新颖高介电弹性复合材料设计及其在柔性应变传感器中的应用研究

Elastic dielectric materials are widely used in flexible sensor devices, actuators, energy harvesting and storage devices, due to their excellent flexibility, charges accumulation, and large electric induced deformation. The coupling of high dielectric property and excellent mechanical property is a serious problem of elastic dielectric materials. This project develops a composite material model of combining multidimensional active nanomaterials continuous network and two-dimensional heterogeneous thin films, combining different active nanomaterials. Based on this model, the research focuses on the correlations among the microstructure regulation, interfacial polarization mechanism, local electric field distribution and the macroscopic dielectric and mechanical properties of composite materials, thus to realize the fine structure design and analysis of the micro-theoretical model of the high dielectric and highly flexible materials. Developing an in-situ non-equilibrium rapid preparing process for the preparation of nanocomposites in large scale. Also, a flexible strain sensor with high sensitivity is fabricated based on a high-dielectric elastic composite material. Thank to the high permittivity and the controllability for the local electric field of the elastic dielectric material, a high signal-to-noise ratio and extremely low strain detection limit are realized for the strain sensor. It may create conditions for the development of structural monitoring and intelligent sensing systems for robots and spacecrafts.

弹性介电材料因其优异的柔韧性、电荷积聚性和电致变形性等优点，被广泛应用于柔性传感器件、驱动器件和能源转换与存储器件等各方面。在介电弹性材料研究中，如何实现高介电性与优异的力学性能相结合是其面临的重大难题。本项目结合不同的活性纳米材料，设计多维活性纳米材料连续网络结构和二维异质薄膜结构相结合的新颖弹性介电复合材料模型，基于该模型开展弹性复合材料微观结构调控、界面极化机制及局域电场分布与材料介电、力学性能之间关联规律研究，实现对高介电和高柔韧性的弹性介电材料的精细结构设计和微观理论模型的解析，并发展原位复合的非平衡快速成型的纳米复合材料的宏量制备工艺。同时基于高介电的弹性复合材料，制备具有高灵敏度的柔性应变传感器，基于弹性材料的高介电性及其局域电场的可调控性，实现传感器高的信噪比和极低的应变探测限，为机器人及航天器等设备的结构监测和智能感知系统的发展创造条件。

柔性电子器件近年来被广泛关注，其在可穿戴电子、智能医疗及人机交互等领域具有广泛的应用前景。其中，可拉伸柔性感器在机器人及假肢的运动监测、物体识别及智能控制等智能应用方面被迫切需求，高性能的可拉伸功能材料仍是柔性传感件研究的主要挑战。本项目将材料基础研究和柔性传感应用研究相结合，开展了高性能弹性功能材料微观结构及物理机制研究，基于高性能材料发展出高灵敏度可拉伸应变传感器及对不同机械刺激具有识别功能的多通道柔性传感器，设计开发了便携的无线采集、传输电路，构建了无线感知与控制系统。具体研究如下：.基于拓扑结构设计发展了高介电、低损耗及高柔韧性的弹性介电复合材料，相对介电常数达ɛr ~ 113（为基体材料的17倍），伸长率达360%，实现了弹性介电材料综合机电性能的突破。通过对复合材料多序级微观结构、异质界面极化和内电场调控机制的研究，建立了功能复合材料微观结构与物性关联的理论模型。制备了高信噪比、高灵敏度及宽的应变探测范围的可拉伸应变传感器，实现对局域应变的监测及驱动器运动方式的实时探测。.通过梯度弹性纳米复合材料拓扑结构设计方法首次构建了多通道可识别力学传感器，实现对不同机械刺激的解耦检测功能。传感器的线性应变探测范围达到100%以上，对压力探测极限低于1.8 Pa。多通道传感器用于机械手帮助其识别抓取的物体类型，且可以解耦探测应变和压力分布及其位置，模拟人体皮肤的交互传感过程。.将无线电路与柔性传感器相结合，发展了便携的无线感知-控制系统。设计开发了对信号的采集、处理和传输的便携集成电路，可以实时地采集多通道传感信号，通过便携装置的APP实时展示传感器每个阵点受的应力、应变大小。结合无线控制电路，通过传感信号实现对机械手运动的远程无线控制。因此，该系统可用于机器人肢体变形及对分布式机械刺激的监测，实现对机器人的智能控制。