瞿金平院士/吴婷副教授《NML》：仿生超疏水柔性应变传感器——用于液体泄漏的实时无线检测

流体输运管道网络的正常运转是居民生活和工业生产的重要保障。然而，因长期使用、腐蚀、自然灾害或人为破坏引发的管道泄漏，往往导致巨大的资源浪费、公共安全隐患和生态破坏。当前的泄漏检测技术主要依赖声学检测、光纤检测、红外检测和雷达检测等技术手段，但这些方法成本高、监测范围有限、对微小液体泄漏不敏感，且难以实现实时监测。因此，亟需开发一种高效、低成本、覆盖范围广且具备实时监控能力的新型检测技术，以增强应对突发管道泄露事件的能力。聚合物基柔性应变传感器能够实时将外力变化转化为电信号，具有高灵敏度和柔韧性的优势，在液体泄漏检测方面展现出巨大潜力。然而，如何将这种传感器用于管道的实时无线泄漏检测，同时实现灵敏度、耐久性和批量生产之间的最佳平衡，仍是一个重大挑战。

受蝎子卓越感知能力的启发，华中科技大学瞿金平院士/吴婷副教授联合香港城市大学胡金莲教授，通过微挤注压缩成型结合表面修饰的方法，开发了一种仿生超疏水热塑性聚氨酯/碳纳米管/石墨烯纳米片柔性应变传感器（TCGS）（图1）。该传感器由微孔、裂纹和超疏水导电涂层三级结构组成，能够在不同方向的外力作用下产生变形，并通过表面结构和内部结构导电网络的协同变化，实现对微小应变的高灵敏度响应（图2）。

图1 仿生超疏水柔性应变传感器的制备流程

图2 仿生超疏水柔性应变传感器的微观结构表征和机械性能

相较于传统的聚合物基微孔或裂纹传感器，TCGS利用阿基米德螺旋裂纹阵列和微孔的协同效应，展现出超高的灵敏度和稳定性。在2%应变下，其灵敏度达到218.13，比单一微孔结构的传感器提高了4300%。此外，该传感器具备优异的耐久性，可承受超过5000次循环使用（图3）。TCGS的超疏水导电表面显著提升了湿润环境中液体泄漏检测的灵敏度和稳定性，使其能够精确监测不同尺寸、速度和成分的液体泄漏，并确保在多种液体环境中具备出色的灵敏度和准确性（图4）。

图3 仿生超疏水柔性应变传感器的传感性能和工作机制

图4 仿生超疏水柔性应变传感器的润湿性能以及对不同液滴的响应信号

进一步，将TCGS集成到泄漏检测装置中后，可实现对液体泄漏的实时无线监测，适用于从微小液滴到大流量的多种泄漏场景，并提供即时警报（图5）。该高灵敏度泄漏检测装置在管道网络中具有广泛应用前景，能够快速响应泄漏事件、防止资源浪费，有效降低安全风险，推动可持续发展。

图5 仿生超疏水柔性应变传感器在液体泄漏实时无线检测方面的应用

相关工作以Bioinspired ultrasensitive flexible strain sensors for real-time wireless detection of liquid leakage为题发表在《 Nano-Micro Letters 》上。

瞿金平院士华中科技大学团队自2019年组建至今，主要围绕多相多组分体系传递与反应过程强化、生态难消纳物质绿色化替代与再利用、功能材料绿色高效制造与产业化应用开展相关研究工作。团队与国内外众多高校、研究机构和企业保持密切合作，目前在研纵向和横向项目多项，拥有一批先进的高分子材料合成、加工和测试表征仪器设备，具备完善的研究设施和科研条件。团队常年招收硕士研究生、博士研究生、科研助理、机械工程师和博士后（tingwu@hust.edu.cn）。

吴婷，华中科技大学化学与化工学院副教授，长期致力于聚合物成型加工新方法与仿生功能高分子复合材料研究，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett 、ACS Nano、Nano Energy、Small、Chem. Eng. J.等期刊上发表SCI收录论文40余篇，其中一作/通讯SCI论文30余篇，4篇入选ESI Top 1%高被引，1篇入选热点论文，研究成果被《科技日报》多次报道，申请发明专利16件，授权发明专利6件，主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划项目子课题、湖北省自然科学基金青年项目等国家/省部级科技项目5项，主持横向项目3项，现任《Biomimetics》客座编辑、《Journal of Bionic Engineering》和《塑料工业》青年编委。

文章连接：
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01575-2

来源：高分子科学前沿

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