南科大郭传飞、西交大韦学勇、中国商飞陈迎春等《自然·通讯》：柔性离电型智能蒙皮的航空压力测试应用

航空压力测试技术是航空领域的关键技术，其在飞行器气动外形优化、气动载荷和升阻力测量、飞行状态测量等方面有极其重要的作用，并广泛应用于飞行器的设计和飞行器的飞行参数测量。由于空气湍流、分离流、激波干扰或其他环境条件的影响，飞行器的表面会经历动态和微妙的压力变化，既有正压、也有负压，这对压力传感器的性能提出了很高的要求。基于柔性压力传感器的智能蒙皮可以与飞行器的曲面完美融合，在不改变飞行器自身结构和周围流场工况下进行飞行器翼面风压测量，并实现实时反馈，是航空压力测试技术的理想解决方案。然而，已有的翼面航空压力传感蒙皮的灵敏度低、量程小，对负压的测量能力十分有限，应用范围局限于低速风洞和低速飞行器，亟需开发灵敏度高、量程大，并可同时测量正压和负压的柔性压力传感器。

为了解决这一问题，南方科技大学郭传飞教授、西安交通大学韦学勇教授、中国商用陈迎春教授提出了一种高性能智能蒙皮，其包含两种离电型柔性压力传感器，分别用于负压传感和正压传感。该智能蒙皮可以在极宽的压力范围内工作，其中负压器件在−100 kPa到−10 Pa的压力范围可识别−20 Pa的微小负压变化（压力分辨率为0.025%），正压器件在600 kPa内的压力分辨率为100 Pa（0.025%）。正压器件还具有快速的响应速度，可以监测频率高达400 Hz的翼面振动信号。进一步，该研究将智能蒙皮与采集电路贴附于模拟翼型表面，实现了不同风速和不同攻角下机翼表面压力的实时测量，展示了这种器件在室温风洞的应用潜力。该研究以题为“High-resolution flexible iontronic skins for both negative and positive pressure measurement in room temperature wind tunnel applications”的论文发表在《Nature Communications》上。

与机器人或可穿戴医疗等许多其他领域的压力传感不同，翼面风压传感需要同时测量外界负压与正压变化。研究团队将传感器内部腔室完全密封，使该腔室的压力与周围空气压力平衡，并通过控制传感器的离电界面的接触状态分别实现负压和正压传感（图1）。在负压器件中，离子凝胶膜较厚，可以与电极充分接触，从而引入高达一个大气压的预压力，这对其检测负压的能力至关重要。施加在负压器件上的外部负压降低了离子凝胶与电极之间的界面接触压力，导致器件离电界面的接触面积和输出电容减小。相比之下，正压器件使用更薄的离子凝胶膜，因此电极最初不与离子凝胶接触，使得这种装置只能对正压力作出响应。此外，作者还探讨了传感器的离电子界面微结构对器件传感性能的影响，采用仿真与实验分析了界面微结构组合的理想形态。

图1. 负压器件与正压器件的结构与传感原理

除了传感器结构和界面微结构的设计，本研究还对离子凝胶的性能进行了合理的定制。由聚偏二乙烯-氟-共六氟丙烯(P(VDF-HFP))、聚氨酯(PUA))和离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑-双(三氟甲基磺酰)-酰亚胺([EMIM][TFSI]))组成的双网络离子凝胶可以很好地平衡灵敏度和压力响应范围，并能抑制现有离子凝胶中经常出现的离子泄漏(图2)。优化后的双网状离子凝胶的电导率为8.07×10−2 S·m−1，断裂能可达到427.1 J·m−2，且在1 MPa循环压力下表现出良好的抗疲劳性以及环境相对湿度不敏感等特性。这些特性保证了传感器的长期稳定运行。

图2. 双网络离子凝胶的性能表征

研究人员对封装后的负压器件与正压器件的输出特性进行了表征。负压器件在−100 kPa到−10 Pa的压力范围内的灵敏度不低于1.58×103 pF·kPa−1，压力分辨率为−20 Pa（0.025%）。循环压力变化与弯曲应变实验验证了该器件具备长期稳定工作以及曲面贴附能力。正压器件的响应范围达到600 kPa，其在高压下的灵敏度不低于4.21×102 pF·kPa−1，压力分辨率为100 Pa（0.025%）。正压器件在加载和卸载时的响应时间为0.9 ms，弛豫时间为1.8 ms，满足航空压力装置的响应速度测试需求。该器件还可以响应静压与400 Hz振动的叠加信号，可用于监测飞行器的多种振动信号。

图3. 负压器件的性能表征

图4. 正压器件的性能表征

风洞试验（流场速度1.2~12.5 m∙s−1，机翼攻角0°~ 35°）表明，该蒙皮具有很高的测量精度，能够识别流场风速以及机翼攻角的变化，与商用传感器的测量结果一致。作者采用多通道同步采集电路监测沿翼弦的整体表面压力分布，获得不同条件下机翼的升力幅值，继而分析飞行器状态与飞行稳定性。

图5. 风洞试验测量不同流场速度与攻角下的翼面风压

总结：通过结构设计以及材料优化，研究团队开发了一种针对正/负风压测量的宽范围与高压力分辨率的离电型柔性智能蒙皮。风洞模拟验证了该柔性离电型器件可用于实时的机翼表面风压的空间分布测试，拓宽了离电型柔性压力传感器件的应用领域。利用这种蒙皮测量空气动力学参数的方法，有望用于辅助飞行器设计等应用。

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原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51415-5

来源：高分子科学前沿

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