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港中深朱世平和張祺團隊 Adv. Mater.：用于寬范圍、自阻尼壓力傳感的微相分離介電凝膠

2023-12-05 來源：高分子科技

柔性壓力傳感器具有靈敏度高、穩定性強、界面兼容性好等諸多優勢，在電子皮膚、生物醫學設備、人機交互、人工智能等眾多領域有巨大的應用價值。然而，當前柔性壓力傳感易受環境干擾，物體表面的振動常常會在輸出信號中產生不規則的噪聲，且會縮短器件使用壽命，已成為傳感器領域的一大難題。目前常用的解決方法是結合輔助阻尼元件（例如濾波電路）來削弱振動造成的影響。然而這種方案不僅增加了設備的復雜性和成本，在某些情況下可能使信號波形失真，甚至導致信息丟失。因此，開發具有良好減振性能、能夠簡化設備并在復雜環境下實現高精度壓力傳感的傳感材料具有很大的挑戰性。

近日，香港中文大學（深圳）理工學院朱世平和張祺團隊報道了一種具有微相分離的介電凝膠，該凝膠具有介電常數大、壓縮強度高、力學遲滯低、阻尼效果好等優點，使其可以用于開發同時具有寬檢測范圍和自阻尼效果的柔性壓力傳感器。這種材料的設計思路是在傳統的介電凝膠中引入微相分離并控制相分離的程度，使其壓縮強度和阻尼效果提升的同時，維持較低的力學遲滯。使用具有高介電常數的氟代碳酸乙烯酯（FEC）作為溶劑，將疏溶劑單體（丙烯酰胺）和親溶劑單體（丙烯酰嗎啉）在溶劑中共聚即可將微相分離原位引入介電凝膠中，通過調節丙烯酰胺的質量分數可以實現對相分離程度的控制（圖1）。

圖1 微相分離介電凝膠的制備和表征

隨著引入丙烯酰胺質量分數的增加，凝膠的壓縮強度不斷提升，但隨之而來的是力學遲滯的增大與介電常數的下降。因此，引入較低質量分數（6 wt%）的丙烯酰胺既可以提高凝膠的壓縮強度，同時也可以保持較低的力學遲滯以及較高的介電常數（圖2）。

圖2 微相分離介電凝膠的力學和介電性質

相比于傳統的介電凝膠，微相分離可以使得聚合物鏈之間的纏結更緊密，鏈間摩擦更激烈，因此微相分離的引入可以使材料更好地損耗能量，凝膠的阻尼性能也得到了極大的提升（圖3）。

圖3 微相分離介電凝膠的阻尼性能

基于制備得到的介電凝膠，進一步成功開發出了具有寬檢測范圍和自阻尼效果的柔性壓力傳感器（圖4、圖5）。該柔性壓力傳感器的檢測下限低于1kPa，同時可檢測超過1MPa的應力，在不同溫度下均展現出良好的響應性能。相比基于傳統介電凝膠的器件，基于微相分離凝膠的壓力傳感器可以在不同的振動表面上均展現出高信噪比，具有很高的實用價值。

圖4 基于微相分離介電凝膠的柔性壓力傳感器對不同應力的響應曲線

圖5 基于微相分離介電凝膠的柔性壓力傳感器的自阻尼效果展示

研究表明，利用組分之間的混溶性差異，微相分離被原位引入介電凝膠中，使得制備出的凝膠同時具有高介電常數、高壓縮強度和優越的阻尼性能。基于微相分離介電凝膠的壓力傳感器具有低檢測下限、寬檢測范圍和穩定的傳感性能，并且能夠有效地抑制實際場景中的振動對傳感器的影響。該研究為柔性電子、生物醫學設備和智能傳感器等領域的研究提供了新的思路。

這一成果以“Dielectric gels with microphase separation for wide-range and self-damping pressure sensing” 為題發表于Advanced Materials期刊，該論文的第一作者為香港中文大學（深圳）理工學院的博士生張長庚，共同作者為王鎮武博士和朱賀助理教授，通訊作者為香港中文大學（深圳）理工學院的朱世平教授和張祺助理教授。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308520

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（責任編輯：xu）

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