北理工团队在柔性复合材料传感器领域取得新进展——先进结构技术助力性能设计与应用探索

近日，北京理工大学先进结构技术研究院传来喜讯，该校杨恒副教授团队在柔性复合材料传感器性能设计及应用研究方面取得了显著进展。该团队的研究成果以长篇综述的形式发表在《Acta Mechanica Sinica》（《力学学报》英文版）上，并荣获Editor's Pick，得到了业内的高度关注。

这篇综述题为“Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review”，由北理工的尚嘉辰、杨恒（通讯作者）、以及来自清华大学的合作研究者姚学锋共同撰写。文章系统地总结了课题组在传感监测方面的研究进展，并展望了未来的发展方向。

图1  柔性应变/压力传感器的应用领域

研究指出，柔性复合材料应变及应力传感器因其灵敏度高、应变范围大、形式多样等显著优点，在可穿戴电子、智能机械、结构健康监测等领域具有广阔的应用前景。然而，这些应用领域往往伴随着大变形、高低温等极端环境，对柔性传感器的性能提出了更为苛刻的要求。如何建立导电橡胶类复合材料的力电传感模型，揭示结构-性能的依赖关系，进而实现传感器灵敏度、量程、线性度和稳定性的协同提升，成为了该领域亟待解决的关键问题。

在这一背景下，杨恒副教授团队在方岱宁院士先进结构技术新思想的启发下，开展了深入细致的研究工作。他们通过揭示导电橡胶类复合材料的结构-性能关系，发展出相应的力电传感模型，并设计实现了该类型传感器在灵敏度、量程、线性度和稳定性方面的协同提升。

团队的理论研究取得了重要突破，建立了基于隧道效应和导电网络的应变电阻模型，以及考虑黏弹性的应变电阻模型和力电耦合数值预测模型。这些模型为柔性传感器的性能设计提供了坚实的理论基础。

在传感性能设计方面，团队提出了基于内部导电网络设计、宏观复合结构设计及表面导电层结构设计的传感性能调控方法。他们通过交联网络、互联网络、隔离网络等多种内部导电网络设计，以及纤维、多孔结构、负泊松比结构等聚合物结构设计，实现了传感器性能的精准调控。同时，团队还提出了多层级结构与变形控制协同设计方法，为同时提升传感器灵敏度和量程提供了新思路。

在应用方面，团队初步实现了橡胶类传感器在人机交互界面、人体运动状态监测及航天航空结构健康监测等方面的应用验证。特别是在大型客机舱门密封结构界面监测和柔性变体飞行器变形监测方面，团队的研究成果展现出了巨大的应用潜力。

对于未来，团队表示将继续在传感机理模型、性能协同设计方法及应用探索等方面开展深入细致的研究。他们将致力于构建大变形导电复合传感器的宏微观传感机理模型，揭示多层级结构与力电性能的内禀关联机制，并探索结构驱动的传感器逆向设计方法和结合人工智能算法的多点全场参量解耦及实时反馈技术。

此次研究成果的取得，不仅展示了北理工在柔性复合材料传感器领域的科研实力，也为智能制造和先进装备的发展提供了有力的技术支撑。相信在方岱宁院士先进结构技术新思想的引领下，北理工团队将在该领域取得更多创新性的研究成果，为国家的科技进步和产业升级做出更大的贡献。

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（转自：复材网）

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