南洋理工大学Adv. Mater.: 拉胀机械超材料用于增强拉伸应变传感器的灵敏度

【引言】

可拉伸的应变传感器，在可穿戴器件、软性机器人、电子皮肤、物联网中起着关键作用。然而，这些应用常常要求在各种各样应变下能够探测到细微的应变，低灵敏度限制了其进一步发展。 这主要是由于传统应变传感器的泊松效应，即拉伸弹性体基底沿着纵向方向拉伸，而在横向方向上压缩。在可拉伸的应变传感器中，拉伸分离了活性材料并有助于灵敏度，而泊松压缩则将活性材料挤压在一起，从而在本质上限制了灵敏度。因此，调节和减少拉伸下的传统横向泊松压缩是增强应变传感器灵敏度的关键问题。

【成果简介】

近日，南洋理工大学的陈晓东教授和A*Star的刘壮健博士（共同通讯作者）在Advanced Materials期刊上发表了题为“Auxetic Mechanical Metamaterials to Enhance Sensitivity of Stretchable Strain Sensors”的文章，文中作者利用拉胀机械超材料负的结构泊松比，可在两个方向2D拉伸的特性，将其嵌入可拉伸的应变传感器，从而显著提高了应变传感器的灵敏度。相比于传统的传感器，灵敏度提高了24倍。

【图文简介】

图一：基于拉胀机械超材料的应变传感器

a）传统的平膜结构。

b）具有四单元阵列的拉胀机械超材料结构。

c）纵向拉伸应变下横向（D_⊥）的归一化位移。负的和正的D_⊥分别表示横向泊松压缩和横向拉伸膨胀。

d）基于拉胀式超材料的拉伸应变传感器的示意图，其由拉胀式框架，薄膜以及导电SWCNT网络组成。

图二：拉胀机械超材料的拉伸应变传感器的性能

a）25次拉伸循环后的相对电阻变化。

b）25次拉伸循环后的平均应变系数 。

c）在15%拉伸应变下2300圈的循环测试（结构泊松比是0.19）。

d）不同循环次数下的相对电阻变化。

图三：不同应变范围内的灵敏度，以及应变再分布和应变集中的调节作用

a）拉胀应力传感器和三种非拉胀应变传感器（柱形，方形和平面）的相对阻力变化曲线。

b）局部应变系数与相对电阻变化曲线的斜率，显示了拉胀应变传感器在各种应变范围内的灵敏度优势。

c）在15％应变下，FEA模拟的应变分布。

d）导电SWCNT区域（电阻测试区域）中的平均应变系数和应变集中ε_c。

图四：基于拉胀和传统平面结构的拉伸应变传感器的微裂纹。

a，b）15％应变下SWCNT层内微裂纹的SEM图像。比例尺：a，b）10 μm，插图500 nm。

c，d）基于实验SEM图像的模拟电压分布。拉胀应变传感器呈现出快速的压降，因此具有很高的电阻，与其高灵敏度相一致。

e，f）通过FEA模拟在14.1％的拉伸应变下单个微裂纹的扩展。拉胀超材料的拉伸应变传感器具有较长的微裂纹，与SEM图像一致。

g，h）拉伸应变传感器的微裂纹模型，解释了由拉胀超材料结构引起的应变系数的增强。

图五：利用拉胀和传统平面结构的拉伸应变传感器检测人体压力脉搏波

a）具有5个单元拉胀阵列（比例尺：5 mm）的拉伸应变传感器和贴附在人体手腕以进行压力脉搏检测的传感器（比例尺：1 cm）的照片。环内的SWCNT网络非常薄，因此是透明的。

b）拉胀和传统平面传感器的信噪比（SNR）。

c）d）人类的压力脉冲波形，其中拉胀应变传感器由于高灵敏度，其放大信号呈现出可识别的阶段和丰富的医学细节。

【小结】

本文作者利用拉胀超材料显著增强了拉伸应变传感器的灵敏度。拉胀超材料由于减少的结构泊松比，具有双向拉伸的特点，与传统的传感器相比，其灵敏度提高了24倍。这主要是由于减小的结构泊松比和应变集中的协同作用，通过实验结果和数值模拟证明了该机制，即延长的微裂纹。此外，这项研究证实了一种增强拉伸应变传感器灵敏度的新方法的可行性，并可进一步用于实际应用中。该方法是独立于所使用的活性材料的，因此可用于其他可拉伸的应变传感器。最后，这一开创性的工作将整个机械超材料领域引入可拉伸电子学，可拉伸电子器件功能在很大程度上取决于变形时的力学性能，因此具有优越力学性能的超材料可以为这一领域注入活力和动力。

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

本文由材料人编辑部昝萍编译，点我加入材料人编辑部。

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