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中科院物理所成功研制新型柔性高性能应变传感

- 编辑:兴宁市测绘与空间地理信息 -

中科院物理所成功研制新型柔性高性能应变传感

  【中国仪表网 仪表研发】早在20世纪70年代,电子皮肤的概念就已经出现在很多科幻作品中。与此同时,科学家也开始对电子皮肤不断进行探索,因为它在智能机器人、仿生假肢、健康监测等领域有巨大应用前景。

(a)金属合金皮肤的光学照片。(b)XRD和TEM表明它的无序原子结构。(c)透明的非晶合金皮肤。(d)非晶合金皮肤的透光率随厚度的变化。电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。然而,现有的应变敏感材料,由于导电性差、能耗高、制作工艺复杂、成本高等缺点,极大地限制了电子皮肤的实际应用。所以,寻找新型应变传感材料迫在眉睫。
金属合金是人类早并且至今仍在日常生活中使用广泛的材料之一。然而,晶体金属合金的弹性极限范围很小,一般金属合金材料的弹性极限远小于<0.5%,这是金属材料应用在电子皮肤领域大的短板。快速急速冷却是制备新型合金材料的现代方法,这种方法可以将金属液体无序的原子结构保留下来,得到的非晶合金材料可以极大地提高其弹性极限范围, 高达>2%, 是一般合金材料的几十倍。 非晶合金又能将金属优良的导电性也较好地保留下来。利用非晶合金材料这些特性,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室EX04组博士研究生咸海杰在汪卫华研究员、白海洋研究员、柳延辉研究员的指导下,近研制了一种新型柔性高性能应变传感器——非晶合金皮肤。
非晶合金皮肤是通过离子束溅射方法将ZrCuNiAl等非晶合金薄膜直接生长在柔性塑料(PC)衬底上得到的。 非晶合金传感器柔性好(弯曲角>180?),通过对薄膜厚度的调控可以视觉上变得透明。对该传感器进行的压阻效应测试结果表明,非晶合金皮肤保留了金属材料高电导率(>5000 S cm-1)、而且电阻与应变之间有的线性关系、稳定性好等特点。同时,与传统晶态金属材料相比,弹性范围有很大的提高(室温下的理论弹性极限为4.2%)。此外,该传感器有极小的电阻温度系数(9.04×10-6 K-1),明显的抗菌性等特点。另外, 非晶柔性应变传感器制备方法简单,制造成本低。利用非晶合金柔性应变传感器这些独特性质,有望推动电子皮肤的早日实际应用,同时也为非晶合金材料的应用开辟新的途径。
相关工作Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film近日发表在Applied Physics Letters(111, 121906,2017)上。
本项研究工作得到了国家自然科学基金(51571209 and 51461165101)、973项目(2015CB856800),和中科院前沿局重点项目的资助。
(原文标题:非晶合金皮肤:一种新型高性能柔性应变传感器)

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