华科大史玉升教授、闫春泽教授团队 Adv. Mater.：具有高设计自由度的柔性磁电传感器

2024-01-11 来源：高分子科技

增材制造技术由于其具有成形复杂三维结构的优势，被广泛应用于柔性传感器的制备。然而，在基于电磁感应原理的柔性磁电传感器领域，尽管通过增材制造技术已经实现了具有复杂结构的柔性磁性复合材料成形，但是磁电传感器的导电部分仍延续了电磁发电机中刚性导电线圈的形式，从而需要进一步通过合理布局磁/电部分再组装获得传感器，这大大限制了柔性传感器结构形式的灵活多样性，实现磁电一体化仍然具有挑战性。

近期，华中科技大学史玉升教授、闫春泽教授团队提出了激光选区烧结（SLS）和三维转印复合工艺，用于制造液态金属包覆的柔性磁电传感器（图1）。液态金属在SLS打印的柔性磁性NdFeB/TPU点阵结构表面形成共形导电网络，当点阵结构发生形变，穿过其表面导电网络的磁通量随之变化，进而产生感应电压，并针对该液态金属导电网络建立了一种逆向模型分割与求和的方法来计算理论磁通量（图2）。随后，研究了点阵结构磁化方向、体积分数、单元尺寸和整体高度对传感器输出电压的影响，通过优化这些因素，获得了最大输出电压45.6 μV（图3），并对其传感性能进行测定，灵敏度高达10.9 kPa^–1以及最小检测压力为0.1 kPa，并且其寿命超过6.5万个循环（图4）。该复合工艺为设计结构灵活多样式的磁电传感器提供了重要途径，可感知多种外力作用形式，包括拉伸，压缩，弯曲和扭转（图5）。该工作显著提高了液态金属磁电传感器的结构灵活性和设计自由度，实现了磁电一体化，在制备新型柔性磁电传感器领域取得了进步。

该工作以“Additively Manufactured Flexible Liquid Metal–Coated Self-Powered Magnetoelectric Sensors with High Design Freedom”为题发表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2023, 2307546）。文章第一作者为华中科技大学伍宏志博士（现为新加坡南洋理工大学博士后研究员）与硕士生罗瑞莹，史玉升教授和闫春泽教授为共同通讯作者。该研究受到国家自然科学基金的资助，还得到了华中科技大学苏彬教授和南洋理工大学周琨教授的指导。

图1 柔性磁电传感器的制备流程示意图

图2 通过数值模拟的方法计算磁电传感器变形前后的磁通量变化量

图3 点阵结构磁化方向、体积分数、单元尺寸和高度对传感器输出电压的影响

图4 磁电传感器的传感性能

图5 四种不同结构的柔性磁电传感器，并能够通过多种变形方式产生感应电压

该工作是团队近期关于柔性磁电传感器相关研究的最新进展之一。增材制造技术由于其“逐点成线、逐线成面”的制造特点为复杂结构的柔性磁电材料体系成形提供了强有力的支持手段。在过去的两年中，团队采用激光选区烧结和激光选区熔化技术制备了由磁性多孔结构和与两个平板连接的导电螺旋结构组成的磁电器件（Adv. Sci. 2020, 7, 2070046）。随后，团队又利用选择性激光烧结技术实现了多材料连续打印，制备出具有磁性顶部、可压缩多孔中间结构和可插入线圈的立方体底部的磁电器件，避免了上述工作中磁性结构与导电结构刚度系数的匹配问题（Small Methods 2022, 6, 2201127）。以上工作为后续制备柔性磁电一体化传感器奠定了良好基础。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307546

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（责任编辑：xu）

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