ACS AMI | 基于金/石墨烯多级裂纹薄膜的高性能应变传感器

英文原题：High-Performance Strain Sensors Based on Au/Graphene Composite Films with Hierarchical Cracks for Wide Linear-Range Motion Monitoring

通讯作者：龚德，北京航空航天大学

作者：Xiang Cheng (程翔), Jun Cai (蔡军), Jiahua Xu (徐嘉华), De Gong (龚德)*

背景介绍

智能皮肤/蒙皮作为柔性可穿戴设备、仿生机器人和智能飞行器的感知“器官”，在本体状态监测、预测及反馈控制中起着关键作用。其中，在应变监测方面，基于纳米材料薄膜的可拉伸柔性应变传感器在灵巧性和适应性上具有独特优势，近年来相关领域取得较大进展。但智能传感器反馈控制系统通常需要针对多种不同程度的应变信号进行集成式监测，而现有可拉伸传感器大多存在线性度低、稳定性差等缺陷，特别是难以满足同时对小应变和大应变进行宽量程线性监测的需求。近年来迅猛发展的纳米复合材料及仿生多级结构为解决该难题提供了新思路。

图1. 基于金/石墨烯多级裂纹薄膜的高性能应变传感器概念图

文章亮点

近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院蔡军研究员课题组在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了基于金/石墨烯多级裂纹薄膜的多功能高性能应变传感器相关研究。文中对其制造工艺、应变传感性能及多场景应用潜力进行了探讨。研究中，课题组采用液面自组装法制备石墨烯膜，通过提拉镀膜机将其转移至PDMS柔性基底，并溅射复合纳米金层，最后通过施加预拉伸应变引入多级裂纹结构，批量制备可图案化设计的柔性复合薄膜应变传感器。自组装石墨烯作为中间层，其褶皱结构在小应变下为初始裂纹的产生提供了丰富的孕育点，又在大应变下抑制了其破坏性裂纹扩展，在多级裂纹形成中起主导作用。通过对裂纹结构的统计学观测、压阻传感特性综合测试及理论模型分析，揭示了复合薄膜（Au/Graphene Composite Film，AGCF）分形结构多级裂纹的形成过程及其线性传感机理。基于上述AGCF的可拉伸应变传感器具有卓越性能：在宽量程（0-20%）内拥有稳定的高灵敏度（GF~153）、良好的线性（R²~0.9975）、超低过冲（20%时约1.7%）、快速响应（<42.5 ms）及优异的循环稳定性（1500次）。另外，借助快速可控图案化薄膜成形工艺，AGCF应变传感器的灵敏度可通过图案化设计进一步提升（GF~320）。

图2. AGCF应变传感器的制备及表征

图3. AGCF应变传感器的压阻传感特性

总结/展望

课题组基于具有多级裂纹结构的金/石墨烯复合薄膜，开发了具有高灵敏度和良好线性的可拉伸压阻式应变传感器，揭示了其优异传感特性。本文提出的非侵入式薄膜传感器可准确可靠地进行大量程应变线性监测，在可穿戴健康监测平台或仿生机器人中应用潜力巨大。由于该传感器高效可扩展的制造方法，可集成于智能传控系统电子元件的标准生产线，有望推动未来多功能智能皮肤/蒙皮的发展。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，北京航空航天大学博士研究生程翔为第一作者，北京航空航天大学卓越百人博士后龚德为通讯作者。

作者信息

蔡军 研究员

蔡军（课题组负责人），北京航空航天大学机械工程及自动化学院，研究员，博士生导师，全国百篇优博论文、教育部新世纪优秀人才、国家自然科学基金优青基金获得者。课题组主要从事生物加工成形、仿生微纳制造、电磁功能材料、柔性智能传感及微流控芯片领域相关研究，致力于基于微生物模板的生物制造新方法，在轻质高强电磁吸波材料、柔性导电屏蔽材料、磁性微纳米机器人等领域做出系列开创性工作。目前已发表包括Adv. Funct. Mater.、 Small、 Adv. Optical Mater.、 ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊在内的SCI论文近80篇，授权国家发明专利10余项。

龚德 博士后

龚德（通讯作者），北京航空航天大学机械工程及自动化学院，卓越百人博士后，主要研究方向为生物加工成形、微纳米机器人、柔性智能传感、电磁功能材料。目前已发表包括ACS Appl. Mater. Interfaces、 Mater. Today Chem.、 Sci. Rep.、 Appl. Phys. Lett.等期刊在内的SCI论文10余篇，授权国家发明专利多项。

程翔 博士生

程翔（第一作者），北京航空航天大学机械工程及自动化学院，博士生，主要研究方向为智能传感材料器件、蒙皮健康监测技术。

ACS Applied Materials & Interfaces. 2022, ASAP

Publication Date: August 21, 2022

https://doi.org/10.1021/acsami.2c10226

Copyright © 2022 American Chemical Society