科研速递 | 理工学院郑庆彬教授团队在Chemical Engineering Journal上发表文章

期刊介绍

Chemical Engineering Journal是工程技术类国际顶级期刊，以发表新材料应用和化学工程技术等方面的重要研究成果和创新技术为主，2021年影响因子为16.744，在中科院分区为工程技术类1区Top期刊。

研究内容

该论文提出新的方案来生产应用于高性能应变传感器和应变控制开关的高度各向异性石墨框架(HAGF)/PDMS复合材料。具有自支撑、整体式和各向异性特点的HAGF是通过两步可大规模生产的工艺构建而成的。由于其高度各向异性的微观结构，所得的传感器和开关表现出前所未有的特性（包括可调整的灵敏度、出色的机械灵活性和超高的开/关比率）。此外，通过将此传感器和开关与微电子元件集成在一起而组成的运动检测传感器和背部姿势矫正器对人体运动形态和不良姿势提供了无线监测和实时反馈的作用，通过以上应用证明了此复合材料在可穿戴器件方面的潜力和前景。

图2 基于HAGF/PDMS复合材料的传感器和开关的制造示意图，获得的传感器/开关的光学图像显示在右下角。

在这项工作中，作者开发并展示了一种新的方法来制造各向异性的三维（3D）石墨框架及其复合材料，用于高度灵活并且可拉伸的传感器和应变控制开关。高度各向异性的石墨结构是通过对市场上的石墨纸进行简单、低成本和可扩展的工艺而制造出来的。通过控制HAGF的取向结构和厚度，可以设计接触面积和可切换的传导路径，以创建基于HAGF/PDMS复合材料的应变传感器和应变控制开关，以实现可调整的灵敏度（测量系数从1.3到379）和开关调节（电阻变化超过10³⁵）能力，以及出色的机械灵活性和耐久性（1000次拉伸释放）。通过简单地调整切片HAGF/PDMS复合材料的宽度或厚度，传感器的灵敏度和开关可以精确控制。由此产生的电子机械传感器和开关被认为是可靠的，并且容易制造，以满足广泛的应用要求。

图3 传感/开关机制的示意图。(a) HAGF//的结构特点；(b) 当拉伸方向平行于石墨片排列方向时结点的连接变化(HAGF//)以及复合材料的宽度对开关性能的影响示意图 (c)HAGF⊥的结构特点；(d)拉伸方向垂直于石墨片排列方向时结点的连接变化以及复合材料的宽度对开关性能的影响示意图。

通过将传感器与电子元件（微控制器、蓝牙发射器和电源）以及智能手机上定制的安卓应用程序集成，还开发了一个可穿戴的无线运动监测系统，能够实时监测用户的运动，包括站立、行走和跑步。此外，文中展示的一个基于应变控制开关的便携式背部姿势矫正器可以实时监测和提醒用户保持正确的坐姿或站姿，这有望在预防颈椎病和不良姿势造成的背部伤害方面发挥重要作用。优异的传感和开关性能与便捷和可扩展的生产工艺相结合，为HAGF/PDMS复合材料在下一代人工智能和医疗监测系统领域提供了巨大的潜在实际应用前景。

图4 定制开发的移动应用程序用于数据收集。(a) 集成了HAGF//PDMS传感器、信号传输、数据处理、蓝牙发射器和智能手机的可穿戴传感系统的示意图；(b) 使用HAGF//PDMS传感器进行无线和实时传感的照片；(c) 实时显示相关用户的站立、行走和跑步动作。

图5 (a) 将开关安装在人的手指上，作为可穿戴式电路控制应用的说明；(b) 由连接在手指上的开关和 LED 组成的 LED 电路的光学图像，其中 LED 灯的开/关通过手指的简单弯曲来控制；(c) 通过背部姿势校正器监测和提醒人体姿势的示意图；(d) 背部姿势监测与提醒应用示范；(e) 背部姿势矫正器的工作过程和其开关的工作机理。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722051439

作者简介

郑庆彬教授博士毕业于香港科技大学机械及航空航天学系，2019年加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授，校长青年学者，曾任香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授及德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”，作为独立PI主持国家海外高层次青年人才项目，国家自然科学基金，广东省自然科学基金，香港研究资助局优配研究金（HK-RGC GRF），及德国洪堡基金（Alexander von Humboldt-Stiftung）等项目。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Angewandte Chemie International Edition, Small, Chemical Engineering Journal, Nano-Micro Letters, Materials Horizons, Carbon等本领域顶级期刊发表文章80余篇，论文总计被引用8000余次，H-index为45。

张飞博士2019年博士毕业于天津大学材料科学与工程学院，同年加入香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授团队担任博士后，期间主持科研项目包括国家自然科学基金青年项目、中国博士后面上基金（一等资助）、博士后特殊资助（站中）和广东省科技厅粤深联合青年项目。长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在界面传热、先进传感和柔性导体等领域的应用。