南洋理工大學Adv. Mater.: 拉脹機械超材料用于增強拉伸應變傳感器的靈敏度

【引言】

可拉伸的應變傳感器，在可穿戴器件、軟性機器人、電子皮膚、物聯網中起著關鍵作用。然而，這些應用常常要求在各種各樣應變下能夠探測到細微的應變，低靈敏度限制了其進一步發展。 這主要是由于傳統應變傳感器的泊松效應，即拉伸彈性體基底沿著縱向方向拉伸，而在橫向方向上壓縮。在可拉伸的應變傳感器中，拉伸分離了活性材料并有助于靈敏度，而泊松壓縮則將活性材料擠壓在一起，從而在本質上限制了靈敏度。因此，調節和減少拉伸下的傳統橫向泊松壓縮是增強應變傳感器靈敏度的關鍵問題。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學的陳曉東教授和A*Star的劉壯健博士（共同通訊作者）在Advanced Materials 期刊上發表了題為“Auxetic Mechanical Metamaterials to Enhance Sensitivity of Stretchable Strain Sensors”的文章，文中作者利用拉脹機械超材料負的結構泊松比，可在兩個方向2D拉伸的特性，將其嵌入可拉伸的應變傳感器，從而顯著提高了應變傳感器的靈敏度。相比于傳統的傳感器，靈敏度提高了24倍。

【圖文簡介】

圖一：基于拉脹機械超材料的應變傳感器

a）傳統的平膜結構。

b）具有四單元陣列的拉脹機械超材料結構。

c）縱向拉伸應變下橫向（D_⊥）的歸一化位移。負的和正的D_⊥分別表示橫向泊松壓縮和橫向拉伸膨脹。

d）基于拉脹式超材料的拉伸應變傳感器的示意圖，其由拉脹式框架，薄膜以及導電SWCNT網絡組成。

?圖二：拉脹機械超材料的拉伸應變傳感器的性能

a）25次拉伸循環后的相對電阻變化。

b）25次拉伸循環后的平均應變系數 。

c）在15%拉伸應變下2300圈的循環測試（結構泊松比是0.19）。

d）不同循環次數下的相對電阻變化。

圖三：不同應變范圍內的靈敏度，以及應變再分布和應變集中的調節作用

?a）拉脹應力傳感器和三種非拉脹應變傳感器（柱形，方形和平面）的相對阻力變化曲線。

b）局部應變系數與相對電阻變化曲線的斜率，顯示了拉脹應變傳感器在各種應變范圍內的靈敏度優勢。

c）在15％應變下，FEA模擬的應變分布。

d）導電SWCNT區域（電阻測試區域）中的平均應變系數和應變集中ε_c。

圖四：基于拉脹和傳統平面結構的拉伸應變傳感器的微裂紋。

?a，b）15％應變下SWCNT層內微裂紋的SEM圖像。比例尺：a，b）10 μm，插圖500 nm。

?c，d）基于實驗SEM圖像的模擬電壓分布。拉脹應變傳感器呈現出快速的壓降，因此具有很高的電阻，與其高靈敏度相一致。

?e，f）通過FEA模擬在14.1％的拉伸應變下單個微裂紋的擴展。拉脹超材料的拉伸應變傳感器具有較長的微裂紋，與SEM圖像一致。

g，h）拉伸應變傳感器的微裂紋模型，解釋了由拉脹超材料結構引起的應變系數的增強。

圖五：利用拉脹和傳統平面結構的拉伸應變傳感器檢測人體壓力脈搏波

a）具有5個單元拉脹陣列（比例尺：5 mm）的拉伸應變傳感器和貼附在人體手腕以進行壓力脈搏檢測的傳感器（比例尺：1 cm）的照片。環內的SWCNT網絡非常薄，因此是透明的。

b）拉脹和傳統平面傳感器的信噪比（SNR）。

c）d）人類的壓力脈沖波形，其中拉脹應變傳感器由于高靈敏度，其放大信號呈現出可識別的階段和豐富的醫學細節。

【小結】

本文作者利用拉脹超材料顯著增強了拉伸應變傳感器的靈敏度。拉脹超材料由于減少的結構泊松比，具有雙向拉伸的特點，與傳統的傳感器相比，其靈敏度提高了24倍。這主要是由于減小的結構泊松比和應變集中的協同作用，通過實驗結果和數值模擬證明了該機制，即延長的微裂紋。此外，這項研究證實了一種增強拉伸應變傳感器靈敏度的新方法的可行性，并可進一步用于實際應用中。該方法是獨立于所使用的活性材料的，因此可用于其他可拉伸的應變傳感器。最后，這一開創性的工作將整個機械超材料領域引入可拉伸電子學，可拉伸電子器件功能在很大程度上取決于變形時的力學性能，因此具有優越力學性能的超材料可以為這一領域注入活力和動力。

文獻鏈接：Auxetic Mechanical Metamaterials to Enhance Sensitivity of Stretchable Strain Sensors (Adv. Mater. 2018, 1706589, DOI: 10.1002/adma.201706589)

本文由材料人編輯部昝萍編譯，點我加入材料人編輯部。

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