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港中深朱世平和張祺團隊 Adv. Mater.：用于寬范圍、自阻尼壓力傳感的微相分離介電凝膠
2023-12-05  來源：高分子科技

  柔性壓力傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性強、界面兼容性好等諸多優(yōu)勢，在電子皮膚、生物醫(yī)學設備、人機交互、人工智能等眾多領域有巨大的應用價值。然而，當前柔性壓力傳感易受環(huán)境干擾，物體表面的振動常常會在輸出信號中產(chǎn)生不規(guī)則的噪聲，且會縮短器件使用壽命，已成為傳感器領域的一大難題。目前常用的解決方法是結合輔助阻尼元件（例如濾波電路）來削弱振動造成的影響。然而這種方案不僅增加了設備的復雜性和成本，在某些情況下可能使信號波形失真，甚至導致信息丟失。因此，開發(fā)具有良好減振性能、能夠簡化設備并在復雜環(huán)境下實現(xiàn)高精度壓力傳感的傳感材料具有很大的挑戰(zhàn)性。


  近日，香港中文大學（深圳）理工學院朱世平和張祺團隊報道了一種具有微相分離的介電凝膠，該凝膠具有介電常數(shù)大、壓縮強度高、力學遲滯低、阻尼效果好等優(yōu)點，使其可以用于開發(fā)同時具有寬檢測范圍和自阻尼效果的柔性壓力傳感器。這種材料的設計思路是在傳統(tǒng)的介電凝膠中引入微相分離并控制相分離的程度，使其壓縮強度和阻尼效果提升的同時，維持較低的力學遲滯。使用具有高介電常數(shù)的氟代碳酸乙烯酯（FEC）作為溶劑，將疏溶劑單體（丙烯酰胺）和親溶劑單體（丙烯酰嗎啉）在溶劑中共聚即可將微相分離原位引入介電凝膠中，通過調(diào)節(jié)丙烯酰胺的質(zhì)量分數(shù)可以實現(xiàn)對相分離程度的控制（圖1）。 


圖1 微相分離介電凝膠的制備和表征


  隨著引入丙烯酰胺質(zhì)量分數(shù)的增加，凝膠的壓縮強度不斷提升，但隨之而來的是力學遲滯的增大與介電常數(shù)的下降。因此，引入較低質(zhì)量分數(shù)（6 wt%）的丙烯酰胺既可以提高凝膠的壓縮強度，同時也可以保持較低的力學遲滯以及較高的介電常數(shù)（圖2）。 


圖2 微相分離介電凝膠的力學和介電性質(zhì)


  相比于傳統(tǒng)的介電凝膠，微相分離可以使得聚合物鏈之間的纏結更緊密，鏈間摩擦更激烈，因此微相分離的引入可以使材料更好地損耗能量，凝膠的阻尼性能也得到了極大的提升（圖3）。 


圖3 微相分離介電凝膠的阻尼性能


  基于制備得到的介電凝膠，進一步成功開發(fā)出了具有寬檢測范圍和自阻尼效果的柔性壓力傳感器（圖4、圖5）。該柔性壓力傳感器的檢測下限低于1kPa，同時可檢測超過1MPa的應力，在不同溫度下均展現(xiàn)出良好的響應性能。相比基于傳統(tǒng)介電凝膠的器件，基于微相分離凝膠的壓力傳感器可以在不同的振動表面上均展現(xiàn)出高信噪比，具有很高的實用價值。 


圖4 基于微相分離介電凝膠的柔性壓力傳感器對不同應力的響應曲線 


圖5 基于微相分離介電凝膠的柔性壓力傳感器的自阻尼效果展示


  研究表明，利用組分之間的混溶性差異，微相分離被原位引入介電凝膠中，使得制備出的凝膠同時具有高介電常數(shù)、高壓縮強度和優(yōu)越的阻尼性能；谖⑾喾蛛x介電凝膠的壓力傳感器具有低檢測下限、寬檢測范圍和穩(wěn)定的傳感性能，并且能夠有效地抑制實際場景中的振動對傳感器的影響。該研究為柔性電子、生物醫(yī)學設備和智能傳感器等領域的研究提供了新的思路。


  這一成果以“Dielectric gels with microphase separation for wide-range and self-damping pressure sensing” 為題發(fā)表于Advanced Materials期刊，該論文的第一作者為香港中文大學（深圳）理工學院的博士生張長庚，共同作者為王鎮(zhèn)武博士和朱賀助理教授，通訊作者為香港中文大學（深圳）理工學院的朱世平教授和張祺助理教授。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308520

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（責任編輯：xu）
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