本文亮點

1.EHD制備：通過電流體動力學直寫制備高熵合金纖維，并在納米尺度上對其進行金屬化處理，在聚合物納米纖維內(nèi)部形成均勻的高熵合金晶格。

2.溫度免疫：具有較低的電阻溫度系數(shù)(45.59 ppm K?1)以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性(6000次循環(huán))，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠的應變測量。

3.精確穩(wěn)定：應用于可穿戴的人體關(guān)節(jié)監(jiān)測及機器人抓取，在復雜的熱環(huán)境中具有極高的可靠性和精準的響應能力。

研究背景

溫度穩(wěn)定性對于柔性傳感器的測量精度至關(guān)重要。然而，與剛性器件不同，柔性傳感器尺寸小巧且制備于柔性基底之上，難以有效隔絕外界熱干擾，導致其極易受環(huán)境溫度波動的影響。主要表現(xiàn)為基線漂移、噪聲放大和動態(tài)測量誤差，已成為制約柔性傳感器廣泛部署的主要障礙。然而，常規(guī)研究往往側(cè)重于異質(zhì)材料的溫度補償策略，卻忽視了多組分協(xié)同過程中因熱響應不一致導致的長期有效性問題。因此，如何實現(xiàn)本征穩(wěn)定的溫度免疫特性，賦予柔性傳感器在溫度波動下的精準感知能力，是通往實用化道路上一個更具挑戰(zhàn)性的課題。

內(nèi)容簡介

針對傳統(tǒng)柔性傳感器難以擺脫溫度干擾、依賴異質(zhì)材料復合補償卻面臨長期穩(wěn)定性不足的瓶頸，廈門大學鄭高峰團隊跳出“材料復合”的固有框架，提出了一種基于高熵合金本征溫度免疫特性的設(shè)計新思路。通過借助電流體動力學直寫技術(shù)，將高熵合金鹽與聚合物共混紡絲，構(gòu)建前驅(qū)體導電網(wǎng)絡(luò)。再經(jīng)退火金屬化處理，在納米纖維內(nèi)部形成均勻的高熵合金晶格，協(xié)同實現(xiàn)了聚合物的可拉伸性與高熵合金低電阻溫度系數(shù)的巧妙結(jié)合。該策略無需復雜的多層復合或異質(zhì)補償設(shè)計，僅通過高熵合金的本征材料特性，同步解決了溫度干擾與長期穩(wěn)定性兩大核心瓶頸，為開發(fā)適應復雜熱環(huán)境的下一代柔性傳感提供了切實可行的設(shè)計路徑。

圖文導讀

I電流體動力學直寫與電紡共同制備

如圖1所示，通過電紡直寫與靜電紡絲結(jié)合，實現(xiàn)高熵合金納米纖維的沉積與柔性基底制備與集成。得益于高熵合金獨特的嚴重晶格畸變與化學無序特性從物理本源上抑制了電阻的熱致漂移。而電場誘導的纖維成型過程，則為多組元在納米纖維中的均勻分布提供了保障，構(gòu)筑出兼具優(yōu)異柔韌性與穩(wěn)定導電網(wǎng)絡(luò)的復合結(jié)構(gòu)。相關(guān)表征示意圖在圖2中展示。

圖1. 溫度免疫高熵合金應變傳感器的制備原理及應用研究。

圖2. 傳感器制備工藝及微觀形貌表征。

II本征熱穩(wěn)定性與靈敏度可調(diào)控的協(xié)同設(shè)計

得益于高熵合金多主元組分帶來的嚴重晶格畸變效應與化學無序特性，有效抑制了電子-聲子彈性散射，從物理本源上削弱了電阻對溫度的敏感性，從而表現(xiàn)出顯著低于單一主元纖維的電阻溫度系數(shù)和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過XRD與SAED分析證實了纖維內(nèi)形成了多種面心立方物相，拉曼光譜中觀察到的聲子紅移與寬化現(xiàn)象則進一步揭示了聲子軟化效應。實驗結(jié)果表明，該高熵合金傳感器的電阻溫度系數(shù)(TCR)低至45.59 ppm/K，遠優(yōu)于單一主元纖維。在此基礎(chǔ)上，通過電液動力學直寫技術(shù)制造了具有回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的應變傳感器，其幾何參數(shù)(如轉(zhuǎn)角半徑、圈數(shù))可通過有限元模擬進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了對應變集中區(qū)域的調(diào)控，進而達到靈敏度系數(shù)的可控調(diào)節(jié)。這種材料本征穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)可設(shè)計性的協(xié)同，為寬溫域下高精度應變檢測奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖3. 高熵合金纖維的晶體結(jié)構(gòu)表征及低電阻溫度系數(shù)特性。

III高熵合金傳感器的綜合性能

高熵合金應變傳感器在寬溫域(-10℃至70℃)及大應變(50%)范圍內(nèi)展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性與可靠性。如圖4c所示，在0℃、20℃、40℃及60℃不同溫度下進行的30%應變拉伸-回復測試中，電阻變化曲線高度重合，響應時間穩(wěn)定在310 ms(上升沿)與350 ms(下降沿)，充分驗證了其溫度免疫特性。在6000次連續(xù)拉伸循環(huán)后(圖4h)，傳感器性能衰減高度可控，證實了材料優(yōu)異的損傷容限與長期穩(wěn)定性。傳感器在復雜熱環(huán)境與循環(huán)加載場景中展現(xiàn)出突出的應用潛力，為后續(xù)可穿戴監(jiān)測與機器人抓取應用奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖4. 高熵合金應變傳感器和溫度穩(wěn)定性和應變性能。

IV穿戴監(jiān)測與機械手抓取

圖5展示了該柔性應變傳感器在可穿戴監(jiān)測與機器人抓取中的應用。在人體關(guān)節(jié)監(jiān)測中，傳感器緊密附著于手腕、手指等多處動態(tài)部位，實時響應關(guān)節(jié)彎曲引起的電阻變化，并在10℃與30℃溫度波動下保持信號一致、無基線漂移。在圖6的機器人手抓取測試中，傳感器在10℃、30℃及50℃環(huán)境溫度下重復抓取物體，信號重復性良好且誤差極低；動態(tài)變溫實驗中，抓取與釋放對應的電阻峰清晰穩(wěn)定，無明顯漂移。結(jié)果表明，該傳感器在復雜熱環(huán)境下具備優(yōu)異的溫度不敏感性與環(huán)境適應性，為多變熱工況下的高精度應變監(jiān)測提供了可靠技術(shù)支持。

圖5. 應變傳感器在可穿戴系統(tǒng)中的應用。

圖6. 應變傳感器在機械手應力檢測系統(tǒng)的應用。

V總結(jié)

本研究基于電液動力學直寫技術(shù)，研制出一種具有本征溫度免疫特性的FeCoNiMnZn高熵合金柔性應變傳感器。該傳感器在50%應變下靈敏度因子達1.12，響應時間僅310 ms，經(jīng)6000次循環(huán)拉伸無基線漂移，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。得益于高熵合金固有的晶格畸變與聲子軟化效應，器件在-10℃至70℃寬溫區(qū)內(nèi)電阻溫度系數(shù)低至45.59 ppm/K，確保了溫度波動下的信號穩(wěn)定性。其溫度免疫特性與柔韌性使其在人體關(guān)節(jié)運動監(jiān)測、可穿戴健康監(jiān)測及機器人操控等多場景中實現(xiàn)可靠應變感知，彰顯了在復雜條件下的適應性。

將高熵合金構(gòu)建為熱穩(wěn)定導電骨架的策略，為突破傳統(tǒng)復合材料補償方法的局限提供了可行路徑。此外，作為一種直寫技術(shù)，該制備方法與噴墨打印、卷對卷制造等成熟工業(yè)工藝高度兼容，無需復雜轉(zhuǎn)移步驟即可無縫集成于現(xiàn)有柔性電子產(chǎn)線，實現(xiàn)圖案化電路制備。

綜上，本研究不僅推動了本征穩(wěn)定柔性傳感器的發(fā)展，也為能在熱動態(tài)環(huán)境中長期運行的下一代可穿戴電子與柔性傳感系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。

來源：納微快報