通过电纺辅助非均匀分散的超高填充率油菜籽形液态金属纤维垫用于压力传感器
背景介绍
柔性电容式压力传感器因其高灵敏度、快速响应和良好的机械柔韧性，在智能机器人、医疗监测和人机交互等领域具有广泛的应用前景。然而，传统的介电弹性体（dielectric elastomers）通常具有较低的介电常数，限制了其电容信号的变化范围。为了提高电容传感器的性能，研究人员通常通过在弹性体中添加高介电常数的无机陶瓷或导电材料来增强其介电性能。然而，这些填料通常是刚性的，容易导致弹性体硬化，降低其柔韧性，并且在高压下容易发生渗流现象（percolation），导致材料从介电性转变为导电性，从而失去电容传感的功能。
液态金属（Liquid Metal, LM）由于其固有的流动性和高介电常数，被认为是解决这一问题的理想材料。然而，如何在保持高液态金属填充率的同时避免渗流现象，仍然是当前研究的难点。为此，研究人员提出了一种非均匀分布策略，通过将液态金属局部集中形成孤立的团簇，从而有效提高渗流阈值（percolation threshold）。
论文来源
本论文由来自浙江大学的Yanlin Chen、Tangfeng Feng、Mengyue Peng和Faxiang Qin共同完成，发表在2025年的《Advanced Fiber Materials》期刊上。该研究得到了国家自然科学基金（NSFC）和国家重点研发计划的支持。
研究流程与结果
1. 研究设计
本研究通过静电纺丝（electrospinning）技术制备了一种具有独特油菜籽形结构的液态金属/热塑性聚氨酯（LM/TPU）纤维垫。液态金属在纤维中局部集中形成孤立的团簇，从而有效提高渗流阈值。研究的主要目标是实现高达90%的液态金属填充率，同时保持材料的介电性能和柔韧性。
2. 材料与制备
研究首先将液态金属（EGaIn，镓铟合金）与热塑性聚氨酯（TPU）溶解在丙酮/二甲基甲酰胺（DMF）混合溶剂中，通过超声波处理将液态金属分散成纳米级液滴。随后，将混合溶液通过静电纺丝技术制备成纤维垫。静电纺丝过程中，液态金属在TPU纤维中形成油菜籽形团簇，而纤维之间的连接部分则几乎不含液态金属。这种独特的结构不仅提高了渗流阈值，还保持了纤维垫的柔性和机械性能。
3. 性能表征
研究通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线断层扫描（Micro-CT）和能量色散光谱（EDS）等手段对纤维垫的形貌和结构进行了表征。结果表明，随着液态金属含量的增加，纤维垫中的油菜籽形结构更加明显，液态金属团簇的尺寸也逐渐增大。此外，研究还通过阻抗分析仪和四探针电阻测试仪对纤维垫的介电性能和导电性能进行了测试。结果表明，液态金属填充率高达90%时，纤维垫仍然保持介电性能，未发生渗流现象。
4. 机械与传感性能
研究进一步对纤维垫的机械性能进行了测试。结果表明，液态金属的加入显著提高了纤维垫的应力应变性能，同时保持了较低的弹性模量。纤维垫在70%压缩应变下的应力为142.8 kPa，表现出优异的柔性和抗疲劳性能。基于这种纤维垫制备的柔性电容传感器具有较高的相对电容变化（最大δC/C0 = 6.32）和压力灵敏度（55 MPa⁻¹），并且能够在0-550 kPa的压力范围内稳定工作。传感器的循环稳定性测试表明，经过6000次加载卸载循环后，传感器的电容信号几乎没有衰减，显示出优异的耐久性。
5. 应用演示
研究还展示了这种传感器在机器人夹爪智能分拣、压力分布监测和远程按键监控等领域的应用潜力。通过将传感器安装在机器人夹爪上，研究成功实现了对不同形状物体的识别和分拣。此外，研究还开发了一个4×4传感器阵列，用于实时监测压力分布，并通过蓝牙模块将数据传输到手机应用中，实现了远程按键监控。
结论与意义
本研究通过静电纺丝技术成功制备了一种具有油菜籽形结构的高液态金属填充率纤维垫，有效解决了液态金属填充介电弹性体时的渗流问题。这种纤维垫不仅具有高介电常数和优异的机械性能，还表现出温度不敏感、防水和可回收等特性。基于这种纤维垫制备的柔性电容传感器在智能分拣、压力监测和人机交互等领域具有广阔的应用前景。
研究亮点
- 高液态金属填充率：首次实现了高达90%的液态金属填充率，突破了传统理论预测的渗流阈值（83%）。
- 独特的油菜籽形结构：通过静电纺丝技术实现了液态金属的非均匀分布，有效抑制了渗流现象。
- 优异的传感性能：传感器具有高灵敏度、宽压力范围和长循环稳定性，适用于多种复杂环境。
- 多功能应用：成功演示了传感器在智能机器人、压力监测和远程按键监控等领域的应用潜力。
其他有价值的信息
本研究还探讨了纤维垫的回收利用方法，通过溶解和再纺丝过程，成功实现了纤维垫的循环利用。此外，研究还通过有限元模拟（FEM）验证了油菜籽形结构在电场分布中的优越性，进一步支持了其在抑制渗流现象中的作用。
通过本研究的创新设计，液态金属填充介电弹性体的性能得到了显著提升，为柔性电容传感器的开发提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步优化纤维垫的结构和性能，拓展其在更多领域的应用。