南开梁嘉杰教授团队Matter：基于“遇压收缩”结构增强压阻传感器的灵敏度

一、【导读】

在各种要求精确测量的智能应用中，可穿戴压阻式压力传感器具有至关重要的作用。传统的压阻多孔材料泊松比为正值，灵敏度低，限制了传感器的发展。其根本原因在于：压缩后的多孔材料沿压缩方向收缩，垂直压缩方向膨胀。压缩方向的收缩导致多孔材料变形，孔壁接触，有利于提高灵敏度，而垂直压缩方向的膨胀则会产生相反的效果，使孔壁相互分离，降低灵敏度。

二、【成果掠影】

作者提出了一种普遍适用的策略：制造具有“遇压收缩”结构的压阻材料。这种双曲线和“遇压收缩”的微观结构使得多孔的导电材料(如MXene、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、PEDOT:PSS)在纵向压缩下产生显著的宏观横向收缩，最小的负泊松比低至-0.45，显著增加了多孔材料在压缩条件下的壁-壁接触点和导电通道的数量，降低了电阻。与传统结构相比，具有“遇压收缩”多孔结构的材料灵敏度有了明显提高。 该论文报道的“遇压收缩”结构MXene压阻式传感器灵敏度高达990kPa^-1，远远超过其他压阻式传感器，且机械弹性和耐久性大幅提高，即使在大压缩变形的疲劳测试下仍具有良好的传感稳定性和可靠性，在监测人体生理健康状况方面具有很大的潜力。

南开大学博士生史鑫磊、范向前，及中科大朱银波副教授为共同第一作者，南开大学梁嘉杰、中国科学技术大学吴恒安为论文共同通讯作者，该论文以“An auxetic cellular structure as a universal design for enhanced piezoresistive sensitivity”为题发表于Matter。

三、【核心创新点】

√  基于一种普遍适用的机械超材料策略制备的可穿戴压阻传感材料，大大提高传感性能

√  一种制造负泊松比“遇压收缩”结构的通用方法

√  与传统结构相比，基于“遇压收缩”结构设计的压力传感器，灵敏度和传感耐久性得到了显著提高。

四、【数据概览】

图1：具有负泊松比结构的多孔材料设计策略 © 2022 Elsevier

（a）正泊松比的常规多孔材料压缩变化；

（b）负泊松比的力学超材料多孔结构压缩变化；

（c），（d），（e）多孔结构设计侧视图及FEA模拟结果 

图2：（a）制备流程图；（b）超轻多孔超材料照片；（c）负泊松比多孔超材料扫描电镜图,（d）负泊松比多孔超材料微观结构图  © 2022 Elsevier

图3：多孔超材料的力学性能 © 2022 Elsevier

(a) 多孔超材料在单轴压缩下横向收缩和负泊松比行为的横断面照片；

(b) 多孔超材料压缩-应变曲线，最大应变高达90%;

(c) 正负泊松比的多孔超材料在最大应变为80%的压缩-释放循环中，泊松比随压缩应变的变化关系；

(d- g)基于石墨烯、碳纳米管、银纳米线、PEDOT:PSS的多孔超材料压缩过程中泊松比变化关系；

(h) MXene多孔超材料在5000次压缩-释放循环后，80%最大应变下的压缩应力-应变曲线；

(i-k) 正负泊松比的MXene多孔超材料在连续80%的最大压缩应变过程中应力、杨氏模量和能量损失系数的变化。

五、【成果启示】

该论文通过制备 “遇压收缩”结构，与传统的“遇压膨胀”结构对比，器件的灵敏度、机械弹性和耐久性大幅度提升，且该策略具有普适性，可用于常见的导电材料MXene、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、PEDOT:PSS等，完美契合了“结构决定性能，性能体现结构”的原则。

本文由iron-man供稿。