一种仿生聚酰亚胺气凝胶在电容传感器中的应用，该传感器具有用于高温检测的潜力

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Biomimetic Polyimide Aerogel Applied in Capacitive Sensors with Potential for High-Temperature Sensing Application

高温环境下柔性传感器的研究：基于章鱼骨结构的聚酰亚胺气凝胶开发及其应用

　　

Fang Suo|Tao Wan|Fei Chang|Jianwei Cui|Yongtao Yao|Weijian Yuan|Xuelin Zhang|Yanju Liu

哈尔滨工业大学航天学院，中国哈尔滨150001

摘要

随着航空航天工程、地质勘探和智能消防技术的快速发展，人们对高温环境下的传感技术给予了越来越多的关注。在这种情况下，柔性机械传感器仍面临耐高温性和温度漂移等挑战。本研究提出了一种新型仿生材料，以提高传感器的耐热性能并解决温度漂移问题。受乌贼骨结构的启发，采用双向冷冻法制备了一种基于聚酰亚胺的仿生各向异性聚酰亚胺气凝胶（BA-PA）。BA-PA表现出优异的热稳定性和良好的抗疲劳性能，使其成为电容传感器的理想电介质层。实验表明，BA-PA传感器具有稳定的力-电响应特性和超快的响应时间（约10毫秒），且可在20°C至340°C的宽温度范围内稳定工作。此外，该传感器还具备触觉和手势感知功能。这项工作扩展了聚酰亚胺气凝胶的应用范围，并为高温环境下的传感技术提供了新的策略。

引言

随着航空航天、能源工业、高温制造和公共安全领域的发展，人类接触高温环境的情况日益普遍。然而，人体无法直接承受或感知高温条件，这严重限制了我们在高温环境中的探索能力。传感器作为人类触觉感知的延伸，使人们能够监测温度、湿度、力、光照强度等环境因素的变化[1][2]。尽管现有的刚性传感器在一定程度上可以实时反馈外部条件，但它们仍存在适应性差、重量大和抗冲击能力弱等局限性，因此无法在探索机器人的关节处或消防服的外表面等高度动态和恶劣的环境中稳定工作[3]。

柔性传感器由柔性材料制成，是一类兼具大变形能力和传感功能的新型传感器，能够弥补刚性传感器的不足[4][5]。这类传感器已广泛应用于智能可穿戴设备、智能机器人和健康监测领域[6]。目前，柔性传感器可分为压电型[7]、摩擦电型[8]、压阻型[9]和电容型[10]，其中电容型传感器因高灵敏度和快速响应而被广泛用于力检测[10]。然而，传统的柔性传感器主要由不耐高温的有机材料制成（通常只能在80°C~150°C范围内稳定工作），因此不适用于高温环境下的测量[11][12]。此外，一些耐高温的柔性传感器在电极层存在严重的热干扰问题，导致输出信号在温度变化时出现显著偏差[13]，这可能导致传感器故障甚至损坏，影响信号输出并增加后续数据处理的复杂性，从而限制了其在高温环境中的应用。因此，有必要开发一种兼具耐高温性和热稳定性的新型柔性传感器。

聚酰亚胺气凝胶可能为柔性传感器在高温环境中的应用提供解决方案[14][15]，因为它是一种耐高温且弹性高的气凝胶，可用作电容传感器的电介质层。与其他有机气凝胶相比，聚酰亚胺气凝胶具有更好的热稳定性[16][17][18]，并且制备工艺更简单，柔韧性更强[19][20]。然而，聚酰亚胺气凝胶独特的内部结构会导致机械性能不均匀，从而影响应力测量精度[21][22]。因此，合理设计其微观结构可以提高传感器的可靠性。碳纤维织物具有低热膨胀系数、高导电性和高柔韧性，适合作为高温环境下电容式柔性机械传感器的电极。

针对上述挑战，本研究提出了一种制备仿生柔性电容机械传感器的可行方案。乌贼骨位于乌贼的背部，其独特的微观结构使其具有轻质和高抗损伤能力，能够保护生物体免受极端环境的影响。通过合理设计材料结构可以提升其性能[23][24][25]。双向冷冻是一种用于气凝胶制备的结构控制方法，可以定制气凝胶的微观结构[26][27][28]。如图1所示，受乌贼骨结构的启发，采用双向冷冻法制备了具有类似乌贼骨结构的仿生各向异性聚酰亚胺气凝胶（BA-PA），并研究了其微观结构、各向异性机械性能和高温适用性。随后，利用BA-PA作为电介质层制备了柔性电容传感器（BA-PA传感器），并在室温和高温条件下测试了其力-电响应特性，同时验证了其抓取力和手势识别能力。

材料

4,4'-二氨基二苯醚（ODA）、均苯四甲酸二酐（PMDA）、三乙胺（TEA）和N,N-二甲酰氨基乙酰胺（DMAc）购自Aladdin Reagent公司。碳纤维织物来自台湾Carbon Energy Technology有限公司。铜箔胶带购自上海Boyang Special Metals有限公司。聚酰亚胺薄膜购自苏州 Yingchuan新材料技术有限公司。电线购自惠州Aokaisi电线电缆有限公司。

聚酰胺（PAA）的合成

准备了1.5克ODA

BA-PA的仿生结构与机械性能

聚酰亚胺是一种耐热材料，可在高温环境下使用。然而，其高刚性限制了其在柔性传感器中的应用[29]。气凝胶是一种潜在的解决方案，可以降低聚酰亚胺的刚性。但传统聚酰亚胺气凝胶的内部结构无序，导致机械性能不稳定[30]，从而限制了其在柔性传感器中的应用。材料-结构的协同设计是一种简单有效的改进方法

结论

本研究提出了一种基于双向冷冻法制备的仿生各向异性气凝胶BA-PA，其微观结构受到乌贼骨结构的启发。BA-PA具有各向异性的机械性能，X和Y方向具有优异的压缩性能，Z方向具有较高的拉伸强度（0.1 GPa）。经过长时间高温处理后，BA-PA仍保持良好的机械性能。

未引用参考文献

[37]

CRediT作者贡献声明

Tao Wan：可视化、验证、数据分析。Fei Chang：可视化、实验研究、数据分析。Jianwei Cui：可视化、实验研究、数据分析。Yongtao Yao：撰写、审稿与编辑、研究方法、概念设计。Fang Suo：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、研究方法、实验研究、概念设计。Weijian Yuan：可视化、实验研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：92271206）提供的财务支持。

Fang Suo Fang Suo于2024年在东北林业大学获得材料与化学工程硕士学位，目前正在哈尔滨工业大学复合材料与结构研究中心攻读博士学位，专注于柔性传感器领域的研究。