本文亮點(diǎn)

1.EHD制備：通過電流體動(dòng)力學(xué)直寫制備高熵合金纖維，并在納米尺度上對其進(jìn)行金屬化處理，在聚合物納米纖維內(nèi)部形成均勻的高熵合金晶格。

2.溫度免疫：具有較低的電阻溫度系數(shù)(45.59 ppm K?1)以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性(6000次循環(huán))，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的應(yīng)變測量。

3.精確穩(wěn)定：應(yīng)用于可穿戴的人體關(guān)節(jié)監(jiān)測及機(jī)器人抓取，在復(fù)雜的熱環(huán)境中具有極高的可靠性和精準(zhǔn)的響應(yīng)能力。

研究背景

溫度穩(wěn)定性對于柔性傳感器的測量精度至關(guān)重要。然而，與剛性器件不同，柔性傳感器尺寸小巧且制備于柔性基底之上，難以有效隔絕外界熱干擾，導(dǎo)致其極易受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。主要表現(xiàn)為基線漂移、噪聲放大和動(dòng)態(tài)測量誤差，已成為制約柔性傳感器廣泛部署的主要障礙。然而，常規(guī)研究往往側(cè)重于異質(zhì)材料的溫度補(bǔ)償策略，卻忽視了多組分協(xié)同過程中因熱響應(yīng)不一致導(dǎo)致的長期有效性問題。因此，如何實(shí)現(xiàn)本征穩(wěn)定的溫度免疫特性，賦予柔性傳感器在溫度波動(dòng)下的精準(zhǔn)感知能力，是通往實(shí)用化道路上一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的課題。

內(nèi)容簡介

針對傳統(tǒng)柔性傳感器難以擺脫溫度干擾、依賴異質(zhì)材料復(fù)合補(bǔ)償卻面臨長期穩(wěn)定性不足的瓶頸，廈門大學(xué)鄭高峰團(tuán)隊(duì)跳出“材料復(fù)合”的固有框架，提出了一種基于高熵合金本征溫度免疫特性的設(shè)計(jì)新思路。通過借助電流體動(dòng)力學(xué)直寫技術(shù)，將高熵合金鹽與聚合物共混紡絲，構(gòu)建前驅(qū)體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。再經(jīng)退火金屬化處理，在納米纖維內(nèi)部形成均勻的高熵合金晶格，協(xié)同實(shí)現(xiàn)了聚合物的可拉伸性與高熵合金低電阻溫度系數(shù)的巧妙結(jié)合。該策略無需復(fù)雜的多層復(fù)合或異質(zhì)補(bǔ)償設(shè)計(jì)，僅通過高熵合金的本征材料特性，同步解決了溫度干擾與長期穩(wěn)定性兩大核心瓶頸，為開發(fā)適應(yīng)復(fù)雜熱環(huán)境的下一代柔性傳感提供了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)路徑。

圖文導(dǎo)讀

I電流體動(dòng)力學(xué)直寫與電紡共同制備

如圖1所示，通過電紡直寫與靜電紡絲結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高熵合金納米纖維的沉積與柔性基底制備與集成。得益于高熵合金獨(dú)特的嚴(yán)重晶格畸變與化學(xué)無序特性從物理本源上抑制了電阻的熱致漂移。而電場誘導(dǎo)的纖維成型過程，則為多組元在納米纖維中的均勻分布提供了保障，構(gòu)筑出兼具優(yōu)異柔韌性與穩(wěn)定導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。相關(guān)表征示意圖在圖2中展示。

圖1. 溫度免疫高熵合金應(yīng)變傳感器的制備原理及應(yīng)用研究。

圖2. 傳感器制備工藝及微觀形貌表征。

II本征熱穩(wěn)定性與靈敏度可調(diào)控的協(xié)同設(shè)計(jì)

得益于高熵合金多主元組分帶來的嚴(yán)重晶格畸變效應(yīng)與化學(xué)無序特性，有效抑制了電子-聲子彈性散射，從物理本源上削弱了電阻對溫度的敏感性，從而表現(xiàn)出顯著低于單一主元纖維的電阻溫度系數(shù)和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過XRD與SAED分析證實(shí)了纖維內(nèi)形成了多種面心立方物相，拉曼光譜中觀察到的聲子紅移與寬化現(xiàn)象則進(jìn)一步揭示了聲子軟化效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該高熵合金傳感器的電阻溫度系數(shù)(TCR)低至45.59 ppm/K，遠(yuǎn)優(yōu)于單一主元纖維。在此基礎(chǔ)上，通過電液動(dòng)力學(xué)直寫技術(shù)制造了具有回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，其幾何參數(shù)(如轉(zhuǎn)角半徑、圈數(shù))可通過有限元模擬進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)變集中區(qū)域的調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到靈敏度系數(shù)的可控調(diào)節(jié)。這種材料本征穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性的協(xié)同，為寬溫域下高精度應(yīng)變檢測奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖3. 高熵合金纖維的晶體結(jié)構(gòu)表征及低電阻溫度系數(shù)特性。

III高熵合金傳感器的綜合性能

高熵合金應(yīng)變傳感器在寬溫域(-10℃至70℃)及大應(yīng)變(50%)范圍內(nèi)展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性與可靠性。如圖4c所示，在0℃、20℃、40℃及60℃不同溫度下進(jìn)行的30%應(yīng)變拉伸-回復(fù)測試中，電阻變化曲線高度重合，響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定在310 ms(上升沿)與350 ms(下降沿)，充分驗(yàn)證了其溫度免疫特性。在6000次連續(xù)拉伸循環(huán)后(圖4h)，傳感器性能衰減高度可控，證實(shí)了材料優(yōu)異的損傷容限與長期穩(wěn)定性。傳感器在復(fù)雜熱環(huán)境與循環(huán)加載場景中展現(xiàn)出突出的應(yīng)用潛力，為后續(xù)可穿戴監(jiān)測與機(jī)器人抓取應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖4. 高熵合金應(yīng)變傳感器和溫度穩(wěn)定性和應(yīng)變性能。

IV穿戴監(jiān)測與機(jī)械手抓取

圖5展示了該柔性應(yīng)變傳感器在可穿戴監(jiān)測與機(jī)器人抓取中的應(yīng)用。在人體關(guān)節(jié)監(jiān)測中，傳感器緊密附著于手腕、手指等多處動(dòng)態(tài)部位，實(shí)時(shí)響應(yīng)關(guān)節(jié)彎曲引起的電阻變化，并在10℃與30℃溫度波動(dòng)下保持信號一致、無基線漂移。在圖6的機(jī)器人手抓取測試中，傳感器在10℃、30℃及50℃環(huán)境溫度下重復(fù)抓取物體，信號重復(fù)性良好且誤差極低；動(dòng)態(tài)變溫實(shí)驗(yàn)中，抓取與釋放對應(yīng)的電阻峰清晰穩(wěn)定，無明顯漂移。結(jié)果表明，該傳感器在復(fù)雜熱環(huán)境下具備優(yōu)異的溫度不敏感性與環(huán)境適應(yīng)性，為多變熱工況下的高精度應(yīng)變監(jiān)測提供了可靠技術(shù)支持。

圖5. 應(yīng)變傳感器在可穿戴系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖6. 應(yīng)變傳感器在機(jī)械手應(yīng)力檢測系統(tǒng)的應(yīng)用。

V總結(jié)

本研究基于電液動(dòng)力學(xué)直寫技術(shù)，研制出一種具有本征溫度免疫特性的FeCoNiMnZn高熵合金柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器在50%應(yīng)變下靈敏度因子達(dá)1.12，響應(yīng)時(shí)間僅310 ms，經(jīng)6000次循環(huán)拉伸無基線漂移，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。得益于高熵合金固有的晶格畸變與聲子軟化效應(yīng)，器件在-10℃至70℃寬溫區(qū)內(nèi)電阻溫度系數(shù)低至45.59 ppm/K，確保了溫度波動(dòng)下的信號穩(wěn)定性。其溫度免疫特性與柔韌性使其在人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、可穿戴健康監(jiān)測及機(jī)器人操控等多場景中實(shí)現(xiàn)可靠應(yīng)變感知，彰顯了在復(fù)雜條件下的適應(yīng)性。

將高熵合金構(gòu)建為熱穩(wěn)定導(dǎo)電骨架的策略，為突破傳統(tǒng)復(fù)合材料補(bǔ)償方法的局限提供了可行路徑。此外，作為一種直寫技術(shù)，該制備方法與噴墨打印、卷對卷制造等成熟工業(yè)工藝高度兼容，無需復(fù)雜轉(zhuǎn)移步驟即可無縫集成于現(xiàn)有柔性電子產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)圖案化電路制備。

綜上，本研究不僅推動(dòng)了本征穩(wěn)定柔性傳感器的發(fā)展，也為能在熱動(dòng)態(tài)環(huán)境中長期運(yùn)行的下一代可穿戴電子與柔性傳感系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

來源：納微快報(bào)