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物理学家创造了有史以来最敏感的应变传感器

时间：2022-04-14 16:25:05 来源：

高倍率下G球的扫描电子显微镜（SEM）图像。

这种传感器是由萨塞克斯大学材料物理小组开发的，其拉伸强度比目前市场上的应变仪高80倍，并且其电阻变化比研究中最敏感的材料高100倍。

研究小组认为，这些传感器可以为可测量患者生命体征的可穿戴技术以及监视建筑物和桥梁结构完整性的系统带来新的灵敏度。

休息在玻璃小瓶的G球的照片。每个球都有一个柔软的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯，并涂有微观的石墨烯片。

萨塞克斯大学数学与物理科学学院的Marcus O’Mara说：“下一波应变传感技术将使用诸如橡胶之类的弹性材料，并注入诸如石墨烯或银纳米粒子之类的导电材料，并且已经发展了十多年。

“我们相信这些传感器是向前迈出的一大步。与科学文献中引用的线性应变传感器和非线性应变传感器相比，我们的传感器展现出有史以来最大的电阻绝对变化。”

萨塞克斯大学实验物理教授艾伦·道尔顿（Alan Dalton）说：“这项有前途的技术可能在医疗保健，运动成绩监控等成熟领域以及诸如软机器人等迅速发展的领域中特别有用。

“我们的研究开发了廉价，可扩展的健康监测设备，可以对其进行校准，以测量从人体关节运动到生命机能监测的所有内容。可以在患者的身体上使用多种设备，无线连接并相互通信，以提供实时移动健康诊断，而费用仅为目前的一小部分。”

这项发表在《高级功能材料》杂志上的新论文详细介绍了将大量石墨烯纳米片以结构化，可控制的方式并入PDMS基质中的过程，从而获得了出色的机电性能。

作者说，该方法具有扩展到二维层状材料和聚合物基质的广泛潜力。传感器在所有测得的负载水平下均提供了大大提高的电导率，而没有明显的渗漏阈值。

商用量规设备具有相对较低的灵敏度和应变范围，其应变系数范围为2-5，最大应变为5％或更低，导致电阻增加不到25％，并阻止了人体运动所需的高应变感测监控。

新传感器能够检测到小于0.1％的应变，这归因于其更高的应变系数〜20，以及高达80％的应变，其中指数响应导致电阻变化超过一百万。

这样既可以进行高灵敏度的低应变感测，以进行脉冲监测，又可以对因记录电阻变化而导致的胸部运动和关节弯曲进行高应变测量。

拉伸和扭曲超灵敏应变传感器。

萨塞克斯大学材料物理研究研究员Sean Ogilvie博士说：“通常基于金属箔规的商业应变传感器，相对于灵敏度和应变范围，更倾向于精度和可靠性。纳米复合材料具有弹性，因此是下一代应变传感器的有吸引力的候选材料，但是由于非线性效应（例如磁滞和蠕变）阻碍了纳米级聚合物在工业上的广泛采用，这是由于纳米级聚合物的液体性质使其能够进行准确，可重复的应变读数。持续的挑战。

“我们的传感器以一种可重复的，可预测的模式稳定下来，这意味着尽管有这些影响，我们仍然可以提取出应变的准确读数。”

在美国橡胶公司Alliance的支持下，这项工作才得以实现。

杰森·里斯纳（Jason Risner），副总裁Alliance销售与市场营销代表说：“联盟拥有悠久的创新历史，对于我们在使用破坏性纳米材料（例如石墨烯）的先进橡胶技术中发挥积极作用至关重要。我们必须与萨塞克斯大学的Alan Dalton教授等科学领导者合作，这一点至关重要。

“我们很高兴看到合作伙伴关系可能带来的产品。石墨烯是一种惊人的材料，可以改变我们的生活。我们公司为能走在如此崭新的事物上而感到自豪。”

参考：Marcus A. O'Mara，Sean P. Ogilvie，Matthew J. Large，Aline Amorim Graf，Anne C. Sehnal，Peter J. Lynch，Jonathan P. Salvage，Izabela撰写的“石墨烯稳定的有机硅乳液实现的超敏应变计” Jurewicz，Alice AK King和Alan B.Dalton，2020年6月4日，先进功能材料。
10.1002 / adfm.202002433

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