflex 基质中，提出了一种柔性应变传感器 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex。通过仔细控制成分，制备了适合 DIW 的具有强剪切稀化行为的未固化树脂，以及具有优异机电、热和磁性能的固化传感器。实现了 350% 的宽线性应变范围和 19.8 的稳定高 GF，以及 0.1% 应变的超低检测限和 83 ms 的低响应时间。此外，该材料还表现出引人注目的热性能，表现出耐高温（>300°C）、改进的导热性和线性电阻-温度关系。这些特性使 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 传感器成为高温应用的有希望的候选者。最后，铁颗粒的添加赋予材料很强的磁响应性。磁性和应变传感的协同组合使该传感器适用于位置和速度检测，这表明其在家庭护理中的潜在应用。此外，借助DIW，可以制造具有复杂形状和多种功能材料的传感器，从而显着扩展传感器的功能和潜在应用。总体而言，传感器对温度和磁场的动态自适应响应确保了在不同环境条件和应用中的可靠性能，展示了 4D 打印的优越性。因此，我们预计增材制造技术与多功能材料的结合将大大提高下一代传感器的性能。

审核编辑 黄宇