【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫材料壓阻傳感器憑借質(zhì)輕、良好的可壓縮性和高響應(yīng)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前，除了追求簡(jiǎn)單和環(huán)境友好的制備方法，研究人員也在致力于提高泡沫傳感器的傳感范圍和靈敏度。超臨界二氧化碳(scCO2)發(fā)泡是一種新的制備多孔壓阻材料的方法，具有制備簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等特點(diǎn)。但由于過高的熔體強(qiáng)度，利用scCO2發(fā)泡法制備的導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫壓阻傳感器，其壓縮應(yīng)變傳感范圍較低(< 60%應(yīng)變)。為了適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景，研究人員在努力不斷發(fā)展可拉伸的導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫傳感器，拓寬傳感器的拉伸應(yīng)變傳感范圍。但是，導(dǎo)電彈性體復(fù)合泡沫材料的導(dǎo)電性和拉伸性之間存在難以調(diào)和的矛盾，難以實(shí)現(xiàn)具有超寬應(yīng)變范圍的壓阻泡沫傳感器。
 

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所汪龍研究員等長(zhǎng)期致力于熱塑性彈性體泡沫功能化的相關(guān)科研工作(Chem. Eng. J., 2023, 455, 140860；Compos. Commun. 2023, 40, 101628; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 57613-57625；Composites, Part B, 2024, 277, 111412；ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6:12071-12080; Mater. Today Phys. 2025, 55, 101741)。
 

　　為了實(shí)現(xiàn)具有超寬壓縮應(yīng)變傳感范圍的壓阻泡沫傳感器，團(tuán)隊(duì)采用scCO2發(fā)泡技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了一種宏觀隔離結(jié)構(gòu)聚烯烴彈性體(POE)/碳納米結(jié)構(gòu)(CNS)復(fù)合泡沫材料，該材料有效解決了高發(fā)泡倍率與壓阻效應(yīng)間的矛盾，發(fā)泡倍率高(約9倍)、導(dǎo)電性和防水性良好(水接觸角為140.8°)。如圖1所示，制備的壓阻泡沫傳感器展現(xiàn)了超寬的應(yīng)變范圍(從0.5%到90%壓縮應(yīng)變/0.5到3800 kPa)(Composites, Part B，2024，277，111412)，可以作為一種功能鞋底材料，監(jiān)測(cè)不同的人體運(yùn)動(dòng)。
 

　　具有寬拉伸應(yīng)變范圍的多孔導(dǎo)電材料是理想的柔性電子材料，然而，由于拉伸過程中的導(dǎo)電或機(jī)械失效，多孔導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料難以實(shí)現(xiàn)超寬應(yīng)變傳感范圍。研究人員通過調(diào)節(jié)界面導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并制備了一種由單層CNS@POE粒子(平均直徑約350 µm)組裝的隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫材料。該材料具有高拉伸性(952.5%應(yīng)變)、良好的彈性(13.8%殘余應(yīng)變)和導(dǎo)電性(約50 kΩ)。而且，在熱成型過程中，POE分子鏈向?qū)щ妼訑U(kuò)散，改善了導(dǎo)電層的柔性，在拉伸過程中，阻礙了導(dǎo)電層裂紋的快速擴(kuò)展，擴(kuò)大了泡沫傳感器的應(yīng)變響應(yīng)范圍。如圖2所示，單層隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫傳感器實(shí)現(xiàn)了超寬的應(yīng)變響應(yīng)范圍(從0.5%到762%拉伸應(yīng)變)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫傳感器(0至153.5%應(yīng)變)；制備的傳感器可以應(yīng)用于全范圍的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)和工程裝備(Mater. Today Phys. 2025, 55, 101741)。
 

　　綜上所述，團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合scCO2發(fā)泡技術(shù)，制備出一系列高性能泡沫壓阻傳感器，在可穿戴傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
 

　　以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(52003280)和寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)(2021Z052)等的支持。
 

圖1 宏觀隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫材料傳感器的制備及應(yīng)用
 

圖2 單層隔離結(jié)構(gòu)POE/CNS復(fù)合泡沫傳感器的制備、壓阻性能和應(yīng)用