（田宫伟/文图）近日，哈尔滨工业大学化工与化学学院、郑州研究院食品营养与健康研究团队在材料化工领域国际权威期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）发表了题为《重新分布应变的高压缩气凝胶-弹性体多孔材料用于高灵敏度压力传感器》（Highly Compressive Aerogel-elastomer Hybrid Porous Material with Redistributed Strain for High-sensitive Soft Pressure Sensors）的重要研究成果。该研究首次提出了一种通用的策略来制备具有更高压缩性的气凝胶骨架-弹性体壳杂化多孔材料，用于高灵敏度和稳定的柔性压力传感器。
大多数气凝胶不能承受大的或循环的压缩，尤其是导电气凝胶，如碳化棉纤维和金属纳米线制成的气凝胶。大的压缩往往会破坏材料的三维多孔结构，尤其是在循环压释过程中。此外，严重压缩的气凝胶不能恢复到其初始厚度。由高分子材料（如聚氨酯）制成的气凝胶具有良好的压缩性能，但不导电，这限制了其在压阻柔性压力传感器中的应用。然而，虽然在聚合物气凝胶的三维网络表面涂覆导电材料可以使其具有导电性，但压力引起的应变会导致导电层从聚合物网络表面脱离。以上问题限制了气凝胶在柔性压力传感器中的应用。此外，为了提高基于界面微结构的压力传感器的灵敏度，提出了包括设计微金字塔阵列、制造层次化微结构和替代自然结构（如叶片）等策略。然而，如何提高气凝胶压阻柔性传感器的灵敏度仍然是一个挑战。
基于此，团队首次提出了碳化棉气凝胶-弹性体杂化多孔材料。炭化棉花气凝胶（CCA）是通过高温炭化棉花生产的（图1a，1b）。然后，通过一种简单的溶液涂层法制备了杂化材料。这种涂布溶液的方法是一种一举两得的策略。一方面，弹性体仅涂覆在碳纤维表面，因此碳化棉气凝胶的多孔结构得以保持（图1c）。结果表明，与炭化棉气凝胶相比，复合材料具有更好的压缩性能。当压缩率达到80%时，可立即恢复到初始状态。另一方面，由于毛细力的作用，局部弹性体微块在多孔材料中自发形成（图1c）。这些块体在混杂多孔材料的应力分布中起着重要的调节作用（图1d，1e）。这样可以提高压力传感器的灵敏度。作为概念验证，混合材料被用于制造柔性压力传感器（图1f，1g）。
图1. 炭化棉气凝胶-弹性体杂化多孔材料制作工艺示意图(包括原棉（a)、炭化棉气凝胶(b)和炭化棉气凝胶-弹性体杂化多孔材料）、均质材料(d)和带有微块的非均质材料(d)中的应变分布，以及基于炭化棉水凝胶-弹性体杂化多孔材料(f)的压力传感器。
图2. 不同浓度PDMS （a-c、a 20%、b 30%、c 40%）对炭化棉气凝胶涂层的扫描电子显微镜（SEM）图像，图b中的圆表示材料中的微块；采用不同浓度的PDMS制备的碳化棉气凝胶涂层压力传感器的电流变化(d)；所述制备的压力传感器对7.3 Pa (e)压力的响应时间和恢复时间；制备的压力传感器的线性响应范围及其对应的灵敏度(f)；预制备的压力传感器在逐级增加压力(g)后的响应；传感器在10000次压缩释放循环时的响应(h)，以及传感器在低温（-70℃）、常温（20℃）、高温（100℃）时的响应(i)
所制备的柔性压力传感器的灵敏度为10.25kPa-1，远高于由弹性体完全填充的碳化棉气凝胶和其他气凝胶制成的传感器。此外，压力传感器可以承受10 000次压缩释放循环而不失去灵敏度（图2）。该柔性压力传感器灵敏度高，可用于监测人体脉搏和识别人体动作。最后，作为概念验证，我们使用预先准备好的传感器来远程控制玩具车和假手（图3）。我们的策略可以推广到其他柔性多孔材料，以提高其力学性能，特别是可压缩和循环压缩性能。该策略将促进高稳定柔性压力传感器的发展。
图3. 已制备的柔性压力传感器分别用于监测手指弯曲(a)、说话时喉部振动(b)和脉搏(c)；手持柔性传感器，用于遥控玩具车(d)和假手(e)
哈工大化工与化学学院刘妍工程师、钟正祥副研究员等为论文共同作者，哈工大郑州研究院博士后田宫伟、哈工大化工与化学学院/郑州研究院齐殿鹏教授为本论文通讯作者。
本项研究工作获得国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154069
责任编辑：梅鹏飞
审核：张懿文、肖丹
