复旦武利民教授、李卓研究员团队《自然·通讯》:面向应变场监测的高灵敏度、高传感密度柔性应变传感阵列

在工程应用中，准确映射应变分布对于评估应力集中和估算疲劳寿命至关重要。目前应变分布测量主要依赖光学方法，但其容易收到光照条件的影响，且将光学数据转变为应变数据的计算量较大。如果能通过应变传感阵列原位测量应变分布则容易和直接得多。然而，现有的柔性应变传感器主要依赖三种机制来获得高灵敏度：复合材料的渗流机制、接触电阻变化和裂纹扩展带来的电阻变化。裂纹扩展型传感器只能监测垂直于裂纹方向的变形。为了监测来自各个方向的应变，通常需将多个传感器排列成应变花等对称结构，不可避免地增加了传感单元的尺寸而降低了传感密度。基于接触阻抗和渗流机制的传感阵列由于不同传感单元间的响应难以保证完全一致，也限制了传感密度。

研究团队在前期发现并构筑了具有Fowler-Nordheim (F-N) 量子隧穿效应、可大面积旋涂的高透明柔性压力传感器（Nature Communications,2020, 11, 3529；Advanced Materials, 2023, 35, 2210091）的基础上，进一步将F-N隧穿效应作为一种新机制引入到应变传感领域；提出了一种基于密堆积、粒径单分散的带刺纳米碳球的柔性应变传感薄膜。纳米球间的F-N隧穿效应使得传感器在0-60% 应变范围内具有超高的灵敏度（最高可达70000）和超过99% 的对数线性。进一步，作者还将密堆积的纳米碳球图案化形成超高传感密度（100 pixel cm-2）应变传感阵列。而其粒径的单分散性和密堆积结构也确保了阵列单元间的高度一致性（标准偏差 ≤ 3.82%），为应变场的高分辨率原位测量提供了一种直接而简便的方法，有望在生物力学、结构健康监测和软机器人等领域获得应用。该研究近日以题为“High-density, highly sensitive sensor array of spiky carbon nanospheres for strain field mapping”的研究论文发表在《Nature communications》上。复旦大学材料科学系武利民教授、李卓研究员为通讯作者，博士后梅述钘和直博生易浩琨为论文共同第一作者。复旦大学信息学院秦亚杰教授团队和华中科技大学郭家杰教授团队也参与了该项研究。

研究人员将单分散的空心带刺纳米碳球通过利用马兰戈尼效应，在气液界面自组装成密堆积的薄膜，转移至PVA牺牲层后，利用激光烧蚀工艺可实现应变传感薄膜阵列化，再将其转移至PDMS表面保证可拉伸性。并利用点胶布线工艺完成薄膜的电气互连。

图1. 传感器阵列制备与表征示意图

得益于带刺碳球的尖刺结构带来的F-N隧穿效应，这种应变传感薄膜大幅度提高了灵敏度和对数线性（R2>0.992）。

图2. 基于带刺纳米碳球/硅胶的应变传感单元传感性能表征

除了每个传感单元优异的传感特性，整个柔性应变传感阵列薄膜可以共形贴附在不同形状表面，以准确获知被测物体的应变分布。而且该阵列薄膜还具有超高的传感密度（100 pixel cm-2），以及优异的阵列单元间一致性（标准偏差≤3.82%）。其传感密度明显高于已报道的柔性应变传感阵列。

图2. 高传感密度应变传感阵列薄膜表征

为了验证应变传感阵列薄膜测试被测物体应变的准确性，作者选择了均匀拉伸、梯度厚度拉伸、带裂纹拉伸三种情况进行了应变分布测试，并用有限元分析（FEA）进行对照验证。实验证明该高分辨率的传感薄膜首次实现了对被测物裂纹尖端应变集中状态的精确测量。而利用进一步搭建的应变传感监测电路系统，可实现应变监测的可视化和实时信号处理，为工程应用提供了便捷。

图3. 不同应变状态被测样应变分布监测与FEA验证

相关工作得到了国家重点研发计划纳米专项（2022YFA1205200）、基金委创新研究群体（51721002）等的支持。

原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47283-8

来源：高分子科学前沿

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