南開梁嘉杰教授團隊Matter：基于“遇壓收縮”結構增強壓阻傳感器的靈敏度

一、【導讀】

在各種要求精確測量的智能應用中，可穿戴壓阻式壓力傳感器具有至關重要的作用。傳統的壓阻多孔材料泊松比為正值，靈敏度低，限制了傳感器的發展。其根本原因在于：壓縮后的多孔材料沿壓縮方向收縮，垂直壓縮方向膨脹。壓縮方向的收縮導致多孔材料變形，孔壁接觸，有利于提高靈敏度，而垂直壓縮方向的膨脹則會產生相反的效果，使孔壁相互分離，降低靈敏度。

二、【成果掠影】

作者提出了一種普遍適用的策略：制造具有“遇壓收縮”結構的壓阻材料。這種雙曲線和“遇壓收縮”的微觀結構使得多孔的導電材料(如MXene、石墨烯、碳納米管、銀納米線、PEDOT:PSS)在縱向壓縮下產生顯著的宏觀橫向收縮，最小的負泊松比低至-0.45，顯著增加了多孔材料在壓縮條件下的壁-壁接觸點和導電通道的數量，降低了電阻。與傳統結構相比，具有“遇壓收縮”多孔結構的材料靈敏度有了明顯提高。?該論文報道的“遇壓收縮”結構MXene壓阻式傳感器靈敏度高達990kPa^-1，遠遠超過其他壓阻式傳感器，且機械彈性和耐久性大幅提高，即使在大壓縮變形的疲勞測試下仍具有良好的傳感穩定性和可靠性，在監測人體生理健康狀況方面具有很大的潛力。

南開大學博士生史鑫磊、范向前，及中科大朱銀波副教授為共同第一作者，南開大學梁嘉杰、中國科學技術大學吳恒安為論文共同通訊作者，該論文以“An auxetic cellular structure as a universal design for enhanced piezoresistive sensitivity”為題發表于Matter。

三、【核心創新點】

√? 基于一種普遍適用的機械超材料策略制備的可穿戴壓阻傳感材料，大大提高傳感性能

√? 一種制造負泊松比“遇壓收縮”結構的通用方法

√? 與傳統結構相比，基于“遇壓收縮”結構設計的壓力傳感器，靈敏度和傳感耐久性得到了顯著提高。

四、【數據概覽】

圖1：具有負泊松比結構的多孔材料設計策略 ? 2022 Elsevier

（a）正泊松比的常規多孔材料壓縮變化；

（b）負泊松比的力學超材料多孔結構壓縮變化；

（c），（d），（e）多孔結構設計側視圖及FEA模擬結果?

圖2：（a）制備流程圖；（b）超輕多孔超材料照片；（c）負泊松比多孔超材料掃描電鏡圖,（d）負泊松比多孔超材料微觀結構圖 ?? 2022 Elsevier

圖3：多孔超材料的力學性能?? 2022 Elsevier

(a) 多孔超材料在單軸壓縮下橫向收縮和負泊松比行為的橫斷面照片；

(b) 多孔超材料壓縮-應變曲線，最大應變高達90%;

(c) 正負泊松比的多孔超材料在最大應變為80%的壓縮-釋放循環中，泊松比隨壓縮應變的變化關系；

(d- g)基于石墨烯、碳納米管、銀納米線、PEDOT:PSS的多孔超材料壓縮過程中泊松比變化關系；

(h) MXene多孔超材料在5000次壓縮-釋放循環后，80%最大應變下的壓縮應力-應變曲線；

(i-k) 正負泊松比的MXene多孔超材料在連續80%的最大壓縮應變過程中應力、楊氏模量和能量損失系數的變化。

五、【成果啟示】

該論文通過制備?“遇壓收縮”結構，與傳統的“遇壓膨脹”結構對比，器件的靈敏度、機械彈性和耐久性大幅度提升，且該策略具有普適性，可用于常見的導電材料MXene、石墨烯、碳納米管、銀納米線、PEDOT:PSS等，完美契合了“結構決定性能，性能體現結構”的原則。

本文由iron-man供稿。