太原理工大学张东光团队 AFM：无沉降液态金属柔性仿生传感器

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液态金属弹性体（LME）是一种具有电、介电和热性能的柔性材料，在柔性传感器、智能座舱、软体机器人、可穿戴设备和人机界面等多个领域具有广泛应用。LME存在两个亟需解决的关键问题：1）液态金属（LM）颗粒在弹性体固化之前沉降，降低了柔性电子器件的介电与导热性能；2）液态金属颗粒需要外力产生导电通路，降低了柔性电子器件的稳定性。

图1. 仿石榴果实的LMEP制备图及其性能表征

（a）石榴果实光学照；（b）石榴果实结构图；（c）LME和LMEP制备流程图；（d）Φ_PPs=20%时，不同液态金属体积分数下LMEP的电阻值；（e）LMEs和LMEPs的介电常数曲线图；（f）Φ_PPs=30%时，不同液态金属体积分数下LMEP的热导率 

近期，太原理工大学机械与运载工程学院张东光团队仿石榴果实结构（图1a、b），将聚二甲基硅氧烷颗粒（PPs）引入到液态金属弹性体（LME）中，研制出一种无沉降、低成本、低密度的液态金属弹性体（LMEP）（图1c）。PPs与LM在LMEP内部产生阻塞效应，避免了LM颗粒的沉降。同时，阻塞效应会在LMEP铸造过程打破LM颗粒之间的绝缘层，形成不需要“机械烧结”的LMEP导体。通过改变LM、PDMS和PPs的体积分数，研究了不同配比LMEP的力电热学特性（图1d-f，图2b、c、e、f）。基于此制备了柔性电容式（图2a）、电阻式力学传感器（图2d）、柔性热导体和柔性电路(图3)。

图2. 基于LMEP的传感器

（a）LMEP电容式传感器示意图；（b）应变-电容变化率图像；（c）LMEP(Φ_LM=Φ_PPs=30%)在不同测速下的电容变化率图像；（d）LMEP电阻式传感器示意图；（e）LMEP拉伸应力应变曲线；（f）不同应变下的电阻变化率图像

图3. 不同衬底上的LMEP柔性电路

（a）PDMS衬底；（b）Ecoflex衬底；（c）特氟龙板和特氟龙胶带

该工作以“Segregated and Non-settling Liquid Metal Elastomer via Jamming of Elastomeric Particles”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。太原理工大学张东光副教授、吴亚丽副教授、西安科技大学杨嘉怡副教授为论文共同通讯作者，太原理工大学研究生薛小婷为文章第一作者。该工作得到国家自然科学基金的支持。

在过去两年中，团队在柔性传感器领域展开了一系列研究。针对电容式柔性压力传感器高灵敏度与大压力测量极限之间的矛盾，在弹性空腔体中加入玻璃球研制了被动阻塞干扰的压力传感器（DOI：10.1002/admt.202100106），并探索了颗粒阻塞机理。制备了仿人体皮肤的双层液态金属弹性体泡沫，实现了柔性压力传感器的高动态范围（DOI：10.1002/admt.202101074）。受捕蝇草感官毛出色的应力响应启发，设计了一种基于微结构和柔性填料的电容式压力传感器，提高了传感器的灵敏度（DOI：10.1016/j.compscitech.2021.109066）。针对应变传感器通常无法识别法向与压向应力，设计了一种法向压力不敏感的液态金属叉指电容传感器（DOI：10.1002/aisy.202100201）。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210553

点击下方“阅读原文”可下载该篇论文。

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