宁波材料所在柔性泡沫压阻传感器研究方面取得进展

柔性可穿戴传感器能够实时监测各种人体信号，在运动检测、健康管理等领域具有重要价值。以往的研究表明，具有多孔结构的传感器可以显著提高其响应灵敏度，并赋予其更高的可压缩性。因此，泡沫压阻传感器已受到研究人员的广泛关注。然而，制备这些泡沫传感器的方法（如3D打印、冷冻干燥、模板法和浸涂法等）复杂、耗时且不环保。此外，基于气凝胶和海绵的传感器通常灵敏度低、抗压强度差，检测范围有限。超临界二氧化碳发泡是一种新的、环境友好的方法，但由于导电复合材料过高的熔体强度，难以获得高孔隙率的压阻泡沫以改善其工作范围。因此，通过绿色手段制备宽响应范围、高灵敏度的泡沫压阻传感器面临巨大挑战。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所高分子先进加工团队郑文革研究员和汪龙研究员一直致力于热塑性弹性体泡沫功能化相关的科研工作（Chem. Eng. J., 2023, 455, 140860；Compos. Commun., 2023, 40, 101628; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 57613-57625；Composites, Part B, 2024, 277, 111412）。

近日，针对随机结构复合材料熔体强度过高，难以通过超临界二氧化碳发泡制备低密度压阻传感器的问题。团队通过构建宏观隔离结构，促使填料选择性分散在弹性体粒子界面，一方面使得填料几乎不对复合材料的发泡行为产生影响，有效解决了材料的发泡问题，获得了低密度的（约0.1 g/cm³ ）泡沫传感器；另一方面填料的选择性分散使得材料拥有密集的导电网络，赋予了泡沫低导电逾渗阈值（0.011 vol%）和良好的电导率。因此，制备的传感器具有超宽的应变/压力检测范围（0.5%～90%压缩应变/0.5～3800 kPa）（Composites, Part B，2024，277，111412）。该传感器能作为功能鞋底材料可监测人体的不同运动，此外，其还具有良好的疏水性（水接触角为140°），在水下能够保持正常传感功能。

相关成果以“An ultra-lightweight and hydrophobic piezoresistive foam with super-wide strain and pressure detection range”为题发表在Composites Part B: Engineering（https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111412）。宁波材料所博士生李学云为该论文第一作者，宁波材料所汪龙研究员为该论文的通讯作者。本研究得到国家自然科学基金（52003280）和宁波市科技创新2025重大专项（2021Z052）等的支持。

图1 制备的系列泡沫压阻传感器的结构、性能以及在人体运动领域的应用

（高分子与复合材料实验室  李学云）