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中国科学院物理研究所 EX4组供稿 第46期 2017年10月09日
北京凝聚态物理国家实验室
非晶合金皮肤:一种新型高性能柔性应变传感器
  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。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。
  金属合金是人类最早并且至今仍在日常生活中使用最广泛的材料之一。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最大的短板。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,最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˚)见图1a,通过对薄膜厚度的调控可以视觉上变得“透明”(图1c)。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完美的线性关系、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%)(图2)。 图2 显示非晶合金皮肤甚至可以用来灵敏地监测手指弯曲程度。此外,该传感器有极小的电阻温度系数(9.04×10-6 K-1)(图3),明显的抗菌性等特点(图4)。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。
  文章链接:http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4993560
图一:(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。
图二:(a)非晶合金皮肤电阻随应变的变化。(b)循环测试结果。(c)1000次弯折后的结果。(d)非晶合金皮肤用来监测手指弯曲程度的示意图。
图三:(a)非晶合金皮肤灵敏度系数随暴露在空气中时间的变化。(b)电阻温度系数。(c)灵敏度系数随沉积速率和膜厚的变化。(d)与其他材料电子皮肤相比,非晶合金皮肤有很好的热稳定性。
图四:非晶合金皮肤的抗菌性能。
下载附件>> APL17-MG skins.pdf
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