近年來(lái)，由柔性聚合物基質(zhì)和多功能填料組成的彈性復合材料在電子皮膚、個(gè)性化醫療系統和軟機器人等領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。其中，電阻隨載荷變化的導電復合材料因其在壓力傳感應用中的潛力而備受關(guān)注。最近一些研究通過(guò)多孔結構設計降低復合材料的彈性模量，從而增加其在壓力下的變形，進(jìn)而提高壓力靈敏度。然而，即便最先進(jìn)的多孔復合材料也無(wú)法兼顧穩定的高壓力靈敏度和寬檢測范圍。

為解決這一難題，劍橋大學(xué)工程系Tawfique Hasan與贠國霖帶領(lǐng)的研究團隊最近開(kāi)發(fā)了一種兼具卓越壓力靈敏度和極寬動(dòng)態(tài)范圍的液態(tài)金屬多孔復合材料。這種材料基于圖1所示的尖刺鎳微粒和共晶鎵銦液態(tài)金屬微液滴組成的固-液混合顆粒網(wǎng)絡(luò )，以及互聯(lián)的微孔結構設計，實(shí)現了壓力下顯著(zhù)的電導率提升。

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圖1. 液態(tài)金屬多孔復合材料的制備過(guò)程

通過(guò)優(yōu)化材料組分和制備方法，該復合材料在寬壓力范圍內表現出了顯著(zhù)提高的靈敏度。如圖2所示，與先前的無(wú)孔復合材料相比，這種優(yōu)化的多孔復合材料在1 MPa壓力下表現出了七個(gè)數量級的電導率增長(cháng)，并在高達8.9 MPa的大壓力范圍內保持了高度線(xiàn)性的響應，線(xiàn)性度R2高達0.9992。除了高靈敏度、寬檢測范圍和高度線(xiàn)性的壓力響應，復合材料還在循環(huán)穩定性方面表現出色，傳感性能遠優(yōu)于最先進(jìn)的商用產(chǎn)品和已發(fā)表工作。

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圖2. 多孔復合材料的電導率-壓力曲線(xiàn)與周期測試結果

圖3的有限元數值模擬結果顯示了相同壓力下多孔復合材料顯著(zhù)的微觀(guān)結構變形與導電網(wǎng)絡(luò )增強。仿真結果與實(shí)驗數據相互印證，揭示了多孔材料卓越靈敏度的成因。

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圖3. 多孔復合材料的壓力感應原理與仿真

為直觀(guān)展示該復合材料的傳感性能，研究人員基于其開(kāi)發(fā)了壓力傳感器陣列。該傳感器陣列具有自校準功能，在長(cháng)時(shí)間循環(huán)載荷后仍保持穩定的傳感性能，優(yōu)于現有商用壓力傳感器。

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圖4. 多孔復合材料在壓力傳感器陣列中的應用

（視頻展示了傳感器陣列的自校準和動(dòng)態(tài)響應壓力分布檢測。）這項研究為可穿戴設備、柔性電子產(chǎn)品和軟機器人中高靈敏度壓力傳感器的應用開(kāi)辟了新的可能性。該多孔復合材料的卓越性能有望推動(dòng)柔性傳感器領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應用創(chuàng )新。