拓扑调控的3D打印PDMS泡沫，具有符合形状的多巴胺/银（Ag）界面，用于压阻式传感

《Polymer》：Topology-Regulated 3D Printed PDMS Foams with Conformal Polydopamine/Ag Interfaces for Piezoresistive Sensing

　　

刘世友|胡明赫|李新霞|文金鹏|李帆|邵红|朱晓伟|廖成|卢艾|唐长宇

中国工程物理研究院成都发展中心，成都，610200，中国

摘要：

导电弹性泡沫在压力传感方面具有吸引力，但其机电性能通常受到同时控制压缩力学、结构弹性和导电界面稳定性的难度限制。本文介绍了一种高性能柔性压阻式压力传感器，该传感器通过直接喷射分层多甲基硅氧烷（PDMS）泡沫制备，随后进行多巴胺修饰并完成银镜反应以沉积坚固的导电涂层。通过解耦设计策略，我们分别调节PDMS泡沫的拓扑结构来控制压缩变形行为，并通过优化导电涂层来控制电响应和稳定性，最终实现具有宽检测范围和高灵敏度的压力传感器。基于面心四方（FCT）结构的传感器表现出出色的整体性能，包括在0–5 kPa范围内的高灵敏度（高达7.2×10⁶ kPa^?1）、宽检测范围（93 Pa至1600 kPa）、约38±3 ms的快速响应和恢复时间，以及超过3700次循环后仍保持出色的循环稳定性。此外，该传感器具有良好的准确性（在0–1600 kPa范围内误差<5%），并已成功应用于可穿戴设备，如呼吸监测、机器学习辅助语音识别和鞋垫式步态分析。这项工作为按需制造具有应用导向和可定制性能的泡沫基柔性传感器提供了一种多功能策略。

引言

柔性压力传感器是健康监测、可穿戴电子设备和人机交互等新兴技术中不可或缺的组件。[1],[2] 在常见的转换机制中，压阻式压力传感器因其简单的数据读取原理、设备架构和易于信号采集而特别突出。[3] 传统的压阻式传感器通常依赖于导电聚合物复合材料，其中导电填料（如炭黑、碳纳米管或金属颗粒）分散在弹性体基质中，形成导电路径，其电阻随变形而变化。[4],[5],[6],[7] 然而，基于复合材料的传感器的性能受到材料固有特性的限制。例如，引入刚性填料往往会降低聚合物基质的弹性恢复能力，导致信号滞后和压阻式传感器的长期稳定性受损。[7] 此外，聚合物复合膜的有限压缩性通常导致电阻变化较小，从而限制了设备的灵敏度和压力检测范围。[6],[7],[8] 为了解决这些问题，在传感器表面引入了工程微结构（如金字塔、圆顶、柱子），以在非常低的压力下实现显著的局部变形和较大的接触面积变化，从而提高灵敏度。[9],[10] 尽管如此，这类微结构传感器的性能（灵敏度和压力范围）仍然受到其固体、低压缩性基底的制约。[11] 此外，添加导电填料往往会降低弹性体基质的韧性，从而影响测量的重复性和耐用性。[12]

为了克服聚合物传感层固有机械性能对传感器性能提升的制约，研究人员在传感层中引入了多孔结构。[13] 与传统传感层相比，这些具有高压缩性和大变形能力的结构在相同压力下会导致导电层的接触面积/点发生更大变化，从而实现更高的灵敏度和更宽的检测范围。[14] 例如，基于导电金涂层弹性体聚合物海绵的压阻式传感器表现出高灵敏度（0.31 kPa^?1）和低压力阈值（低于10 Pa），这归因于多孔结构在压力下的较大变形。[15] 海绵的多孔结构决定了基于弹性体泡沫的传感器的压缩变形行为和传感性能。然而，通过传统物理或化学发泡方法制备的弹性体泡沫具有随机细胞结构，孔径分布广泛且包含许多封闭孔隙[8],[16],[17],[18]，导致泡沫的压缩行为不可控且韧性较差。这些多孔泡沫的缺点限制了基于泡沫的压力传感器的性能提升，而对宽范围和稳健的触觉信号输出的需求进一步推动了结构可编程多孔架构在应用导向压力传感中的发展。[19]

在这项工作中，我们通过结合PDMS的直接喷射、分层孔结构构建和多巴胺辅助的银沉积技术，开发了一种拓扑编程的导电聚合物泡沫。这种打印结构能够精确控制纤维间距、直径和层数，从而系统地调节聚合物框架的压缩力学性能。同时，PDA中间层促进了硅骨架上的共形金属化和界面坚固性。在此基础上，建立了泡沫拓扑、变形模式和电阻演变之间的耦合关系，揭示了如何结合结构编程和界面工程来调节导电弹性泡沫的机电性能。

章节片段

3D打印PDMS泡沫的结构构建和界面金属化

我们采用解耦设计，分别调节多孔PDMS泡沫的机械响应，并施加共形多巴胺/银（PDA/Ag）涂层以实现电转换（图1a）。这种策略使得可以独立调整柔顺性和界面导电性，这对于实现宽范围的可变形性和稳定的信号输出至关重要。在结构上，含有成孔剂（NaHCO₃）的PDMS墨水被打印成具有有序结构的泡沫

结论

总之，通过结合直接喷射、分层孔结构构建和多巴胺辅助的银金属化技术，开发出了一种拓扑编程的导电PDMS泡沫。有序的多孔结构使得压缩模量、变形路径和致密化行为能够被确定性地调节，而共形的PDA/Ag界面确保了在重复加载过程中聚合物骨架的电气连续性。通过系统地改变纤维间距

材料

多甲基硅氧烷粘合剂（PDMS，SE 1700）及固化剂购自陶氏康宁（美国）。D-(+)-葡萄糖（≥ 99 wt%）、碳酸氢钠（NaHCO₃，纯度99.5 wt%）和盐酸多巴胺购自麦克林（上海，中国）。氨溶液（28%-30 wt%）和3-丁炔-1-醇（97%）购自西格玛-奥德里奇（上海，中国）。硝酸银标准溶液（2 wt%）购自深圳安泽欣科技有限公司（中国）。去离子水

CRediT作者贡献声明

刘世友：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析。唐长宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。卢艾：验证。李帆：数据分析。文金鹏：初稿撰写。李新霞：初稿撰写。胡明赫：初稿撰写、验证、数据分析。廖成：数据分析。朱晓伟：撰写 – 审稿与编辑。邵红：撰写 – 审稿与编辑、监督

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

本工作得到了四川省科技计划（2025ZDZX0086）和国家自然科学基金（52573055）的财政支持。