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北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

2018-09-10 09:43来源:光明网

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  引言

  柔性应变传感器在运动检测、人机交互和可穿戴电子设备等领域具有潜在的应用价值,近年来逐渐成为传感器领域的研究热点。电阻式应变传感器由基底材料和导电活性材料构成,具有结构简单、制备方便、灵敏度高等优点。然而,目前报道的应变传感器,由于活性材料均一,导致其对水平与垂直方向的应变响应相似,无法通过电信号的变化分辨出施加应变的方向,限制了其在多维应变传感器中的应用。因此,开发性能优越的各向异性柔性应变传感器,对于促进可穿戴电子设备在多维应变检测与多轴人机交互等领域的大规模应用具有重要意义。

  成果简介

  近日,北京林业大学许凤教授团队通过简单、低成本的制备技术开发了一种基于碳化皱纹纸的柔性各向异性传感器。该团队以皱纹纸为原料,利用其有定向排列的纤维与皱纹结构,采用简单的高温碳化处理将其转变为导电网络,并保留了其各向异性的微观结构,进而通过PDMS封装制备了电阻式柔性各向异性应变传感器。经检测,该传感器除了在平行和垂直方向上表现出应变传感差异显著的灵敏度以外,还兼具优良的柔性、快速响应性、出色的可靠性和稳定性。该团队将柔性传感器用于运动检测及二自由度机械手的人机交互。发现两个各向异性应变传感器正交耦合后,在水平与垂直方向上的应变互不干扰,可实现多维应变传感及与二自由度设备的人机交互。

  相关成果发表在Wiley旗下的国际权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上,题目是“Flexible and Anisotropic Strain Sensor Based on Carbonized Crepe Paper with Aligned Cellulose Fibers”。 第一作者为许凤教授课题组的博士研究生陈胜,该研究得到了国家十三五重点研发计划项目的支持。《Advanced Functional Materials》是材料领域的国际顶级期刊,2017年最新公布的影响因子为:13.325。

  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201802547

  图文导读

  图1:碳化皱纹纸基柔性各向异性应变传感器制备过程及结构表征

北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

  a) 纤维素纤维的化学结构;

  b) 纸张在制备过程中,由于成形网与浆料喷射的速度差,实现纤维的定向排列;

  c) 纸张制备过程中的起皱处理,给予纸张瓦楞结构;

  d) 通过对皱纹纸的碳化和PDMS封装,得到柔性应变传感器;

  e, f) 皱纹纸碳化后发生皱缩,颜色变为黑色;;

  g)传感器在弯曲状态下仍然具有良好的导电性;

  h)碳化皱纹纸纤维随机无序排列且纸张表面平整;

  i, j)碳化皱纹纸纤维定向排列且具有瓦楞结构;

  k)皱纹纸碳化前后的拉曼光谱,表面皱纹纸在高温碳化过程中转变成了石墨化碳。

  图2:基于弯曲方向与纤维排列方向的关系所实现的传感器的四种弯曲模式。

北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

  a, b) 垂直拉伸与平行拉伸;

  c, d) 垂直压缩与平行压缩。

  图3:传感器的应变传感性能。

北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

  a)不同弯曲应变状态下的电流-电压曲线;

  b)传感器应变步进过程中的相对电阻变化;

  c)灵敏度;

  d, e)多次弯曲应变下传感器的相对电阻变化;

  f)不同弯曲频率下传感器的相对电阻变化;

  g)传感器稳定性与可靠性检测。

  图4:各向异性传感器作用机理。

北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

  a)纤维方向上,碳化纸具有瓦楞结构且导电纤维间接触面积大,平行拉伸后,瓦楞结构被拉平,纤维间发生相对滑动但仍然互相接触,电阻变化不明显;

  b)垂直纤维方向上,纤维间接触面积小,垂直拉伸后容易出现空隙,导致导电网络的破坏,电阻变化明显。

  图5:柔性应变传感器应用于运动检测。

北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

  a-d)传感器以不同模式固定在手腕上;

  e-f) 手腕的伸直与弯曲;

  g-h)手腕弯曲时传感器相对电阻变化。

  图6:各向异性应变传感器组装为多维应变传感器后应用于二自由度机械手的人机交互。

北京林业大学许凤教授Adv. Funct. Mater.:基于碳化皱纹纸的柔性各向异性应变传感器

  a)传感器通过微控制器与仿真机械手臂进行通信;

  b-d)两个各向异性传感器正交复合的照片与示意图;

  e-f)复合传感器控制仿真机械手臂分别发生偏转,实现了多轴人机交互。

  (供稿:北京林业大学宣传部)

[责编:白璐]

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