近日，南洋理工大學周琨教授團隊討論了應變傳感器靈敏度和傳感范圍之間的權衡，同時通過創新的 4D 打印方法引入了附加功能。由此產生的超柔性傳感器將碳納米管/液態金屬混合物和鐵粉集成在生態彈性體矩陣中。通過對該成分進行優化，可以制造出非常適合直接墨水寫入 (DIW) 的未固化樹脂以及具有卓越機電、熱和磁性能的固化傳感器。值得注意的是，該傳感器實現了 350% 的寬線性應變范圍，并保持穩定的19.8 應變系數，提供 0.1% 應變的超低檢測限和 83 毫秒的快速響應時間。除了卓越的應變傳感能力之外，該傳感器還具有出色的耐熱性（可耐受超過 300 °C 的溫度）、增強的導熱性以及一致的電阻-溫度關系，非常適合高溫應用。此外，鐵顆粒的包含提供了磁響應性，從而能夠在位置和速度檢測中協同應用，特別是在家庭護理中。利用 DIW 有助于使用多種功能材料創建復雜形狀的傳感器，從而顯著拓寬傳感器的功能。增材制造和多功能材料的融合標志著跨不同領域提升下一代傳感器性能的變革性一步。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202411584

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圖1. LM@CNTs 混合物的表征。a) 4D 打印傳感器的多功能性。b) LM 和 CNT 之間相互作用的示意圖。c) SEM和d) LM@CNTs混合物的TEM圖像（LM:CNTs = 80:1重量比，下同）。e) 單個 LM 粒子的 TEM 圖像。f) LM@CNTs 混合物的 EDS 圖。g) CNT和LM@CNT的XRD譜。h) XPS 譜和 i) 高分辨率 Ga 2p 和 j) O 1s。

圖2. LM@CNTs/Fe/Ecoflex 油墨固化前后的基本特性。a) 不同組合物中樹脂的成型能力和固化能力。b) 未固化的 Ecoflex 和 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 墨水的粘彈性行為。c) DIW 擠壓 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 樣品和長絲的結構示意圖。d) LM@CNTs/Fe/Ecoflex 樣品低溫破裂表面的 SEM 圖像和 (e-e3) EDS 圖。f) Ecoflex 和 LM@CNTs/Fe/Ecoflex 樣品的拉伸曲線。g) LM@CNTs/Fe/Ecoflex 在 50% 至 200% 各種應變下的第一個應變-應力循環。h) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 樣品在 50% 應變下進行 1000 次拉伸和釋放循環的長期力曲線。i) LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 在第 1、5、10、50、100 和 1000 次拉伸和釋放循環中的力-應變循環。

圖3. LM@CNTs/Fe/Ecoflex 傳感器的傳感特性。a) 不同CNT含量的傳感器的電阻率。b) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器的相對電阻-應變曲線。c）LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex傳感器在各種應變從10%到200%、應變率為2 mm·min?1的循環拉伸下的相對電阻響應。d) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器在 2 至 16 mm·min?1 不同應變率下 100% 循環拉伸下的相對電阻響應。e) 拉伸的響應時間。f) 微小應變循環拉伸下的相對電阻變化范圍為 0.1% 至 0.5%。g) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex傳感器在50%應變下進行2500次拉伸和釋放循環的長期耐久性測試。插入圖顯示了 1500-1510 個周期的詳細信息。h) GF 在最寬的線性應變范圍內與最近報道的 15 個應變傳感器的比較。i) 不同手勢的反應和 j) 不同喉嚨運動的反應。k) 肘部彎曲不同角度的響應。l) 膝關節在不同動作下的反應。

圖4. LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器的熱性能。a) Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 從 50 到 800 °C 的 TGA 曲線。b）Ecoflex和LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex從-70°C到70°C的DSC曲線。c) Ecoflex、LM/Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的導熱率。d) Ecoflex 薄板 (106 × 106 × 21 μm)、e) LM/Ecoflex 和 f) LM@CNTs/Ecoflex 在 120 °C 加熱臺上的模擬熱平衡。g) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 在 36 和 175 V 電壓下的溫度-時間曲線。h) LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 的相對電阻-溫度曲線。i) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的熱耐久性測試，在-20°C 至室溫 (RT) 之間進行 30 個循環。j) LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的熱耐久性測試，在 RT 至 120 °C 之間進行 30 個循環。k) Ecoflex、LM@Ecoflex 和 LM@CNTs2.5/Fe/Ecoflex 的 HRR 曲線。l) Ecoflex、LM@Ecoflex 和 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 的 THR 比較。

圖5. LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器的磁性能。a）“爬行毛毛蟲”場景，b）專門設計的樣品在磁場引導下像毛毛蟲一樣移動。c）“游動的魚”場景，攜帶電線的多材料打印魚在磁場引導下“游動”（d1）向前、（d2）向后、（d3）向左和（d4）向右水和(e)形成回路。f) “球通過迷宮”場景，其中攜帶電線的樣品球在磁場的引導下穿過迷宮，形成電路。g) 基于磁性的汽車定位和速度檢測的示意場景。h) 不同速度下汽車的電響應。i) 弱勢老人和兒童家庭監測應用示意圖。

結論

總之，這項工作通過將 CNT、LM 和鐵粉合并到 Ecoflex 基質中，提出了一種柔性應變傳感器 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex。通過仔細控制成分，制備了適合 DIW 的具有強剪切稀化行為的未固化樹脂，以及具有優異機電、熱和磁性能的固化傳感器。實現了 350% 的寬線性應變范圍和 19.8 的穩定高 GF，以及 0.1% 應變的超低檢測限和 83 ms 的低響應時間。此外，該材料還表現出引人注目的熱性能，表現出耐高溫（>300°C）、改進的導熱性和線性電阻-溫度關系。這些特性使 LM@CNTs-2.5/Fe/Ecoflex 傳感器成為高溫應用的有希望的候選者。最后，鐵顆粒的添加賦予材料很強的磁響應性。磁性和應變傳感的協同組合使該傳感器適用于位置和速度檢測，這表明其在家庭護理中的潛在應用。此外，借助DIW，可以制造具有復雜形狀和多種功能材料的傳感器，從而顯著擴展傳感器的功能和潛在應用。總體而言，傳感器對溫度和磁場的動態自適應響應確保了在不同環境條件和應用中的可靠性能，展示了 4D 打印的優越性。因此，我們預計增材制造技術與多功能材料的結合將大大提高下一代傳感器的性能。

審核編輯 黃宇