物理所：研制出非晶合金皮膚

【成果簡介】

　20世紀70年代，電子皮膚的概念就已出現在很多科幻作品中。電子皮膚在智能機器人、仿生假肢、健康監測等領域有巨大應用前景，科學家對其不斷進行探索。電子皮膚的基本單元是柔性應變傳感器，然而現有的應變敏感材料，由于導電性差、能耗高、制作工藝復雜、成本高等缺點，限制了電子皮膚的實際應用。因此，尋找新型應變傳感材料迫在眉睫。

金屬合金是人類最早且至今仍在日常生活中使用的最廣泛的材料之一。然而，晶體金屬合金的彈性極限范圍很小，一般金屬合金材料的彈性極限遠小于<0.5%，這是金屬材料應用在電子皮膚領域最大的短板。快速急速冷卻是制備新型合金材料的現代方法，這種方法可將金屬液體無序的原子結構保留下來，得到的非晶合金材料可以極大地提高其彈性極限范圍，高達>2%，是一般合金材料的幾十倍。非晶合金又能將金屬優良的導電性也較好地保留下來。利用非晶合金材料這些特性，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）極端條件實驗室研制了一種新型柔性高性能應變傳感器——非晶合金皮膚。相關研究工作以“Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film”為題，發表在Applied?Physics?Letters上。

【圖文導讀】

圖1 性能表征

（a）金屬合金皮膚的光學照片。

（b）XRD和TEM表明它的無序原子結構。

（c）“透明”的非晶合金皮膚。

（d）非晶合金皮膚的透光率隨厚度的變化。

圖2 性能表征

（a）非晶合金皮膚電阻隨應變的變化。

（b）循環測試結果。

（c）1000次彎折后的結果。

（d）非晶合金皮膚用來監測手指彎曲程度的示意圖。

【研究內容】

非晶合金皮膚是通過離子束濺射方法將ZrCuNiAl等非晶合金薄膜直接生長在柔性塑料（PC）襯底上得到的。非晶合金傳感器柔性好（彎曲角>180?）見圖1a，通過對薄膜厚度的調控可以視覺上變得“透明”（圖1c）。對該傳感器進行的壓阻效應測試結果表明，非晶合金皮膚保留了金屬材料高電導率（>5000 S?cm^-1）、且電阻與應變之間有完美的線性關系、穩定性好等特點。與傳統晶態金屬材料相比，彈性范圍有很大的提高（室溫下的理論彈性極限為4.2%）（圖2）。圖2顯示，非晶合金皮膚甚至可以用來靈敏地監測手指彎曲程度。此外，該傳感器有極小的電阻溫度系數（9.04×10^-6?K^-1），明顯的抗菌性等特點。此外，非晶柔性應變傳感器制備方法簡單，制造成本低。利用非晶合金柔性應變傳感器這些獨特性質，有望推動電子皮膚的早日實際應用，也為非晶合金材料的應用開辟新途徑。

研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、中科院前沿局重點項目的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201710/t20171023_4618789.shtml

文獻鏈接：Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film (Appl. Phys. Lett., 2017, DOI:?https://doi.org/10.1063/1.4993560)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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